WO2020196620A1

WO2020196620A1 - 微細凹凸パターンフィルムおよびヘッドアップディスプレイ装置

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Publication number: WO2020196620A1
Application number: PCT/JP2020/013330
Authority: WO
Inventors: 朋宏高橋; 崇夏目; 賢唐井
Original assignee: 株式会社クラレ
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2020-10-01
Also published as: EP3951445A4; US20220179129A1; CN113678028A; EP3951445A1; JPWO2020196620A1

Abstract

本発明は、車載用途等で想定される高温使用環境においても、反射防止膜のクラック発生が抑制される微細凹凸パターンフィルムを提供する。本発明の微細凹凸パターンフィルムは、少なくとも一部の表面に微細凹凸パターン（Ｐ）を有する基材フィルム（１０）と、微細凹凸パターン（Ｐ）の少なくとも一部の表面上に形成された、無機膜よりなる反射防止膜（３）とを備える。

Description

微細凹凸パターンフィルムおよびヘッドアップディスプレイ装置

　本発明は、表面に反射防止膜を有する微細凹凸パターンフィルム、およびこれを用いたヘッドアップディスプレイ装置に関する。

　近年、様々な分野で使用される光学機器において、コストダウン、軽量化、および小型化のニーズから、レンズ等の光学部品の材料として、プラスチックが使用されるようになってきている。それに伴い、プラスチック製光学部品に設けられる反射防止膜への要求特性も次第に厳しくなっている。
　一般的に、光学部材の表面に設けられる反射防止膜としては、単層構造または積層構造の無機酸化膜が用いられ、その成膜には真空蒸着技術またはスパッタ技術が利用される。反射防止膜の最も一般的な構成は、高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積み重ねた構成である。積層数を低減するために中屈折率材料を用いる場合もある。高屈折率材料にはＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、およびＮｂ₂Ｏ₅等が用いられ、低屈折率材料にはＳｉＯ₂、およびＭｇＦ₂等が用いられる。中屈折率材料にはＡｌ₂Ｏ₃、およびＹ₂Ｏ₃等が用いられる。

　プラスチック製光学部品の表面に形成される反射防止膜においては、反射防止特性が優れることに加えて、強度、密着性、および耐熱性等に関する信頼性も重要である。特にプラスチックは熱に弱く熱膨張または熱変形を起こしやすいため、これらの性質に起因した品質の劣化が問題になる場合がある。真空成膜技術等で形成される無機酸化膜を用いた反射防止膜は、熱膨張率がプラスチックに比べ極めて小さいことから、基材プラスチックの熱膨張変形に起因して反射防止膜のクラックが発生しやすい傾向がある。特に、自動車等の用途では、高温環境での使用が想定され、反射防止膜にはより高い耐熱性が要求される。

　上記問題の解決を目的とする従来技術として、特許文献１、２が挙げられる。
　特許文献１には、レンズ表面に光学性能に悪影響を与えない高さまたは深さの微細な凸部または凹部からなるクラック誘発線を形成し、このクラック誘発線を含むレンズ表面に反射防止膜を形成した、反射防止膜を有するレンズが開示されている（請求項１）。
　特許文献２には、マイクロレンズ上に蒸着により反射防止膜を形成する工程において、反射防止膜を形成する蒸気化した材料に電子ビームを照射する方法が開示されている（請求項１）。

特開２０１１－００２６２７号公報特開２０００－１５６４８６号公報

　特許文献１に記載の技術では、クラック誘発線の寸法は、周期２００ｎｍ、高さ１００ｎｍ程度であるため、光学部品が大面積になるとクラック誘発線の作製に時間がかかる。
　特許文献２に記載の技術では、蒸着材料が活性化されるため反射防止膜の付着力が向上し、反射防止膜の内部に残留する応力が緩和することで、クラックの発生が抑制される。しかし、専用設備を用意する必要があるため、コスト増となる。

　本発明の目的は、車載用途等で想定される高温使用環境においても、反射防止膜のクラック発生が抑制される微細凹凸パターンフィルムを提供することである。

　本発明の微細凹凸パターンフィルムは、
　少なくとも一部の表面に微細凹凸パターンを有する基材フィルムと、前記微細凹凸パターンの少なくとも一部の表面上に形成された、無機膜よりなる反射防止膜とを備える。

