JP2010204297A - ワイヤーグリッド偏光子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】新規なワイヤーグリッド偏光子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】透光性基材１及びこの透光性基材１に周期的に並置されている複数の金属細線２を有するワイヤーグリッド偏光子１０を製造する本発明の方法は、細線状凹部と細線状凸部の繰返し交互構造を有する透光性基材１を提供するステップ、この基材１に、金属粒子分散液をコーティングして、この基材１の凹部に分散液を導入するステップ、及び分散液を乾燥し、そしてこの基材１の凹部において金属粒子を凝集させることによって、金属粒子の凝集体で作られている金属細線２を、基材１の凹部内に形成するステップを含む。また、本発明のワイヤーグリッド偏光子１０は、この本発明の方法によって得られるようなものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、新規なワイヤーグリッド偏光子及びその製造方法に関する。

液晶表示装置、液晶プロジェクタ等の光学機器のための偏光は一般に、一方の偏光を吸収又は反射し、且つ他方の偏光を透過させる偏光子を使用して得られている。これらの偏光子のうちの、一方の偏光を反射させる反射型偏光子としては、透光性基材上に多数の金属細線を互いに平行に配列させてなるワイヤーグリッド偏光子が知られている。

従来、ワイヤーグリッド偏光子は、透光性基材上に金属膜を形成し、この金属膜をエッチングして、金属細線を透光性基材状に残すことによって得られていた（特許文献１）。また、近年では、ワイヤーグリッド偏光子を得るために、透光性基材上に凹部を形成し、この凹部内にメッキ、真空蒸着、スパッタリング等によって金属膜を形成することも提案されている（特許文献２及び３）。

特開２００６−８４７７６号公報 特開２００５−７０４５６号公報 特開２００９−３１３９２号公報

本発明では、新規なワイヤーグリッド偏光子及びその製造方法を提供する。

本発明のワイヤーグリッド偏光子及びその製造方法は下記のようなものである：

（１）透光性基材及び上記透光性基材に周期的に並置されている複数の金属細線を有するワイヤーグリッド偏光子であって、
上記基材が、細線状凹部と細線状凸部の繰返し交互構造を有し、且つ
上記金属細線が、上記凹部内に形成されており、且つ金属粒子の凝集体で作られている、
ワイヤーグリッド偏光子。
（２）透光性基材及び上記透光性基材に周期的に並置されている複数の金属細線を有するワイヤーグリッド偏光子の製造方法であって、
細線状凹部と細線状凸部の繰返し交互構造を有する透光性基材を提供するステップ、
上記基材に、金属粒子分散液をコーティングして、上記基材の凹部に上記分散液を導入するステップ、及び
上記分散液を乾燥し、そして上記基材の凹部内において上記金属粒子を凝集させて、上記金属粒子の凝集体で作られている金属細線を、上記基材の凹部内に形成するステップ、
を含む、ワイヤーグリッド偏光子の製造方法。
（３）上記分散液の分散媒に対する親和性が、上記凹部の底面及び／又は側面と、上記凸部の上面とで異なっており、それによって上記分散液が、上記凸部の上面よりも、上記凹部の底面及び／又は側面に対して親和性を有するようにする、上記（２）項に記載の方法。
（４）上記基材を傾斜させて配置し、そして傾斜させて配置した上記基材に上記分散液を流下させることによって、上記分散液をコーティングする、上記（２）又は（３）項に記載の方法。
（５）上記金属粒子の最大径が、上記金属細線の線幅以下である、上記（２）〜（４）項のいずれかに記載の方法。
（６）上記凹部及び凸部の周期構造の幅が、１μｍ以下である、上記（２）〜（５）項のいずれかに記載の方法。

本発明によれば、新規なワイヤーグリッド偏光子が提供される。また、ワイヤーグリッド偏光子を製造する本発明の方法によれば、ワイヤーグリッド偏光子、特に本発明のワイヤーグリッド偏光子を効率的に製造することができる。

図１は、本発明のワイヤーグリッド偏光子の断面概略図（Ａ）及び上面概略図（Ｂ）である。 図２は、実施例１の透光性基材の表面ＳＥＭ像である。 図３は、実施例１の透光性基材の断面ＳＥＭ像である。 図４は、実施例１のワイヤーグリッド偏光子の表面ＳＥＭ像である。 図５は、実施例１のワイヤーグリッド偏光子の断面ＳＥＭ像である。 図６は、実施例１のワイヤーグリッド偏光子の偏光度を示すグラフである。

