WO2015151479A1 - 表示体、および表示体の製造方法 - Google Patents

表示体、および表示体の製造方法 Download PDF

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diffractive structure
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雅史 川下
松尾　正
Original Assignee
凸版印刷株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1809—Diffraction gratings with pitch less than or comparable to the wavelength
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1847—Manufacturing methods
    • G02B5/1852—Manufacturing methods using mechanical means, e.g. ruling with diamond tool, moulding

Definitions

  • the present invention relates to a display body using structural color development and a manufacturing method thereof.
  • the structural coloration represented by morpho butterfly scales and iridescent epidermis is not the color development associated with the energy transition of the electronic state of molecules such as dyes and pigments, but the coloration phenomenon caused by the action of optical phenomena such as light diffraction, interference and scattering. is there.
  • multi-layer interference which occupies the largest distribution among the structural colors existing in the natural world, is a structural color generated when reflected light generated at each interface of the laminate interferes, and a specific wavelength range is selectively used. It can be applied to a wavelength-selectable optical element that transmits or reflects light.
  • the wavelength of the reflected light is limited by the film thickness of each layer of the laminate, so that the display body is composed of a plurality of color components on a single substrate.
  • masking and multilayer film formation must be repeated by the number of color components, which makes the manufacturing process very complicated.
  • the element has a structure in which a waveguiding layer and a grating layer made of a material having a higher refractive index than that of the substrate are sequentially formed on the substrate, and a sub-wavelength grating structure grating formed in the grating layer. It is described that a reflectivity of 100% is theoretically shown in a narrow band by optimally designing the height, structure period, fill factor (grating volume occupation ratio in one period), and thickness of the waveguide layer.
  • the thickness of the waveguide layer is set to 500 nm or less, and the light in the visible wavelength region is used. If the propagation mode is designed to be a single mode, it is said that, for example, three primary color wavelength selection elements such as color filters can be formed by batch processing using a mold or a mask.
  • the structure period and fill factor of the lattice structure, the structure height, and the thickness of the waveguide layer are designed to be optimum values, so that theoretically for a specific wavelength.
  • the reflected light is limited to a narrow band.
  • the peak FWHM exhibiting a reflectance of 100% in the green wavelength band is about 20 nm. It is described as a degree.
  • a reflective color filter using a wavelength selection element that theoretically exhibits 100% reflection as a narrow band as described above as subpixels of three colors R (red), G (green), and B (blue) Therefore, when a reflected image having a color is expressed under a white light source such as sunlight or a fluorescent lamp, since the FWHM of the reflection peak is narrow, the brightness of the reflected light on the element surface is small, and the reflectivity is theoretically 100%. Even if it is shown, it becomes an unclear reflection image with human eyes.
  • the reflectance of the base portion can be lowered by the design of the lattice structure, the reflectance of the peak portion is lowered as a side effect, and the FWHM of the reflection peak is narrowed, resulting in a decrease in brightness as a result. Concerned.
  • pixels or sub-pixels consisting of wavelength selection elements designed to have a theoretical reflectance of 100% in each RGB wavelength band are formed by batch processing, they can be expressed by these three primary colors. Since the color space is limited, it is difficult to express various colors under a white light source such as sunlight or a fluorescent lamp.
  • the present invention provides the following display body to solve this problem.
  • One aspect of the present invention includes a base material, a waveguiding layer formed on the base material, and a lattice layer formed on the waveguiding layer, and an element that reflects light in a specific wavelength region is formed.
  • the lattice layer formed in the pixel or sub-pixel region is composed of a one-dimensional diffractive structure composed of a linear periodic concavo-convex structure or a lattice-shaped periodic concavo-convex structure.
  • the display body is composed of a two-dimensional diffractive structure and the period of the one-dimensional diffractive structure or the two-dimensional diffractive structure constituting the grating layer is two or more.
  • the difference in peak wavelength position between a reflection peak in an arbitrary structure period and a reflection peak in another adjacent structure period is The structure period may be determined to be less than twice the FWHM value of a single reflection peak at any structure period.
  • the ratio of the convex dimension to the structural period of the one-dimensional diffractive structure or the two-dimensional diffractive structure may be constant regardless of the structural period.
  • the refractive index in the visible light wavelength region of the material constituting the waveguide layer may be larger than the refractive index in the visible light wavelength region of the material constituting the substrate.
  • At least the lattice layer may be made of a resin material.
  • the waveguide layer and the lattice layer may be made of the same material.
  • the present invention provides the following display body manufacturing method.
  • Another aspect of the present invention is a method of manufacturing a display body, the step of preparing a mold, and the mold (i) a primary consisting of a linear periodic concavo-convex structure having two or more types of structural periods on the surface.
  • a pixel or sub-pixel region composed of an original diffraction structure or a two-dimensional diffraction structure composed of a grating-like periodic concavo-convex structure, and (ii) a diffractive structure formed in an arbitrary pixel or sub-pixel region
  • the minimum value of the difference in the structure period is less than twice the minimum value of the FWHM of the light reflected at the corresponding pixel or subpixel of the display body transferred and copied from the mold, and (iii) the pixel or subpixel In the diffractive structure formed in the region, the ratio of the convex dimension to the structural period is constant regardless of the structural period.
  • the refractive index of the visible light wavelength region is higher than that of the base material.
  • Composed of material A step of applying a photocurable resin, and a step of transferring a diffractive structure formed in a region of a pixel or a subpixel to a photocurable resin applied on a substrate from a mold by an optical nanoimprint method. This is a method for manufacturing a display body.
  • Another aspect of the present invention is a method of manufacturing a display body, the step of preparing a mold, and the mold from (i) a linear periodic concavo-convex structure having two or more types of structural periods on the surface.
  • a pixel or sub-pixel region composed of a one-dimensional diffractive structure or a two-dimensional diffractive structure composed of a grating-like periodic uneven structure, and (ii) a diffractive structure formed in an arbitrary pixel or sub-pixel region Is less than twice the minimum value of the FWHM of the light reflected from the corresponding pixel or subpixel of the display body transferred and copied from the mold, and (iii) the pixel or subpixel In the diffractive structure formed in the pixel region, the ratio of the convex dimension to the structural period is constant regardless of the structural period.