　前記基材フィルムの一部の表面に前記微細凹凸パターンが形成され、前記基材フィルムの表面において、前記微細凹凸パターンの形成領域の周囲は前記微細凹凸パターンが形成されていない平坦部であってもよい。この場合、前記反射防止膜は、前記微細凹凸パターンの少なくとも一部の表面上に形成され、前記平坦部上には形成されていないことが好ましい。

　前記微細凹凸パターンは、複数の微細な凸部または凹部が配列したパターンであり、互いに隣接する前記凸部または前記凹部の中心間距離が５～５００μｍであり、前記凸部の高さまたは前記凹部の深さが１～１００μｍであることが好ましい。
　さらに、前記微細凹凸パターンは、互いに隣接する前記凸部の境界部分または互いに隣接する前記凹部の境界部分が非平坦なマイクロレンズアレイパターンであることが好ましい。
　前記反射防止膜は、金属酸化膜の単層構造または積層構造であることが好ましい。
　本発明の微細凹凸パターンフィルムは、画像表示装置のスクリーン用として好適である。
　本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、上記の微細凹凸パターンフィルムを中間スクリーンとして備える。

　本発明によれば、車載用途等で想定される高温使用環境においても、反射防止膜のクラック発生が抑制される微細凹凸パターンフィルムを提供することができる。

本発明に係る一実施形態の微細凹凸パターンフィルムの模式断面図である。実施例１で製造した微細凹凸パターンフィルムの模式平面図である。実施例２で製造した微細凹凸パターンフィルムの模式平面図である。実施例３で製造した微細凹凸パターンフィルムの模式平面図である。比較例１で製造した微細凹凸パターンフィルムの模式平面図である。比較例１で製造した微細凹凸パターンフィルムの耐熱試験後の光学顕微鏡写真である。

　以下、図面を参照し、本発明の実施形態を詳しく説明する。
　本発明の微細凹凸パターンフィルムは、表面に微細凹凸パターンを有する基材フィルムと、この基材フィルムの微細凹凸パターンの少なくとも一部の表面上に形成された無機膜よりなる反射防止膜とを有する積層フィルムである。図１に、本発明に係る一実施形態の微細凹凸パターンフィルムの模式断面図を示す。図中、符号１０は基材フィルム、符号３は反射防止膜である。

　基材フィルム１０としては、表面に微細凹凸パターンを有する透明なプラスチックフィルムであれば何でもよく、単層構造でも積層構造でもよい。
　図１に示す例では、基材フィルム１０は、平坦なフィルム本体１の上に、表面に微細凹凸パターンＰを有する樹脂層２が形成された積層フィルムである。
　基材フィルム１０は、表面に微細凹凸パターンＰを有する単層フィルムであってもよい。この場合の構成は、図１の符号１と符号２を一体化した構成となる。
　積層フィルムの平坦なフィルム本体１および表面に微細凹凸パターンＰを有する単層フィルムの材料としては、熱膨張率が１×１０^-5～２０×１０^-5／℃であるプラスチックが好ましく、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、およびポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）等が望ましい。
　積層フィルムの樹脂層２としては例えば、熱硬化性樹脂または紫外線硬化性樹脂を用いて形成された硬化樹脂層が挙げられる。

　微細凹凸パターンＰによって、マイクロレンズアレイ、回折素子、およびプリズムなどの光学素子を形成することができる。

　微細凹凸パターンＰは、複数の微細な凸部または凹部が配列したパターンである。互いに隣接する凸部または凹部の中心間距離は特に制限されず、例えば５～５００μｍであるのが好ましい。凸部の高さまたは凹部の深さは特に制限されず、例えば１～１００μｍであるのが好ましい。

　本発明の微細凹凸パターンフィルムが、ヘッドアップディスプレイなどの画像表示装置の中間スクリーン用である場合、微細凹凸パターンＰは、互いに隣接する凸部または凹部の中心間距離が１０～２００μｍ、凸部の高さまたは凹部の深さが５～５０μｍのマイクロレンズアレイパターンであるのが望ましい。
　微細凹凸パターンＰは、互いに隣接する凸部の境界部分または互いに隣接する凹部の境界部分が非平坦なマイクロレンズアレイパターンであることが好ましい。

