JP2015069076A

JP2015069076A - 構造色フィルター

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Publication number: JP2015069076A
Application number: JP2013204459A
Authority: JP
Inventors: 松尾　正; Tadashi Matsuo; 正松尾
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-13
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: JP6237060B2

Abstract

【課題】構造色フィルターは、光の波長程度の膜厚、寸法の薄膜や格子構造による光の干渉、回折を利用することから、入射光の入射角や観察方向に依存して色特性が変化する、いわゆる入射角依存性（視野角依存性）が大きい、という欠点を有していた。
【解決手段】基板上に高分子樹脂により形成した回折格子パターンを有し、回折格子パターンの間隙全域に金属性の薄膜が存在する構造色フィルターとし、好ましくは金属性の薄膜の材料をＡｌ、またはＡｇとして、入射光としてＴＥ偏光を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造色を利用したカラーフィルターに関する。特に、ナノインプリント技術で作製した高分子樹脂による回折格子パターンと、回折格子パターンの間隙に金属膜を形成した構造によって生じる色特性を利用するカラーフィルターに関する。

カラーフィルターは、ディスプレイ、イメージセンサー、各種光学機器、分析機器などで、色を表現または識別する素子として、様々な用途で利用され、一般的には色素を添加した高分子材料がカラーフィルターの色材として使用されている。

一方、構造色は、光の波長程度のスケール（厚さ、寸法）の薄膜や回折格子構造によって発生する光の干渉や回折の結果として発現する色であり、構造色を用いたカラーフィルター（以下、構造色フィルターと記す）は、色素合成プロセスを必要とせず、構造パラメータの最適化により多様な色特性を、同一基板上に一括形成できる、等の特長を有する。

光の波長程度のスケールの構造やパターンを形成する方法としては、従来、電子線描画などの半導体微細加工技術が必要とされ、構造色フィルターの製造コストを高める要因となっていたが、近年、より量産に適したナノインプリント技術が進展しつつあり、構造色フィルターの製造への適用が期待されている。（非特許文献１参照）。

特許第５０２３３２４号公報

金森義明、月刊ディスプレイ、２００９年、３月号、ｐ．３２渋谷、大木、回折と結像の光学、朝倉書店（２００５年、初版）、ｐ．２０７ "マイクロリソグラフィのための薄膜の光学特性（Optical Properties of Thin Films for DUV and VUV Microlithography）"、[online]、ロチェスター工科大学（Rochester Institute of Technology）、インターネット<URL:http://www.rit.edu/kgcoe/microsystems/lithography/thinfilms/thinfilms/thinfilms>

構造色フィルターは、前述のように、光の干渉、回折を利用することから、波長帯域（発色要因となる、反射率や透過率のスペクトルのピーク若しくはボトムの半値幅）が狭くなり、彩度の高い色を生じることが多い反面、入射光の入射角や観察方向に依存して色特性が変化する、いわゆる入射角依存性（視野角依存性）が大きい、という欠点を有していた。

図１０は、石英基板上１に、ナノインプリントにより高分子樹脂２（以下、適宜ポリマーと記す）の回折格子を形成した構造色フィルターの断面模式図であるが、図１０において、ｄ１は作製した回折格子部の厚さ（深さ）、ｄ２はナノインプリント後の残膜部の厚さであり、Ｐ、ｗはそれぞれ回折格子の周期、線幅を表わしている。また、４、５、６はそれぞれ入射光、反射光、透過光であり、θは入射光の入射角を表わしている。

図１０の構造において、ｄ１＝２５０ｎｍ、ｄ２＝１００ｎｍ、Ｆ（回折格子の線幅／周期）＝ｗ／Ｐ＝０．４５とし（Ｆは通常Filling Factorと呼ばれる）、ＴＥ偏光を、上面（回折格子側）から垂直入射（入射角θ＝０）したときの分光反射率（反射率スペクトル）を計算すると、例えば図１１（ａ）のようになる。ここで、ポリマーとしては、波長４００ｎｍから７００ｎｍにおける平均屈折率が１．７０程度のもの（以下、これをポリマーＡと記す）を用いている。計算には、コンピュータを用いた電磁界解析法の一種である、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Rigorous Coupled Wave Analysis）法を使用した（非特許文献２参照）。

ヒトの眼の分光感度特性によると、青色（Ｂ）と感じる光強度のピーク波長は約４５０ｎｍ、同じく緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）と感じる光強度のピーク波長はそれぞれ、約５５０ｎｍ、６１０ｎｍである。図１１（a）によると、回折格子の周期：Ｐ＝３００ｎｍ、３７５ｎｍ、４１５ｎｍとしたときに、それぞれ波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近にピークが出来ており、これらの周期で作製することで、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルターとなることが分かる。