  • the refractive index is higher than the base material for the visible light wavelength region. Consists of materials Diffraction formed in the pixel or sub-pixel area from the mold to the thermoplastic resin or thermosetting resin applied on the substrate by the thermal nanoimprint method and the process of applying the thermoplastic resin or thermosetting resin And a step of transferring the structure.
  • the FWHM of the reflection spectrum in the pixel or subpixel region is widened by forming a plurality of diffractive structures having different structure periods in the pixel or subpixel region. Furthermore, even when the diffraction structure of each structure period is designed so that the reflectance of the base portion of the reflection spectrum is low, the reflection peak in the structure of a single period is low and the FWHM is narrow, but the pixel or sub-structure is reduced. The FWHM of the reflection spectrum in the entire area of the pixel becomes wider.
  • the ratio of the convex dimension to the structural period of the diffractive structure having a different structural period formed in the pixel or sub-pixel region is constant regardless of the structural period, for example, by batch processing by the nanoimprint method. Even when pixels or sub-pixels are formed and the formed remaining film is used as a waveguide layer, the remaining film thickness is constant regardless of the structural period. As a result, for example, even when sub-pixels that reflect the wavelength bands of the three primary colors of RGB are collectively processed by the nanoimprint method and used as a color filter, the color space that can be expressed by these three primary colors can be expanded. There is an effect that various colors can be expressed under a white light source such as light or fluorescent light.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of pixels or sub-pixels of a display body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the sub-pixels of the display body according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a calculation result of a reflection spectrum by the RCWA method for a sub-pixel in which a lattice layer is formed with a linear periodic uneven shape having a single structure period.
  • FIG. 4 is a calculation result of a reflection spectrum by the RCWA method for subpixels in which lattice layers are sequentially formed in a linear periodic uneven shape having seven different structural periods.
  • a pixel includes the meaning of a unit (dot) for performing a minimum drawing expression on a printed matter or the like.
  • the sub-pixel refers to a plurality of pixels forming one pixel, such as each RGB region in a color filter or the like.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of pixels or sub-pixels of a display body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a plan view of a pixel or subpixel region as viewed from directly above, and
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing a structural period in the pixel or subpixel region.
  • i (i is an integer of 2 or more) lattice layer forming regions 31 to 32 are formed in the pixel or sub-pixel region forming the display body of the present invention. Yes.
  • diffractive structures having i types of structural periods from the structural period P1 to the structural period Pi are sequentially formed.
  • the diffractive structures having the respective structural periods P1 to Pi each have a waveguide layer 2 formed on a base material 1, and a grating layer 3 formed on the waveguide layer 2.
  • a so-called waveguide mode resonance grating structure is formed.
  • the structure period Pi of the diffractive structure formed in the grating layer 3 needs to be a sub-wavelength period shorter than the wavelength at which it acts.
  • at least the material constituting the waveguide layer 2 needs to be composed of a material having a high refractive index with respect to the visible light wavelength region of the material constituting the substrate 1. It can be said that the larger the refractive index difference between the base material 1 and the waveguide layer 2 in the visible light wavelength region, the better.
  • the extinction coefficient of the material constituting at least the waveguide layer 2 and the grating layer 3 with respect to the visible light wavelength region is preferably close to zero.
  • the structure formed in the lattice layer 3 is a sub-wavelength structure
  • photolithography, charged particle beam lithography, nanoimprint lithography, or the like may be used to form the display body of the present invention.
  • a resin pattern having a subwavelength structure is formed by the lithography, and the lattice layer 3 can be formed by an existing technique such as dry etching using the resin pattern as a mask.
  • the material forming the waveguide layer 2 needs to be resistant to the dry etching conditions of the material forming the lattice layer 3.
  • the resin material can be applied as it is as the lattice layer 3.
  • nanoimprint lithography is applied, a residual film peculiar to the process is generated, and it is necessary to remove this residual film by plasma exposure.
  • the material forming the waveguide layer 2 needs to have resistance to the remaining film removal conditions.
  • the refractive index with respect to the visible light wavelength range of the material which comprises the waveguide layer 2 and the grating layer 3 may be equal, it is also possible to form the waveguide layer 2 and the grating layer 3 with the same material. is there. Therefore, for example, a photo-curing resin, a thermoplastic resin, or a thermosetting resin is applied on the substrate 1 and pattern transfer is performed by the nanoimprint method, whereby the waveguide layer 2 and the lattice layer 3 are collectively formed. It is also possible. In this case, the waveguide layer 2 corresponds to the remaining film formed by nanoimprinting. However, when transferring a pixel having a plurality of structural periods as shown in FIG. The fill factor (wi / Pi) of the structure period is preferably constant (see (b) of FIG. 1).
  • the thickness of the waveguiding layer 2 needs to be 500 nm or less so that the propagation mode is a single mode in the visible light wavelength region. In the case where light having a wavelength longer than the visible light wavelength region is targeted, the thickness of the waveguide layer 2 may be 500 nm or more.
  • the reflection spectrum from the waveguide mode resonance grating having a certain structure period can be calculated by using, for example, the Rigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA) method. If the RCWA method is used, it is possible to predict the reflection spectrum of the waveguide mode resonance grating by inputting parameters such as the structure period, fill factor, and the thickness of the grating layer 3 and the waveguide layer 2. The structural period of the diffractive structure formed in the pixel or subpixel region can be determined based on the calculation result by the RCWA method.
  • RCWA Rigorous Coupled-Wave Analysis
  • the reflection peak wavelength is shifted according to the change amount of the structure period. Therefore, for example, a pixel region is divided into 10 equal parts in the X direction, and a grating layer in which a diffractive structure having a structural period P1 is formed in the 10 regions and a grating layer in which a diffractive structure having a structural period P2 is formed. If the lattice layer formation region of each structural period is sufficiently smaller than the spatial resolution on the light receiving side, the reflected light from the pixel region is assumed to be a mixture of the reflected light from each diffractive structure.