　反射防止膜３は、金属酸化物からなる単層構造または積層構造の無機膜である。
　反射防止膜３は、微細凹凸パターンＰよりも低い屈折率からなる１種類の材料で構成されていてもよい。反射防止膜３を複数種の材料で構成する場合は、微細凹凸パターンＰよりも屈折率が高い材料（高屈折率材料）と微細凹凸パターンＰよりも低い材料（低屈折率材料）とを積層することが好ましく、高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積層することが好ましい。積層数を低減するために中屈折率材料を用いる場合もある。
　高屈折率材料にはＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、およびＮｂ₂Ｏ₅等が用いられ、低屈折率材料にはＳｉＯ₂、およびＭｇＦ₂等が用いられる。中屈折率材料にはＡｌ₂Ｏ₃、およびＹ₂Ｏ₃等が用いられる。
　単層構造または積層構造の無機膜は、真空蒸着技術およびスパッタリング技術などの公知技術によって製造することができる。

　微細凹凸パターンＰの設けられた領域（「微細凹凸パターンの形成領域」とも言う。）は、基材フィルム１０の表面全部であってもよいし、基材フィルム１０の表面の一部であってもよい。反射防止膜３は微細凹凸パターンＰの表面の全部または一部の上に形成することができる。
　基材フィルム１０の一部の表面に微細凹凸パターンＰが形成され、基材フィルム１０の表面において微細凹凸パターンの形成領域の周囲に微細凹凸パターンが形成されていない平坦部がある場合、反射防止膜３は平坦部上に形成してはならない。例えば、後記実施例３（図２Ｃ）のように、平坦部上に反射防止膜を形成しないのはよいが、後記比較例１（図３）のように、平坦部上に反射防止膜を形成するのはよくない。図２Ｃ、図３中、符号４は、微細凹凸パターンの形成領域であり、符号５は反射防止膜の形成領域であり、符号６は平坦部である。

　基材フィルム１０の平坦部上に反射防止膜３が設けられた場合、以下のような不都合が生じる。微細凹凸パターンフィルムが高温環境に曝されると、基材フィルム１０が面内方向で熱膨張する。このとき、基材フィルム１０の平坦部上に形成された反射防止膜３も同様に熱膨張するが、無機膜よりなる反射防止膜３は、通常基材フィルム１０と比べて線膨張係数が小さいため、基材フィルム１０の熱膨張に追従できず、基材フィルム１０の平坦部上に形成された反射防止膜３にクラックが発生する恐れがある。さらに、そのクラックを起点にして、微細凹凸パターンＰの上に形成された反射防止膜３にまでクラックが拡がる恐れがある。このような理由により、基材フィルム１０の平坦部上には反射防止膜３を形成してはならない。

　反射防止膜３を微細凹凸パターンＰ上にのみ形成する場合、車載用途等で想定される高温使用環境においても、反射防止膜３のクラックが効果的に抑制される。
　微細凹凸パターンＰ上に形成された反射防止膜３にはクラックの起点が形成されない理由は、現時点では必ずしも明確ではないが下記のように考えられる。
・微細凹凸表面上の変形は、面内方向だけの２次元的な変形ではなく厚さ方向を加えた３次元的な変形となるため、結果として変形量が少なくなる。
・微細凹凸表面が３次元的な複雑な形状であるため、微細凹凸パターンフィルムが高温環境に曝されたときに、引張応力だけでなく曲げ応力または圧縮応力も発生して、クラックが発生するような大きな応力が発生しにくい。

　反射防止膜３の成膜の都合上、基材フィルム１０の平坦部上に反射防止膜３を形成する必要がある場合は、反射防止膜３を形成した後に外形加工などの追加工をして、基材フィルム１０の平坦部を除去してもよい。
　平坦部を除去できない場合は、平坦部上にダミーの微細凹凸パターン（例えば、製品の要求特性とは異なる光学特性を持つ微細凹凸パターン）を形成し、その上に反射防止膜３を形成してもよい。

　以上説明したように、本発明によれば、車載用途等で想定される高温使用環境においても、反射防止膜のクラック発生が抑制される微細凹凸パターンフィルムを提供することができる。
　本発明の微細凹凸パターンフィルムの用途は特に制限されない。本発明の微細凹凸パターンフィルムは例えば、ヘッドアップディスプレイ装置等の画像表示装置のスクリーン用として好適である。本発明によれば、画像表示装置のスクリーン用として必要な性能を有し、車載用途等で想定される高温使用環境においても、反射防止膜のクラック発生が抑制される微細凹凸パターンフィルムを提供することができる。
　本発明によれば、本発明の微細凹凸パターンフィルムを中間スクリーンとして備え、車載用途等で想定される高温使用環境においても、中間スクリーンのクラック発生が抑制されるヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。
　本発明は上記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限りにおいて、適宜設計変更が可能である。