図１１（ｂ）は、図１０の構造色フィルターに対して、ＴＥ（Transverse Electric Wave）偏光を上面（回折格子側）から入射角θ＝５ｄｅｇで入射したときの分光反射率を計算したものである。図１１（ｂ）では、図１１（a）のＢ、Ｇ、Ｒのピークに、Ｂ１、Ｂ２、Ｇ１、Ｇ２、Ｒ１、Ｒ２と分離が発生している。このように、入射角をわずかに変化させただけで、分光反射率は変化し、図１０の構造色フィルターの視野角は狭いことが分かる。

また、図１２（a）は、同じく図１０の構造において、ＴＭ（Transverse Magnetic Wave）偏光を、上面（回折格子側）から垂直入射（入射角θ＝０ｄｅｇ）したときの分光反射率（反射率スペクトル）を計算したものである。図１２（ａ）によると、回折格子の周期＝３００ｎｍ、３７１ｎｍ、４１６ｎｍとしたときに、ＴＥ偏光の場合よりも半値幅は狭いものの、それぞれ波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近にピークが出来ており、これらの周期で作製することで、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルターとなることが分かる。

図１２（ｂ）は、図１０の構造色フィルターに対して、ＴＭ偏光を上面（回折格子側）から入射角θ＝５ｄｅｇで入射したときの分光反射率を計算したものである。図１２（ｂ）によると、ＴＥ偏光の場合と同様、図１２（a）のＢ、Ｇ、Ｒのピークに、Ｂ１、Ｂ２、Ｇ１、Ｇ２、Ｒ１、Ｒ２と分離が発生しており、ＴＭ偏光入射においても、入射角のわずかな変化で分光反射率が変化し、図１０の構造色フィルターは視野角が狭いことが分かる。

上述の課題を解決するために、請求項１に記載の本発明は、基板と、当該基板上に設けられ高分子樹脂から形成した回折格子パターンとを有する構造色フィルターであって、前記回折格子パターンの間隙全域に金属性の薄膜が存在することを特徴とする構造色フィルターである。

請求項２に記載の本発明は、前記金属性の薄膜はＡｌであることを特徴とする請求項１に記載の構造色フィルターである。

請求項３に記載の本発明は、金属性の薄膜はＡｇであることを特徴とする請求項１に記載の構造色フィルターである。

請求項４に記載の本発明は、入射光として、ＴＥ偏光を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の構造色フィルターである。

本発明は、ナノインプリント技術で作製した高分子樹脂による回折格子パターンと、回折格子パターンの間隙全域に金属性の薄膜（以下、空間膜と記す）が存在することによって発現する色特性を利用する構造色フィルターであり、空間膜材料として、Ａｌ、またはＡｇを用い、入射光としてＴＥ偏光を用いることにより、従来問題であった構造色フィルターの入射角依存性、すなわち視野角依存性が大きい、という欠点を抑えることができる。また、量産に適したナノインプリント技術と、特に空間膜材料として安価で入手しやすいＡｌを使用することにより、製造コストを低減することができる。

本発明の構造色フィルターの断面模式図、および本発明の構造色フィルターに回折格子側から入射光を入射させる場合の概念図本発明の構造色フィルターの断面模式図、および本発明の構造色フィルターに基板側から入射光を入射させる場合の概念図本発明の構造色フィルターを設計し、ＴＥ偏光である入射光を回折格子側から垂直入射する場合の分光反射率を計算した結果の例を示す特性図本発明の構造色フィルターに、ＴＥ偏光である入射光を回折格子側の斜め方向から入射する場合の分光反射率を計算した結果の例を示す特性図本発明の構造色フィルターを設計し、ＴＥ偏光である入射光を基板側から垂直入射する場合の分光反射率を計算した結果の例を示す特性図本発明の構造色フィルターに、ＴＥ偏光である入射光を基板側の斜め方向から入射する場合の分光反射率を計算した結果の例を示す特性図本発明の構造色フィルターを設計し、ＴＥ偏光である入射光を基板側から垂直入射する場合の分光透過率を計算した結果の例を示す特性図本発明の構造色フィルターに、ＴＥ偏光である入射光を基板側の斜め方向から入射する場合の分光透過率を計算した結果の例を示す特性図本発明の構造の構造色フィルターに、ＴＭ偏光である入射光を回折格子側の（ａ）垂直方向から、および（ｂ）（ｃ）斜め方向から入射する場合の分光反射率を計算した結果の例を示す特性図従来構造の構造色フィルターの断面模式図、および従来構造の構造色フィルターに回折格子側から入射光を入射させる場合の概念図従来構造の構造色フィルターに、入射光（ＴＥ偏光）を回折格子側から入射する場合の分光反射率を計算した結果の例を示す特性図であり、（ａ）は垂直方向、（ｂ）は斜め方向から入射する場合を示す特性図従来構造の構造色フィルターに、入射光（ＴＭ偏光）を回折格子側から入射する場合の分光反射率を計算した結果の例を示す特性図であり、（ａ）は垂直方向、（ｂ）は斜め方向から入射する場合を示す特性図