《ワイヤーグリッド偏光子》
本発明のワイヤーグリッド偏光子は、例えば図１で示されているように、透光性基材１及び透光性基材１に周期的に並置されている複数の金属細線２を有する。ここで、この基材１は、細線状凹部と細線状凸部の繰返し交互構造を有する。また、金属細線２は、凹部内に形成されており、且つ金属粒子の凝集体で作られている。

この本発明のワイヤーグリッド偏光子によれば、一方の偏光を反射し、且つ他方の偏光を透過させることができる。なお、本発明のワイヤーグリッド偏光子によって偏光することができる光の波長は、主として金属細線の周期構造の幅に依存しており、例えば金属細線の周期構造の幅は、偏光することを意図する光の波長の１／２〜１／５程度にすることができる。

本発明のワイヤーグリッド偏光子で使用される透光性基材及び金属細線の詳細については、ワイヤーグリッド偏光子を製造する本発明の方法に関する下記の説明を参照できる。

《ワイヤーグリッド偏光子の製造方法》
本発明の方法は、透光性基材及び透光性基材に周期的に並置されている複数の金属細線を有するワイヤーグリッド偏光子を製造する方法に関する。ここで、この方法は、細線状凹部と細線状凸部の繰返し交互構造を有する透光性基材を提供するステップ、この基材に、金属粒子分散液をコーティングして、基材の凹部に分散液を導入するステップ、分散液を乾燥し、そして基材の凹部内において金属粒子を凝集させて、金属粒子の凝集体で作られている金属細線を、基材の凹部内に形成するステップを含む。

〈透光性基材の提供〉
本発明の方法は、細線状凹部と細線状凸部の繰返し交互構造を有する透光性基材を提供するステップを含む。

ここで提供される透光性基材の凹部及び凸部からなる周期構造の幅は、１μｍ以下、５００ｎｍ以下、３００ｎｍ以下、２５０ｎｍ以下、２００ｎｍ以下、１５０ｎｍ以下、１００ｎｍ以下、又は５０ｎｍ以下にすることができる。

なお、この周期構造の幅は、得られるワイヤーグリッド偏光子によって偏光することを意図する光の波長に依存して決定することができ、例えば金属細線の周期構造の幅は、偏光することを意図する光の波長の約１／５以下〜１／２以下にすることができる。すなわち、波長４６０ｎｍ〜７８０ｎｍの可視光を本発明のワイヤーグリッド偏光子によって偏光する場合、この周期構造の幅は、９２ｎｍ以下〜２３０ｎｍ以下にすることができる。

透光性基材としては、偏光することを意図する光に対して透過性であれば任意の基材を用いることができ、したがって有機ポリマーのような有機基材であっても、ガラスのような無機基材であってもよい。透光性基材として使用できる有機ポリマーとしては、熱可塑性ポリマー、例えばシクロオレフィンポリマーを用いることができる。また、透光性基材は任意の形状であってよいが、シート状又はフィルム状であることが、一般に得られるワイヤーグリッド偏光子の使用に関して好ましい。

透光性基材の細線状凹部及び細線状凸部は、任意の方法で形成でき、例えば微細な型を未硬化状態のポリマーに押し当て、そしてポリマーを硬化させるマイクロ又はナノインプリントによって得ることができる。また、マイクロ又はナノインプリントに代えて又はこれに加えて、エッチングを用いて、透光性基材の細線状凹部及び細線状凸部を得ることもできる。なお、透光性基材の凹部及び凸部の形成については、特許文献１〜３を参照することもできる。

〈透光性基材の提供−分散媒に対する凹部及び凸部の親和性〉
１つの態様では、本発明の方法において使用する金属粒子分散液の分散媒に対する親和性が、基材の凹部の底面及び／又は側面と、基材の凸部の上面とで異なっており、それによって分散液が、凸部の上面よりも、凹部の底面及び／又は側面に対して親和性を有するようにできる。これによれば、基材に、分散液をコーティングしたときに、分散液が、主として基材の凹部に又は基材の凹部にのみ、溜まるようにすることができ、したがって基材の凸部に残った分散液及び／又は金属粒子を除去する必要を減らす又はなくすことができる。