  • the shift amount of the reflection peak wavelength with respect to the change of the structure period is smaller than twice the FWHM of the reflection peak of each structure period alone, the reflection spectrum observed at the light receiving portion is 2 without the peak being separated. Two peaks are superimposed.
  • the FWHM obtained by fitting this reflection peak to the Gaussian function is larger than the FWHM of the reflection peak of the diffraction structure composed of the structural periods of P1 and P2 alone.
  • the FWHM of the reflection peak can be widened by forming the grating layer 3 in which the diffractive structure having a plurality of structural periods is formed, a single color that can be recognized by the human naked eye is single. Brighter than a pixel or subpixel in which a grating layer made of a diffractive structure having a structure period is formed. Therefore, for example, when the grating structure is designed so that the reflectance of the base portion is lowered in order to increase the hue and saturation, it is possible to widen the FWHM by arranging a plurality of diffraction structures having different structural periods. For this reason, it is possible to manufacture a display body having good hue and saturation in addition to lightness.
  • the structure period and the numerical value of i corresponding to the FWHM to be obtained are determined using the calculation by the RCWA method, and the lattice layer 3 is passed. It ’s fine.
  • the pixel or subpixel region shown in FIG. 1 may be determined by the spatial resolution on the light receiving side.
  • the spatial resolution of the human naked eye is typically 100 ⁇ m when viewed from a distance of 30 cm. Therefore, if a square region having a side of 100 ⁇ m is used as one pixel and diffractive structures having different structure periods are sequentially formed therein, a display body using a structural color by a waveguide mode resonance grating can be manufactured. Since the grating layer 3 is a sub-wavelength structure, the size of the pixel region may be set to 5 ⁇ m or 10 ⁇ m, for example, in order to produce a higher resolution display.
  • the structure period changes if the division period in the X direction is constant.
  • the joint may occur at the boundary where the structural period changes. In that case, for example, a joint is not generated by making one side dividing a pixel or subpixel region a multiple of each structural period.
  • the diffractive structure formed in the grating layer 3 is a one-dimensional diffractive structure composed of a linear periodic concavo-convex structure
  • the spectrum obtained by the polarization of light changes.
  • a one-dimensional diffractive structure composed of linear periodic concavo-convex structures arranged in the Y direction may be appropriately arranged, or a two-dimensional diffractive structure composed of a lattice-shaped periodic concavo-convex structure may be used.
  • the arrangement of the diffractive structures may be ordered or random.
  • FIG. 2 is a schematic view of a sub-pixel of a display body produced in the example of the present invention.
  • FIG. 2A is a plan view of the subpixel region as viewed from directly above
  • FIG. 2B is a cross-sectional view of a single structure periodic region.
  • an optical nanoimprint method using ultraviolet light as a light source is employed, but thermal nanoimprint using a thermoplastic resin or a thermosetting resin may be applied as long as the refractive index of the material satisfies the conditions.
  • the fill factor F w / P, the structure height d1, and the waveguide layer thickness d2 of the linear periodic concavo-convex structure
  • calculation by the RCWA method was performed.
  • the refractive index of the material used for the calculation the refractive index of the synthetic quartz glass is used for the base material 1
  • the refractive index of the photocurable resin MUR-6 manufactured by Maruzen Petrochemical Co., Ltd.
  • the calculation by the RCWA method in this embodiment was performed assuming an RGB three-color filter.
  • FIG. 3 shows a reflection spectrum obtained by calculation by the RCWA method.
  • 3A shows the reflection spectrum of the blue (B) subpixel
  • FIG. 3B shows the reflection spectrum of the green (G) subpixel
  • FIG. 3C shows the reflection spectrum of the red (R) subpixel.
  • the structural design was performed so as to make the reflection intensity of the base portion as low as possible.
  • B blue subpixel of FIG.
  • FIG. 4 shows a reflection spectrum obtained by calculation by the RCWA method.
  • 4A shows the reflection spectrum of the blue (B) sub-pixel
  • FIG. 4B shows the reflection spectrum of the green (G) sub-pixel
  • FIG. 4C shows the reflection spectrum of the red (R) sub-pixel.
  • the values of the structure height d1 and the waveguide layer thickness d2 are the same as those in FIG. In the blue (B) sub-pixel of FIG.
  • G green
  • R red
  • the subpixel shown in FIG. 2 was produced using the optical nanoimprint method for the green (G) subpixel shown in FIG.
  • the synthetic quartz glass substrate 4 serving as a mold On the synthetic quartz glass substrate 4 serving as a mold, a region was formed in which one-dimensional diffractive structures composed of linear periodic concavo-convex structures having seven different structural periods were sequentially formed as shown in FIG.
  • the region arrangement of the linear periodic concavo-convex structure with seven different structural periods formed on the mold surface is mirror-inverted.
  • a linear periodic uneven structure with a fill factor F 0.60 was obtained.
  • the height of the concavo-convex structure was 250 nm, the same as d1.
  • the sub-pixel region was a square with a side of 70 ⁇ m, and 10,000 of them were arranged without overlapping in a square region with a side of 7 cm.
  • the mold is produced by a combination of a conventional charged particle beam exposure method and dry etching.
  • the structural period and fill factor were controlled by the charged particle beam lithography process, and the structural height was controlled by dry etching.
  • an ultraviolet nanoimprint mold was prepared.
  • Optool HD-1100Z manufactured by Daikin Industries was applied as a release agent to the surface of the mold for ultraviolet nanoimprint.
  • a photocurable resin MUR-6 manufactured by Maruzen Petrochemical Co., Ltd.
  • a photocurable resin MUR-6 manufactured by Maruzen Petrochemical Co., Ltd.
  • a photocurable resin MUR-6 having a film thickness of 250 nm is applied on the quartz glass substrate 4 and brought into contact with the surface of the ultraviolet nanoimprint mold on which the release agent has been applied.
  • ultraviolet light having a wavelength of 365 nm was irradiated from the back surface of the mold for ultraviolet nanoimprint to cure the photocurable resin. This treatment was performed at room temperature, and the exposure amount of ultraviolet light was 100 mJ / cm 2 .