　以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例により限定されるものではない。

［実施例１～３、比較例１］
　実施例１～３、比較例１の各例において、以下のようにして、微細凹凸パターンフィルムを製造した。これらの例においては、微細凹凸パターンの形成領域の範囲および反射防止膜の形成領域の範囲の条件を変更し、その他の条件は共通条件とした。

（基材フィルムの製造）
　市販の３００μｍ厚のポリカーボネート（ＰＣ）フィルムを用意し、このフィルムを切断して、長さ１１０ｍｍ×幅４７ｍｍのサイズのフィルム本体を得た。このフィルム本体上に、市販のアクリル系の紫外線硬化性樹脂を使用して、表面に微細凹凸パターンとして周期３０μｍで正方格子配列をしたマイクロレンズアレイパターンを有する樹脂層を形成して、基材フィルムを得た。フィルム本体の長さ方向（１１０ｍｍ方向）をＸ方向、幅方向（４７ｍｍ方向）をＹ方向としたとき、個々のマイクロレンズは、Ｘ方向が曲率半径７３μｍの球面形状、Ｙ方向が曲率半径４７μｍの球面形状であるアナモルフィックレンズとした。

（反射防止膜の形成）
　マイクロレンズアレイパターンの表面上に、蒸着法により、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂とを交互に成膜し、５層構造の反射防止膜を形成した。各層の材料と膜厚は、以下の通りとした。なお、マイクロレンズアレイパターンに最も近い層を１層目とした。
１層目：ＳｉＯ₂、１０．９ｎｍ厚、
２層目：ＴｉＯ₂、１３．６ｎｍ厚、
３層目：ＳｉＯ₂、３４．３ｎｍ厚、
４層目：ＴｉＯ₂、１１３．８ｎｍ厚、
５層目：ＳｉＯ₂、８７．０ｎｍ厚。

（耐熱試験）
　反射防止膜を形成した後に得られた微細凹凸パターンフィルムを、１２５℃のオーブンに投入し、２００時間経過後に取り出し、光学顕微鏡としてキーエンス製マイクロスコープを用いて外観観察をした。比較例１では、この外観観察後に再度、微細凹凸パターンフィルムを１２５℃のオーブンに投入し、２００時間経過後に取り出し、再度キーエンス製マイクロスコープを用いて外観観察をした。
　なお、１２５℃は、車載用途等で想定される高温使用環境の温度よりも過酷な温度条件である。

＜実施例１＞
　実施例１では、基材フィルムの表面全部に微細凹凸パターンとしてマイクロレンズアレイパターンを形成し、その表面上の全部に反射防止膜を形成した。この例で製造した微細凹凸パターンフィルムの模式平面図を図２Ａに示す。図中、符号４は微細凹凸パターンの形成領域であり、符号５は反射防止膜の形成領域である。この例では、基材フィルムの周縁部には平坦部がなく、基材フィルムのフィルム全面と、微細凹凸パターンの形成領域と、反射防止膜の形成領域とを完全一致させた。
　この例では、微細凹凸パターンフィルムを１２５℃の温度で２００時間放置した後にも、反射防止膜にクラックが発生しなかった。

＜実施例２＞
　実施例２では、基材フィルムの表面全部に微細凹凸パターンとしてマイクロレンズアレイパターンを形成し、この基材フィルムの外周端から３ｍｍ内側の領域に反射防止膜を形成した。この例では、基材フィルムの周縁部には平坦部がなく、基材フィルムのフィルム全面と微細凹凸パターンの形成領域とを完全一致させたが、反射防止膜はこれらより小さいサイズで形成し、微細凹凸パターンの周縁部上には反射防止膜を形成しなかった。この例で製造した微細凹凸パターンフィルムの模式平面図を図２Ｂに示す。図中、符号４は微細凹凸パターンの形成領域であり、符号５は反射防止膜の形成領域である。
　この例では、微細凹凸パターンフィルムを１２５℃の温度で２００時間放置した後にも、反射防止膜にクラックが発生しなかった。