分散媒に対する基材の凹部又は凸部の親和性を変化させる処理は、任意の方法で行うことができる。例えばポリマーのような有機基材の凹部又は凸部を、分散媒、特に極性分散媒に対して親和性にする処理としては、基材の紫外線（ＵＶ）オゾン処理を挙げることができる。また、例えば基材の凹部又は凸部を分散媒に対して非親和性にする処理としては、コンタクトプリント法を用いて、分散媒に対して親和性が小さい層を凸部の上面に転写形成する処理を挙げることができる。

なお、分散媒に対する基材の親和性の基準としては例えば、分散媒と基材との接触角を用いることができ、この接触角が小さいほど、分散媒に対する基材の親和性が大きいと考えることができる。したがって、分散液の分散媒に対する親和性が、凹部の底面及び／又は側面と凸部の上面とで異なるようにするためには、分散媒と凹部の底面及び／又は側面の接触角と、分散媒と凸部の上面との接触角との差を、３０度以上、４０度以上、５０度以上、６０度以上、又は７０度以上にできる。

分散媒と基材との接触角を用いた親和性の評価に関して、水と基材との接触角の評価を、代替的な指標として用いることができる場合がある。例えば、分散媒の揮発性が高いと、接触角が短い時間で逐次変化し、したがって分散媒と基材との接触角の評価が困難なことがある。このような場合に、水と基材との接触角を利用するこの代替的な指標が特に有益なことがある。この場合、分散液の分散媒に対する親和性が、凹部の底面及び／又は側面と凸部の上面とで異なるようにするためには、水と凹部の底面及び／又は側面の接触角と、水と凸部の上面との接触角との差を、３０度以上、４０度以上、５０度以上、６０度以上、又は７０度以上にできる。

具体的には、分散媒が、ケトン部分、アルコール部分、エステル部分、エーテル部分、グリコールエーテル部分等の親水基部位を有し、それによって分散媒の親水性が大きい場合、分散媒と基材との接触角の評価に代えて、水と基材との接触角の評価を、代替的な指標として用いることができる。すなわち、このような分散媒では、水と基材との接触角が大きい場合には、このような分散媒と基材との接触角も大きくなり、且つ水と基材との接触角が小さい場合には、このような分散媒と基材との接触角も小さくなる。

ここで、親水基部位を有し、それによって大きい親水性を有する分散媒としては、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン系分散媒；メタノール、エタノール、２−プロパノール、１−プロパノール、１−ブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール等のアルコール系分散媒；クロロホルム、塩化メチレン等の塩素系分散媒；酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソプロピル透のエステル系分散媒；ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル系分散媒；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル等のグリコールエーテル系分散媒を挙げることができる。

〈分散液のコーティング〉
本発明の方法は、透光性基材に、金属粒子分散液をコーティングして、基材の凹部に分散液を導入するステップを含む。

ここで用いられる分散液は、金属粒子を含有する任意の分散液であってよい。また、この分散液の分散媒は、金属粒子を分散させることができる任意の分散媒、例えば極性分散媒又は非極性分散媒であってよい。

この分散液に含有される金属粒子は、基材の凹部において凝集させたときにワイヤーグリッド偏光子のための金属細線を形成できる任意の金属であってよい。したがって、この金属粒子は、金、銀、銅、アルミニウム、白金、鉄、ケイ素等の金属（ケイ素等の半金属を含む）粒子であってよい。

また、分散液に含有される金属粒子は、基材の凹部において凝集させたときにワイヤーグリッド偏光子のための金属細線を形成できる限り、任意の形状及び寸法を有することができる。したがって例えば、この金属粒子は、球状であっても、ロッド状であってもよい。また例えば、この金属粒子の最大径は、金属細線の線幅以下、特に金属細線の線幅の１／２以下、１／３以下、１／５以下、又は１／１０以下にすることができる。

透光性基材への分散液のコーティングは、任意の様式で行うことができ、例えば基材を傾斜させて配置し、そして傾斜させて配置した基材に分散液を流下させることによって行うことができる。この場合例えば、基材の細線構造が斜面の上下方向に延在するようにして、基材を傾斜させて設置し、そして金属粒子分散液を、傾斜させた基材の上側に滴下して、分散液が細線構造に沿って流下するようにして、コーティングをすることができる。