  • the quartz glass substrate 4 is peeled off from the ultraviolet nanoimprint mold, and the lattice layer forming region 51 having the structural period Pa, the lattice layer forming region 52 having the structural period Pb, the lattice layer forming region 53 having the structural period Pc, and the structural period Pd.
  • a waveguide made of a photocurable resin in which a lattice layer forming region 54, a lattice layer forming region 55 having a structural period Pe, a lattice layer forming region 56 having a structural period Pf, and a lattice layer forming region 57 having a structural period Pg are sequentially formed.
  • the display body which consists of a subpixel in which the layer and the lattice layer 5 were formed was obtained.
  • the reflection of the wavelength band of was confirmed.
  • a display body excellent in hue, saturation, and brightness using structural coloration by the waveguide mode resonance grating in the region where the sub-pixel was formed was obtained.
  • the display body of the present invention can be used for display objects with high design properties. Moreover, since it is a display body having a fine pattern formed with high precision, it is expected to be used for anti-counterfeiting technology.

Abstract

　導波モード共鳴格子による構造発色を利用した色相、彩度、明度に優れた表示体およびその製造方法を提供する。本発明では、画素もしくは副画素の領域内に、複数の構造周期の回折構造体からなる格子層を設ける。これにより、画素もしくは副画素から反射される光のＦＷＨＭを広くすることが可能となり、その結果、より鮮やかな反射像を得ることができる。

Description

表示体、および表示体の製造方法
　本発明は、構造発色を利用した表示体、およびその製造方法に関する。
　モルフォ蝶の鱗粉や玉虫の表皮に代表される構造発色は、色素や顔料などの分子の電子状態のエネルギー遷移に伴う発色ではなく、光の回折や干渉、散乱といった光学現象の作用による発色現象である。
　例えば、自然界に存在する構造発色のうち、最も大きい分布を占める多層膜干渉は、積層体の各界面で発生する反射光が干渉することにより発生する構造発色であり、特定の波長域を選択的に透過、もしく反射する波長選択可能な光学素子に応用することができる。
　但し、上記多層膜干渉を利用した光学素子では、反射される光の波長は積層体各層の膜厚により限定されてしまうため、１枚の基材上に複数の色成分で構成される表示体を製造するためには、マスキングと多層膜成膜とを色成分の数だけ繰り返さなくてはならず、製造工程としては非常に複雑になってしまう。
　そこで、導波モード共鳴を利用した波長選択素子が考案されている（特許文献１を参照）。当該素子は、基材上に基材よりも高い屈折率の材料で構成される導波層、格子層が順次形成された構成となっており、格子層に形成されたサブ波長格子構造の格子高さや構造周期、フィルファクタ（１周期における格子の体積占有率）、導波層の厚さを最適設計することにより、狭帯域に理論上１００％の反射率を示すことが記されている。
特開２００９－２５５５８号公報
　上記特許文献１によれば、格子層の厚さが同一であっても格子構造によって異なる分光特性が得られるため、導波層の厚さを５００ｎｍ以下とし、可視光波長領域の光に対して伝搬モードがシングルモードとなるように設計すると、例えばカラーフィルタのような三原色の波長選択素子を金型やマスクによる一括加工で形成できるとされている。
　しかしながら、特許文献１に記載の波長選択素子の場合、格子構造の構造周期とフィルファクタ、構造高さ、および導波層の厚さを最適値に設計することにより、特定の波長に対し理論上１００％の反射を示すことが可能となるが、反射される光は狭帯域に限定されてしまう。例えば、構造周期を３５０ｎｍとして、格子構造の寸法パラメータを最適化した場合、緑の波長帯域で反射率１００％を示すピークのＦＷＨＭ（反射ピークをガウス関数にフィッティングした際の半値全幅）は約２０ｎｍ程度であると記載されている。
　例えば、上述のような狭帯域に限定して理論上１００％の反射を示す波長選択素子を、Ｒ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）３色の副画素として用いた反射型のカラーフィルタにより、色彩を有する反射像を太陽光や蛍光灯などの白色光源下で表現する場合、反射ピークのＦＷＨＭが狭いため、素子表面での反射光の明度が小さく、理論上１００％の反射率を示していても、人間の肉眼では不鮮明な反射像となってしまう。