＜実施例３＞
　実施例３では、基材フィルムの表面の周縁部に６ｍｍ幅の平坦部を残し、それより内側の領域にマイクロレンズアレイパターンを形成した。この基材フィルムの外周端から１０ｍｍ内側の領域に反射防止膜を形成した。この例では、基材フィルムの周縁部に平坦部を残し、微細凹凸パターンを基材フィルムより小さいサイズで形成し、反射防止膜を微細凹凸パターンより小さいサイズで形成し、微細凹凸パターンの周縁部上には反射防止膜を形成しなかった。この例で製造した微細凹凸パターンフィルムの模式平面図を図２Ｃに示す。図中、符号４は微細凹凸パターンの形成領域であり、符号５は反射防止膜の形成領域であり、符号６は平坦部である。
　この例では、微細凹凸パターンフィルムを１２５℃の温度で２００時間放置した後にも、反射防止膜にクラックが発生しなかった。

＜比較例１＞
　比較例１では、基材フィルムの外周端から３ｍｍ内側の領域に反射防止膜を形成した以外は実施例３と同様にして、微細凹凸パターンフィルムを製造した。この例では、基材フィルムの周縁部に平坦部を残し、微細凹凸パターンを基材フィルムより小さいサイズで形成し、反射防止膜を基材フィルムより小さく微細凹凸パターンより大きいサイズで形成し、微細凹凸パターン上と平坦部上に反射防止膜を形成した。この例で製造した微細凹凸パターンフィルムの模式平面図を図３に示す。図中、符号４は微細凹凸パターンの形成領域であり、符号５は反射防止膜の形成領域であり、符号６は平坦部である。
　この例では、微細凹凸パターンフィルムを１２５℃の温度で２００時間経過した後、基材フィルムの平坦部上に形成された反射防止膜にクラックが発生した。さらに微細凹凸パターンフィルムを１２５℃の温度で２００時間放置すると、平坦部上の反射防止膜に発生したクラックが拡がり、マイクロレンズアレイ上の反射防止膜にまでクラックが拡がった。

　計４００時間の耐熱試験後のサンプルの光学顕微鏡写真を図４に示す。図中、符号７は紫外線硬化性樹脂を用いて作製した樹脂層の平坦部、符号８はマイクロレンズアレイパターン、符号９は平坦部に発生したクラック、符号１０はマイクロレンズの形成領域に発生したクラックである。図４に示す写真には、平坦部上の反射防止膜からマイクロレンズアレイパターン上の反射防止膜にまでクラックが拡がっている様子が示されている。

　この出願は、２０１９年３月２７日に出願された日本出願特願特願２０１９－０６０２０７号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１　フィルム本体、２　樹脂層、３　反射防止膜、４　微細凹凸パターンの形成領域、５　反射防止膜の形成領域、６　平坦部、１０　基材フィルム、Ｐ　微細凹凸パターン

Claims

　少なくとも一部の表面に微細凹凸パターンを有する基材フィルムと、
　前記微細凹凸パターンの少なくとも一部の表面上に形成された、無機膜よりなる反射防止膜とを備えた、微細凹凸パターンフィルム。
　前記基材フィルムの一部の表面に前記微細凹凸パターンが形成され、
　前記基材フィルムの表面において、前記微細凹凸パターンの形成領域の周囲は前記微細凹凸パターンが形成されていない平坦部であり、
　前記反射防止膜は、前記微細凹凸パターンの少なくとも一部の表面上に形成され、前記平坦部上には形成されていない、請求項１に記載の微細凹凸パターンフィルム。
　前記微細凹凸パターンは、複数の微細な凸部または凹部が配列したパターンであり、互いに隣接する前記凸部または前記凹部の中心間距離が５～５００μｍであり、前記凸部の高さまたは前記凹部の深さが１～１００μｍである、請求項１または２に記載の微細凹凸パターンフィルム。
　前記微細凹凸パターンは、互いに隣接する前記凸部の境界部分または互いに隣接する前記凹部の境界部分が非平坦なマイクロレンズアレイパターンである、請求項３に記載の微細凹凸パターンフィルム。
　前記反射防止膜は、金属酸化膜の単層構造または積層構造である、請求項１～４のいずれか一項に記載の微細凹凸パターンフィルム。
　画像表示装置のスクリーン用である、請求項１～５のいずれか一項に記載の微細凹凸パターンフィルム。
　請求項６に記載の微細凹凸パターンフィルムを中間スクリーンとして備える、ヘッドアップディスプレイ装置。