また随意に、透光性基材への分散液のコーティングの後で、過剰な分散液を、拭き取り処理、吹き飛ばし処理、遠心処理等によって除去して、分散液が、基材の凸部に残らずに、基材の凹部にのみ溜まるようにすることもできる。

〈金属粒子の凝集〉
本発明の方法は、分散液を乾燥し、そして基材の凹部内において金属粒子を凝集させて、金属粒子の凝集体で作られている金属細線を、基材の凹部内に形成するステップを含む。

分散液の乾燥及び金属粒子の凝集は、透光性基材及び得られる金属細線に有意の悪影響を与えず、且つ金属粒子の凝集、及び好ましくは安定化を可能にする任意の温度で行うことができる。したがって、透光性基材として有機基材を使用する場合には、比較的低い温度での処理を行うことが一般に好ましく、また透光性基材として無機基材を使用する場合には、比較的高い温度での処理を行うこともできる。具体的には、この処理は、８０℃〜２００℃、例えば約１００℃の温度で行うことができる。

また随意に、金属粒子の凝集の後で、基材の凸部状に残った金属粒子を、拭き取り処理、吹き飛ばし処理、遠心処理等によって除去して、金属粒子が、基材の凸部に残らずに、基材の凹部にのみ存在するようにすることもできる。

〈実施例１〉
シクロオレフィンポリマーフィルム（日本ゼオン、ゼオノアＺＦ−１４、厚み２００μｍ）を透光性基材として用い、幅５００ｎｍ及び深さ１μｍの細線周期構造パターンを有するシリコンモールドによるナノインプリント法によって、成形温度１７０℃及び成形圧力１０００Ｎで、透光性基材としてのポリマーフィルムに細線周期構造を転写した。ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）（日本電子（株）、ＪＳＭ−５３１０型）観察により、細線周期構造パターンが、凸部の幅４３７ｎｍ、凹部の幅５２６ｎｍ、及び凹部の深さ１．１３μｍを有することを確認した（図２及び３）。

次いで、紫外線（ＵＶ）オゾン処理装置（アイＵＶ−オゾン洗浄装置ＯＣ−２５０６１５−Ｄ＋Ａ、アイグラフィックス株式会社）を用いて、透光性基材としてのポリマーフィルムの細線周期構造パターンを有する面を２０分間にわたってＵＶオゾン処理して、この面を、実施例１で使用する金属粒子分散液の分散媒であるメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）に対して親和性にした。

このＵＶオゾン処理によって、透光性基材としてのポリマーフィルムの水接触角（ＦＡＣＥ ＣＡ−Ｘ型接触角計）は３５度となった。また、このＵＶオゾン処理の前には、ポリマーフィルムの水接触角７３度であった。なお、ＭＩＢＫは親水性部分であるケトン部分を有し、それによって比較的大きい親水性を有するので、この実施例では、ＭＩＢＫと基材との接触角の評価に代えて、水と基材との接触角の評価を、代替的な指標として用いる。

次に、窒素パージしたグローブボックス中で、オクタデシルトリクロロシラン（「ＯＤＴＳ」、信越化学、ＬＳ−６４９５）５０ｍｍｏｌを溶媒としてのヘキサン１０ｍｌに溶解した溶液中に、シリコーンエラストマーであるポリジメチルシロキサン（「ＰＤＭＳ」、ダウ・コーニング製、Ｓｙｌｇａｒｄ １８４、厚み１００μｍ）フィルムを浸し、この溶液からＰＤＭＳフィルムを取り出し、そしてＰＤＭＳフィルムの表面の溶媒媒が乾燥するまで放置した。

このようにして処理したＰＤＭＳフィルムを、透光性基材としてのポリマーフィルムの細線周期構造パターン面に被せ、３０分間保持し、その後、ＰＤＭＳフィルムを除去して、透光性基材の細線周期構造パターンの凸部の上面にＯＤＴＳの膜を転写した。この転写処理によって、実施例１で使用する金属粒子分散液の分散媒であるメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）に対する基材の凸部の上面の親和性が小さくなった。なお、凸部の上面の水接触角は１０８度となった。