　さらに、特許文献１に記載の波長選択素子において、反射スペクトルのピーク部の反射率を高めるように設計した場合、副作用としてピーク部以外のベース部においても反射率が高くなり、結果として反射光の色相や彩度が損なわれることが懸念される。
　格子構造の設計により、ベース部の反射率を低くすることは可能であるが、副作用としてピーク部の反射率が低くなり、さらに反射ピークのＦＷＨＭが狭くなることにより、結果として明度が下がることが懸念される。
　以上から、例えばＲＧＢの各波長帯域において、理論上の反射率が１００％となるように設計された波長選択素子からなる画素もしくは副画素を一括加工により形成しても、これらの三原色により表現可能な色空間は限定されてしまうため、太陽光や蛍光灯などの白色光源下で多様な色彩を表現することが困難となる。
　本発明は、上記課題を鑑みて、これを解決するために以下の表示体を提供するものである。
　本発明の一局面は、基材と、基材上に形成された導波層と、導波層上に形成された格子層とを有し、特定の波長領域の光を反射する素子が形成された画素もしくは副画素の領域を有する表示体であって、画素もしくは副画素の領域に形成された格子層は、線状周期凹凸構造からなる一次元回折構造体もしくは格子状周期凹凸構造からなる二次元回折構造体で構成され、格子層を構成する一次元回折構造体もしくは二次元回折構造体の周期は、２種類以上である、表示体である。
　また、２種類以上の構造周期を持つ一次元回折構造体もしくは二次元回折構造体において、任意の構造周期における反射ピークとこれと隣接する他の構造周期における反射ピークとのピーク波長位置の差が、任意の構造周期における単独の反射ピークのＦＷＨＭ値の２倍未満であるように構造周期が決定されてもよい。
　また、一次元回折構造体もしくは二次元回折構造体の構造周期に対する凸部寸法の割合が、構造周期に依らず一定でもよい。
　また、導波層を構成する材料の可視光波長領域内における屈折率が、基材を構成する材料の可視光波長領域内における屈折率よりも大きくてもよい。
　また、少なくとも格子層は、樹脂材料で構成されていてもよい。
　また、導波層と格子層とが、同一の材料で構成されていてもよい。
　また、本発明は、以下の表示体の製造方法を提供するものである。
　本発明の他の局面は、表示体を製造する方法であって、モールドを用意する工程と、モールドは、（ｉ）表面に、２種類以上の構造周期を持つ線状周期凹凸構造からなる一次元回折構造体もしくは格子状周期凹凸構造からなる二次元回折構造体で構成された画素もしくは副画素の領域を有し、（ｉｉ）任意の画素もしくは副画素の領域に形成された回折構造体の構造周期の差の最小値が、モールドから転写して複製される表示体の対応する画素もしくは副画素において反射される光のＦＷＨＭの最小値の２倍未満であり、（ｉｉｉ）画素もしくは副画素の領域に形成された回折構造体において、構造周期に対する凸部寸法の割合が、構造周期に依らず一定である、基材上に、基材よりも可視光波長領域に対して高い屈折率の材料で構成された光硬化性樹脂を塗布する工程と、光ナノインプリント法により、モールドから基材上に塗布した光硬化性樹脂に、画素もしくは副画素の領域に形成された回折構造体を転写する工程とを具備する、表示体の製造方法である。
　また、本発明の他の局面は、表示体を製造する方法であって、モールドを用意する工程と、モールドは、（ｉ）表面に、２種類以上の構造周期を持つ線状周期凹凸構造からなる一次元回折構造体もしくは格子状周期凹凸構造からなる二次元回折構造体で構成された画素もしくは副画素の領域を有し、（ｉｉ）任意の画素もしくは副画素領域に形成された回折構造体の構造周期の差の最小値が、モールドから転写して複製される表示体の対応する画素もしくは副画素において反射される光のＦＷＨＭの最小値の２倍未満であり、（ｉｉｉ）画素もしくは副画素の領域に形成された回折構造体において、構造周期に対する凸部寸法の割合が、構造周期に依らず一定である、基材上に、基材よりも可視光波長領域に対して高い屈折率の材料で構成された熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂を塗布する工程と、熱ナノインプリント法により、モールドから基材上に塗布した熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂に、画素もしくは副画素の領域に形成された回折構造体を転写する工程とを具備する、表示体の製造方法である。
　本発明によれば、画素もしくは副画素の領域内に構造周期が異なる回折構造体を複数形成することで、画素もしくは副画素の領域における反射スペクトルのＦＷＨＭが広がる。さらに、各構造周期の回折構造体を反射スペクトルのベース部の反射率が低くなるように設計した場合でも、単一周期の構造体における反射ピークは低くなり、ＦＷＨＭは狭くなるが、画素もしくは副画素の領域全体における反射スペクトルのＦＷＨＭは広くなる。加えて、画素もしくは副画素の領域内に形成する構造周期が異なる回折構造体の構造周期に対する凸部寸法の割合が、構造周期に依らず一定であることにより、例えばナノインプリント法による一括加工で当該画素もしくは副画素を形成した場合であって、形成される残膜を導波層として用いる場合でも、構造周期に依らず残膜厚は一定となる。以上の結果、例えばＲＧＢの三原色の各波長帯域を反射する副画素をナノインプリント法により一括加工し、カラーフィルタとした場合でも、これらの三原色により表現可能な色空間を広げることが可能となり、よって太陽光や蛍光灯などの白色光源下で多様な色彩を表現できるという効果を奏する。
図１は、本発明の一実施形態に係わる表示体の画素もしくは副画素の模式図である。 図２は、本発明の実施例に係わる表示体の副画素の模式図である。 図３は、単一構造周期の線状周期凹凸形状で格子層が形成された副画素に対するＲＣＷＡ法による反射スペクトルの計算結果である。 図４は、７つの異なる構造周期の線状周期凹凸形状で格子層が順次形成された副画素に対するＲＣＷＡ法による反射スペクトルの計算結果である。
　本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
　本発明は、対象とする波長領域に対しての限定はないが、以下に示す実施の形態では、特に人間の肉眼で識別可能な可視光波長領域の光を対象として説明する。尚、本発明において画素は、印刷物などにおける最小の描画表現を行う単位（ドット）の意味を含むものとする。また、本発明において副画素は、例えばカラーフィルタなどにおけるＲＧＢ各領域のような、複数で１つの画素を形成するもののことを指すものとする。
　図１は、本発明の一実施形態に係わる表示体の画素もしくは副画素の模式図を示したものである。図１の（ａ）は画素または副画素の領域を真上から見た平面図であり、図１の（ｂ）は画素または副画素の領域における構造周期を示した断面図である。
　本発明の表示体を形成する画素もしくは副画素の領域には、図１の（ａ）に示すように、ｉ個（ｉは２以上の整数）の格子層形成領域３１～３２が形成されている。各格子層形成領域には、構造周期Ｐ１から構造周期Ｐｉまでｉ種類の構造周期の回折構造体が順次形成されている。図１の（ｂ）に示すように、各構造周期Ｐ１～Ｐｉの回折構造体は、それぞれ、基材１の上に導波層２が形成され、導波層２の上に格子層３が形成された、所謂導波モード共鳴格子構造となっている。
　導波モード共鳴格子とするためには、格子層３に形成される回折構造体の構造周期Ｐｉは、作用する波長よりも短い、サブ波長周期である必要がある。さらに、少なくとも導波層２を構成する材料は、基材１を構成する材料の可視光波長領域に対する屈折率が高い材料で構成される必要がある。基材１と導波層２との可視光波長領域における屈折率差が大きいほど、好ましいと言える。また、少なくとも導波層２と格子層３とを構成する材料の可視光波長領域に対する消衰係数は、０に近い方が好ましい。
　格子層３に形成する構造体がサブ波長構造体であるので、本発明の表示体を形成するためには、フォトリソグラフィや荷電粒子線リソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィなどを用いると良い。上記リソグラフィによりサブ波長構造の樹脂パターンを形成し、この樹脂パターンをマスクとしてドライエッチングなどの既存技術により格子層３を形成することができる。この場合、導波層２を形成する材料は、格子層３を形成する材料のドライエッチング条件に対して耐性を有している必要がある。樹脂材料の屈折率が上記条件を満たす場合は、樹脂材料をそのまま格子層３として適用することも可能である。但し、ナノインプリントリソグラフィを適用する場合、工程特有の残膜が生じるため、この残膜をプラズマ暴露により除去する必要がある。この場合、導波層２を形成する材料は、残膜除去条件に対して耐性を有している必要がある。
　尚、導波層２と格子層３とを構成する材料の可視光波長領域に対する屈折率は、等しくても良いため、同じ材料により導波層２と格子層３とを形成することも可能である。よって、例えば光硬化性樹脂、或いは熱可塑性樹脂、または熱硬化性樹脂を基材１上に塗布し、ナノインプリント法にてパターン転写することにより、導波層２と格子層３とを一括形成することも可能である。この場合、導波層２は、ナノインプリントにより形成された残膜に相当するが、図１のように複数の構造周期を持つ画素を転写する場合は、残膜厚を一定にするために、各構造周期のフィルファクタ（ｗｉ／Ｐｉ）が一定であることが好ましい（図１の（ｂ）を参照）。
　導波層２の厚さは、可視光波長領域において伝搬モードがシングルモードとなる５００ｎｍ以下である必要がある。尚、可視光波長領域よりも長波長の光を対象とする場合は、導波層２の厚さが５００ｎｍ以上でも良い。
　一定構造周期の導波モード共鳴格子からの反射スペクトルは、例えばＲｉｇｏｒｏｕｓ　Ｃｏｕｐｌｅｄ－Ｗａｖｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ（ＲＣＷＡ）法などを用いて計算することができる。ＲＣＷＡ法を用いれば、構造周期やフィルファクタ、格子層３や導波層２の厚さなどのパラメータを入力することで、導波モード共鳴格子の反射スペクトルを予測することが可能となる。画素もしくは副画素の領域に形成する回折構造体の構造周期は、上記ＲＣＷＡ法により算出結果を基に決定することができる。
　導波モード共鳴格子において、構造周期以外のパラメータを一定とし、構造周期を変化させた場合の反射スペクトルをＲＣＷＡ法にて算出すると、構造周期の変化量に応じて反射ピーク波長がシフトする。したがって、例えば画素の領域をＸ方向に１０等分し、この１０の領域に構造周期Ｐ１を持つ回折構造体が形成された格子層と構造周期Ｐ２を持つ回折構造体が形成された格子層とを交互に５対並べた場合、各構造周期の格子層形成領域が受光側の空間分解能よりも十分に小さければ、画素領域からの反射光は各回折構造体からの反射光が混合したものとして受光部で観察されることになる。この時、構造周期の変化に対する反射ピーク波長のシフト量が、各構造周期単独の反射ピークのＦＷＨＭの２倍よりも小さければ、受光部で観察される反射スペクトルは、ピークが分離することなく２つのピークが重ね合わされた状態となる。この反射ピークをガウス関数フィッティングして得られるＦＷＨＭは、Ｐ１およびＰ２単独の構造周期からなる回折構造体の反射ピークのＦＷＨＭより大きくなる。
　本発明では、複数の構造周期からなる回折構造体が形成された格子層３を形成することで、反射ピークのＦＷＨＭを広げることが可能となるため、人間の肉眼で認識できる色としては単一構造周期の回折構造体からなる格子層が形成された画素もしくは副画素と比較して明るい。よって、例えば色相や彩度を高めるため、ベース部の反射率が低くなるように格子構造を設計した際も、構造周期が異なる回折構造体を複数配置することにより、ＦＷＨＭを広げることが可能であるため、明度に加え、色相や彩度も良好な表示体を作製することが可能となる。
　構造周期をｉ種類並べた図１の画素または副画素の模式図において、ＲＣＷＡ法による計算を利用して、得たいＦＷＨＭに応じた構造周期とｉの数値とを決定し、格子層３とすれば良い。