上記のようにして得た細線周期構造パターンを有する透光性基材、すなわち凹部が金属粒子分散液の分散媒に対して親和性であり、且つ凸部がこの分散媒に対して非親和性である透光性基材を、細線構造が斜面の上下方向に延在するようにして、約４０度傾斜させて設置した。その後、金属粒子分散液（金ナノロッド分散液、平均長軸長さ（粒子最大径）３６ｎｍ、平均短軸長さ８ｎｍ、大日本塗料株式会社、Ａｕ−３／メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）２５ｗｔ％分散液）を、傾斜させた透光性基材の上側に滴下して、分散液が細線構造に沿って流下するようにして、コーティングを行った。

基材の凹部が分散媒に対して親和性であり、且つ基材の凸部が分散媒に対して非親和性であるので、このコーティングによって、分散液は透光性基材の凹部にのみ溜まった。

この凹部に溜まった分散液を自然乾燥することによって、凹部においてのみ金属粒子の凝集体を得た。このようにして得た透光性基材を、大気下において１００℃で６０分間にわたって乾燥して、残留分散媒を除去し、且つ金属粒子を熱固定して、実施例１のワイヤーグリッド偏光子を得た。

実施例１のワイヤーグリッド偏光子のＳＥＭ像により、凹部にのみ金属粒子が堆積していることが確認できた（図４及び５）。

また、実施例１のワイヤーグリッド偏光子の偏光特性を、分光光度計（Ｕ−４０００型、株式会社日立ハイテクノロジーズ）により評価した（図６）。この評価によれば、実施例１のワイヤーグリッド偏光子は、２３００ｎｍ程度の波長に対して、約８０％の偏光度を達成できることが確認された。

〈実施例２〉
ＵＶオゾン処理及びコンタクトプリント処理を行わなかったことを除いて実施例１と同様にして、細線周期構造を有する透光性基材を得た。また、実施例１と同様にして、傾斜させて配置したこの透光性基材の上側に、金属粒子分散液（Ａｕ−３）を滴下して、コーティングを行った。その後、実施例１と同様にして、乾燥を行うことによって、ワイヤーグリッド偏光子を得た。

得られたワイヤーグリッド偏光子では、細線周期構造部の凸部にも金属粒子が堆積していることが観測された。凸部に堆積した金属粒子は、基材の細線周期構造部に傷がつかないように、ミクロスター(登録商標)（ＮＩ帝人商事株式会社）で、細線周期構造の長さ方向に軽くふき取って除去して、実施例２のワイヤーグリッド偏光子を得た。

実施例２のワイヤーグリッド偏光子の偏光特性を、実施例１と同様にして評価した。この評価によれば、このワイヤーグリッド偏光子は、２３００ｎｍ程度の波長に対して、約６０％の偏光度を達成できることが確認された。

１ 透光性基材
２ 金属粒子の凝集体で作られている金属細線
１０ 本発明のワイヤーグリッド偏光子

Claims (6)

1. 透光性基材及び前記透光性基材に周期的に並置されている複数の金属細線を有するワイヤーグリッド偏光子であって、
   前記基材が、細線状凹部と細線状凸部の繰返し交互構造を有し、且つ
   前記金属細線が、前記凹部内に形成されており、且つ金属粒子の凝集体で作られている、
   ワイヤーグリッド偏光子。
2. 透光性基材及び前記透光性基材に周期的に並置されている複数の金属細線を有するワイヤーグリッド偏光子の製造方法であって、
   細線状凹部と細線状凸部の繰返し交互構造を有する透光性基材を提供するステップ、
   前記基材に、金属粒子分散液をコーティングして、前記基材の凹部に前記分散液を導入するステップ、及び
   前記分散液を乾燥し、そして前記基材の凹部内において前記金属粒子を凝集させて、前記金属粒子の凝集体で作られている金属細線を、前記基材の凹部内に形成するステップ、
   を含む、ワイヤーグリッド偏光子の製造方法。
3. 前記分散液の分散媒に対する親和性が、前記凹部の底面及び／又は側面と、前記凸部の上面とで異なっており、それによって前記分散液が、前記凸部の上面よりも、前記凹部の底面及び／又は側面に対して親和性を有するようにする、請求項２に記載の方法。
4. 前記基材を傾斜させて配置し、そして傾斜させて配置した前記基材に前記分散液を流下させることによって、前記分散液をコーティングする、請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記金属粒子の最大径が、前記金属細線の線幅以下である、請求項２〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記凹部及び凸部の周期構造の幅が、１μｍ以下である、請求項２〜５のいずれかに記載の方法。