　図１に示した画素または副画素の領域については、受光側の空間分解能により決定すれば良い。例えば、人間の肉眼の空間分解能は、通常３０ｃｍ離れたところから見て、１００μｍである。よって、この一辺１００μｍの正方形領域を１画素とし、この中に構造周期の異なる回折構造体を順次形成すれば、導波モード共鳴格子による構造色を利用した表示体が作製できる。格子層３はサブ波長構造体であるため、より高解像の表示体を作製するために、画素領域の大きさを例えば５μｍや１０μｍとしても良い。
　図１のように、画素もしくは副画素の領域をＸ方向に分割し、分割した各領域に異なる構造周期の回折構造体を形成する場合、Ｘ方向の分割周期を一定にすると、構造周期が変化する境界において隣接する構造周期以外の周期構造が形成されることにより、構造周期が変化する境界で繋ぎ目が発生する可能性がある。その場合、例えば画素または副画素の領域を分割する一辺を各々の構造周期の倍数とすることにより繋ぎ目は発生しない。
　格子層３に形成される回折構造体が、線状周期凹凸構造からなる一次元回折構造体である場合、光の偏光によって得られるスペクトルに変化が生じる。光の偏光による影響を小さくするためには、画素もしくは副画素の領域をＸ方向だけではなくＹ方向にも分割し、Ｘ方向に配列した線状周期凹凸構造からなる一次元回折構造体と、Ｙ方向に配列した線状周期凹凸構造からなる一次元回折構造体とを適切に配列するか、もしくは格子状周期凹凸構造からなる二次元回折構造体とすれば良い。回折構造体の配列に関しては、秩序性を有しても良く、乱雑性を有していても良い。
　以下、本発明を用いて副画素を作製した実施例について図面を用いて説明する。
　図２は、本発明の実施例にて作製した表示体の副画素の模式図である。図２の（ａ）は副画素の領域を真上から見た平面図であり、図２の（ｂ）は単一構造周期領域の断面図である。本実施例では紫外線を光源とした光ナノインプリント法を採用したが、材料の屈折率が条件を満たせば、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を用いた熱ナノインプリントを適用しても良い。
　まず、線状周期凹凸構造の構造周期Ｐ、フィルファクタＦ＝ｗ／Ｐ、構造高さｄ１、導波層厚さｄ２を決定するため、ＲＣＷＡ法による計算を行った。計算に用いた材料の屈折率として、基材１には合成石英ガラスの屈折率を、導波層２および格子層３には光硬化性樹脂ＭＵＲ－６（丸善石油化学製）の屈折率を、それぞれ適用した。本実施例におけるＲＣＷＡ法による計算は、ＲＧＢ３色フィルタを想定して行った。
　まず、副画素に形成する線状周期凹凸構造の構造周期が単一である場合を想定して計算を行った。図３に、ＲＣＷＡ法による計算によって得られた反射スペクトルを示す。図３の（ａ）は青（Ｂ）の副画素、図３の（ｂ）は緑（Ｇ）の副画素、図３の（ｃ）は赤（Ｒ）の副画素の反射スペクトルを示している。本計算では、ベース部の反射強度を極力低くするように構造設計を行った。図３に示した反射スペクトルでは、構造高さｄ１および導波層厚さｄ２の値は固定しており、それぞれｄ１＝２５０ｎｍおよびｄ２＝１５０ｎｍである。図３の（ａ）の青（Ｂ）の副画素では、Ｐ＝２９２ｎｍ、Ｆ＝０．４５である。図３の（ｂ）の緑（Ｇ）の副画素では、Ｐ＝３６０ｎｍ、Ｆ＝０．４０である。図３の（ｃ）の赤（Ｒ）の副画素では、Ｐ＝４１８ｎｍ、Ｆ＝０．３５である。
　続いて、図２の（ａ）に示すように、副画素の領域をＸ方向に７つの領域５１～５７に分割し、この領域５１～５７に７つの異なる構造周期の線状周期凹凸構造を順次形成した場合について計算した。図４に、ＲＣＷＡ法による計算によって得られた反射スペクトルを示す。図４の（ａ）は青（Ｂ）の副画素、図４の（ｂ）は緑（Ｇ）の副画素、図４の（ｃ）は赤（Ｒ）の副画素の反射スペクトルを示している。構造高さｄ１と導波層厚さｄ２との値は図３と同じ値を用いた。図４の（ａ）の青（Ｂ）の副画素では、構造周期２９２ｎｍを中心に±４ｎｍずつ構造周期を変え、Ｐａ＝２８０ｎｍ、Ｐｂ＝２８４ｎｍ、Ｐｃ＝２８８ｎｍ、Ｐｄ＝２９２ｎｍ、Ｐｅ＝２９６ｎｍ、Ｐｆ＝３００ｎｍ、Ｐｇ＝３０４ｎｍとし、全ての構造周期でＦ＝０．４５とした。図４の（ｂ）の緑（Ｇ）の副画素では、構造周期３６０ｎｍを中心に±４ｎｍずつ構造周期を変え、Ｐａ＝３４８ｎｍ、Ｐｂ＝３５２ｎｍ、Ｐｃ＝３５６ｎｍ、Ｐｄ＝３６０ｎｍ、Ｐｅ＝３６４ｎｍ、Ｐｆ＝３６８ｎｍ、Ｐｇ＝３７２ｎｍとし、全ての構造周期でＦ＝０．４０とした。図４の（ｃ）の赤（Ｒ）の副画素では、構造周期４１８ｎｍを中心に±４ｎｍずつ構造周期を変え、Ｐａ＝４０６ｎｍ、Ｐｂ＝４１０ｎｍ、Ｐｃ＝４１４ｎｍ、Ｐｄ＝４１８ｎｍ、Ｐｅ＝４２２ｎｍ、Ｐｆ＝４２６ｎｍ、Ｐｇ＝４３０ｎｍとし、全ての構造周期でＦ＝０．３５とした。
　図３および図４の各反射スペクトルから、ｘｙ色度図のｘｙ座標をそれぞれ計算すると、図３の（ａ）ではｘ＝０．２３０８、ｙ＝０．１３０４、図３の（ｂ）ではｘ＝０．２９０６、ｙ＝０．５４８７、図３の（ｃ）ではｘ＝０．５８０８、ｙ＝０．３６７８であるのに対し、図４の（ａ）ではｘ＝０．１７７１、ｙ＝０．０６３９、図４の（ｂ）ではｘ＝０．２６８９、ｙ＝０．６６２１、図４の（ｃ）ではｘ＝０．６１９８、ｙ＝０．３４０９となった。このように、線状周期凹凸構造の構造周期が単一である場合よりも、図２の（ａ）に示したように７つの異なる構造周期の線状周期凹凸構造を順次形成した場合の方が、色再現範囲が広くなることが確認された。
　上記ＲＣＷＡ法により計算した副画素のうち、図４の（ｂ）に示した緑（Ｇ）の副画素について、光ナノインプリント法を用いて図２に示す副画素を作製した。
　モールドとなる合成石英ガラス基板４上に、図２の（ａ）に示すように７つの異なる構造周期の線状周期凹凸構造からなる一次元回折構造体が順次形成された領域を形成した。該モールドを転写して図４の（ｂ）に示す反射スペクトルを示す構造設計の副画素を形成するため、モールド表面に形成した７つの異なる構造周期の線状周期凹凸構造の領域配列は鏡面反転させ、フィルファクタＦ＝０．６０の線状周期凹凸構造とした。凹凸構造高さはｄ１と同じ２５０ｎｍとした。副画素の領域は一辺７０μｍの正方形とし、これを一辺７ｃｍの正方形領域内に重なることなく１００００個配列させた。該モールドの作製方法は既存技術の荷電粒子線露光法とドライエッチングとの組み合わせによるものである。構造周期やフィルファクタは荷電粒子線リソグラフィ工程により制御し、構造高さはドライエッチングにより制御した。以上により、紫外線ナノインプリント用モールドを用意した。
　上記紫外線ナノインプリント用モールド表面に、離型剤としてオプツールＨＤ－１１００Ｚ（ダイキン工業製）を塗布した。
　続いて、石英ガラス基板４上に、膜厚２５０ｎｍの光硬化性樹脂ＭＵＲ－６（丸善石油化学製）を塗布し、離型剤が塗布された紫外線ナノインプリント用モールド表面を接触させ、２ＭＰａの圧力をかけ、紫外線ナノインプリント用モールドの裏面より波長３６５ｎｍの紫外光を照射し、光硬化性樹脂を硬化させた。この処理は室温で行い、紫外光の露光量は１００ｍＪ／ｃｍ２とした。
　次に、石英ガラス基板４を紫外線ナノインプリント用モールドから剥離し、構造周期Ｐａの格子層形成領域５１、構造周期Ｐｂの格子層形成領域５２、構造周期Ｐｃの格子層形成領域５３、構造周期Ｐｄの格子層形成領域５４、構造周期Ｐｅの格子層形成領域５５、構造周期Ｐｆの格子層形成領域５６、および構造周期Ｐｇの格子層形成領域５７が順次形成された、光硬化性樹脂からなる導波層および格子層５が形成された副画素からなる表示体を得た。
　図２の（ａ）に示した７つの異なる構造周期の線状周期凹凸構造を順次形成した副画素の領域において、図４の（ｂ）に示した反射スペクトルと相違無い、広いＦＷＨＭを有する緑の波長帯域の反射を確認した。以上により、副画素を形成した領域において、導波モード共鳴格子による構造発色を利用した、色相、彩度、明度に優れた表示体を得た。
　本発明の表示体は、意匠性の高い表示物に利用できる。また、高精度に形成された微細パターンを有する表示体であるため、偽造防止技術などへの利用も期待される。
　１　　基材
　２　　導波層
　３　　格子層
　４　　石英ガラス基板
　５　　光硬化性樹脂からなる導波層および格子層
　３１　　構造周期Ｐ１の格子層形成領域
　３２　　構造周期Ｐｉの格子層形成領域
　５１　　構造周期Ｐａの格子層形成領域
　５２　　構造周期Ｐｂの格子層形成領域
　５３　　構造周期Ｐｃの格子層形成領域
　５４　　構造周期Ｐｄの格子層形成領域
　５５　　構造周期Ｐｅの格子層形成領域
　５６　　構造周期Ｐｆの格子層形成領域
　５７　　構造周期Ｐｇの格子層形成領域

Claims (8)

  1. 基材と、基材上に形成された導波層と、導波層上に形成された格子層とを有し、特定の波長領域の光を反射する素子が形成された画素もしくは副画素の領域を有する表示体であって、
    　前記画素もしくは副画素の領域に形成された格子層は、線状周期凹凸構造からなる一次元回折構造体もしくは格子状周期凹凸構造からなる二次元回折構造体で構成され、
    　前記格子層を構成する前記一次元回折構造体もしくは前記二次元回折構造体の構造周期は、２種類以上である、表示体。
  2. 　前記２種類以上の構造周期を持つ前記一次元回折構造体もしくは前記二次元回折構造体において、任意の構造周期における反射ピークとこれと隣接する他の構造周期における反射ピークとのピーク波長位置の差が、前記任意の構造周期における単独の反射ピークのＦＷＨＭ値の２倍未満であるように構造周期が決定されている、請求項１に記載の表示体。
  3. 　前記一次元回折構造体もしくは前記二次元回折構造体の構造周期に対する凸部寸法の割合が、構造周期に依らず一定である、請求項１または請求項２に記載の表示体。
  4. 　前記導波層を構成する材料の可視光波長領域内における屈折率が、基材を構成する材料の可視光波長領域内における屈折率よりも大きい、請求項１から請求項３のいずれかに記載の表示体。
  5. 　少なくとも前記格子層は、樹脂材料で構成されている、請求項１から請求項４のいずれかに記載の表示体。
  6. 　前記導波層と前記格子層とが、同一の材料で構成されている、請求項１から請求項５のいずれかに記載の表示体。
  7. 　表示体を製造する方法であって、
    　モールドを用意する工程と、
    　　前記モールドは、（ｉ）表面に、２種類以上の構造周期を持つ線状周期凹凸構造からなる一次元回折構造体もしくは格子状周期凹凸構造からなる二次元回折構造体で構成された画素もしくは副画素の領域を有し、（ｉｉ）任意の画素もしくは副画素の領域に形成された回折構造体の構造周期の差が、当該モールドから転写して複製される表示体の対応する画素もしくは副画素における反射ピークのＦＷＨＭの最小値の２倍未満であり、（ｉｉｉ）前記画素もしくは副画素の領域に形成された回折構造体において、構造周期に対する凸部寸法の割合が、構造周期に依らず一定である、
    　基材上に、当該基材よりも可視光波長領域に対して高い屈折率の材料で構成された光硬化性樹脂を塗布する工程と、
    　光ナノインプリント法により、前記モールドから前記基材上に塗布した前記光硬化性樹脂に、前記画素もしくは副画素の領域に形成された回折構造体を転写する工程とを具備する、表示体の製造方法。
  8. 　表示体を製造する方法であって、
    　モールドを用意する工程と、
    　　前記モールドは、（ｉ）表面に、２種類以上の構造周期を持つ線状周期凹凸構造からなる一次元回折構造体もしくは格子状周期凹凸構造からなる二次元回折構造体で構成された画素もしくは副画素の領域を有し、（ｉｉ）任意の画素もしくは副画素の領域に形成された回折構造体の構造周期の差が、当該モールドから転写して複製される表示体の対応する画素もしくは副画素における反射ピークのＦＷＨＭの最小値の２倍未満であり、（ｉｉｉ）前記画素もしくは副画素の領域に形成された回折構造体において、構造周期に対する凸部寸法の割合が、構造周期に依らず一定である、
    　基材上に、当該基材よりも可視光波長領域に対して高い屈折率の材料で構成された熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂を塗布する工程と、
    　熱ナノインプリント法により、前記モールドから前記基材上に塗布した前記熱可塑性樹脂もしくは前記熱硬化性樹脂に、前記画素もしくは副画素の領域に形成された回折構造体を転写する工程とを具備する、表示体の製造方法。
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