図１、および図２に示すように、本発明の実施の形態に関わる構造色フィルターは、基板１（石英、アルミナなど透明性であることが好ましい）と、基板１上に高分子樹脂２から形成した回折格子パターン、および前記回折格子パターンの間隙全域に金属性の薄膜（空間膜）３を有している。

好ましくは、前記回折格子パターンの間隙全域に存在する空間膜３は、Ａｌ（アルミニウム）、若しくはＡｇ（銀）である。

図１、および図２に示すように、本発明の実施形態においては、ＴＥ偏光である入射光（図１では符号４、図２では符号７）は回折格子側（図１）、若しくは基板側（図２）から入射させる。後述するが、それらの反射光（図１では符号５、図２では符号８）は、減法混色用の３原色である、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）として利用することができる。また、透過光（図１では６、図２では９）は、Ｙ、Ｍ、Ｃの補色であり、加法混色用の３原色である、Ｂ（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）として利用することができる。

以下、図３乃至図８に、本発明の構造色フィルターについて、波長４００ｎｍから７００ｎｍの可視光域におけるＴＥ偏光入射の分光反射率、若しくは分光透過率を計算した結果を示す。計算方法は、図１１、図１２と同様、ＲＣＷＡ法であり、基板材料は石英、高分子樹脂としては、ポリマーＡ、ポリマーＢの２種類、空間膜材料としては、ＡｌまたはＡｇとした場合について示す。計算に必要な屈折率は、石英は１．４６で一定とし、Ａｌ、Ａｇについては、非特許文献３に掲載されている値を用いた。また、ポリマーＡは波長４００ｎｍから７００ｎｍの領域における平均屈折率が約１．７０の高屈折率ポリマーであり、分光エリプソメーターで実際に測定した数値を用いた。ポリマーＢは平均屈折率が約１．５０の一般的なポリマーである。

図３乃至図８の計算結果は、図１１、図１２の場合と同様、ヒトの目の分光感度特性に即して、Ｂ（青）：４５０ｎｍ、Ｇ（緑）：５５０ｎｍ、Ｒ（赤）：６１０ｎｍにピーク、または、Ｙ（イエロー）：４５０ｎｍ、Ｍ（マゼンタ）：５５０ｎｍ、Ｃ（シアン）：６１０ｎｍにボトムができるよう、構造パラメータである格子部膜厚：ｄ１、残膜部膜厚：ｄ２、周期：Ｐ、およびＦ＝ｗ／Ｐを調整して設計した結果を示している。それぞれの場合の具体的な材料、パラメータの数値は、図３乃至図８中に示している。

（実施例１）
図３，４を参照しつつ、実施例１について説明する。図３は、本発明の構造色フィルターの構成と、当該構造色フィルターにＴＥ偏光である入射光を回折格子側から垂直入射した場合の分光反射率を計算した結果とを示す特性図である。
実施例１では、図３、図４に基づき、本発明の構造色フィルターの有効性を説明する。図３（ａ）によると、格子部および残膜部材料がポリマーＡ、空間膜材料がＡｌの組み合わせで、格子部膜厚：ｄ１＝１５０ｎｍ、残膜部膜厚：ｄ２＝１００ｎｍとし、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．５の条件で、回折格子の周期：Ｐ＝２７０ｎｍ、４３０ｎｍ、５２０ｎｍとしたときに、それぞれ波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近にボトムが出来ており、これらの周期で作製することで、減法混色用のＹ、Ｍ、Ｃの構造色フィルターとなることが分かる。同様に、図３（ｂ）では同じ材料の組み合わせで、ｄ１、ｄ２、Ｆ、Ｐを図中に示した数値に最適化することで波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近にボトムが出来ており、減法混色用のＹ、Ｍ、Ｃの構造色フィルターとなることが分かる。

さらに、図３（ｃ）では格子部および残膜部材料がポリマーＢ、空間膜材料がＡｌの組み合わせで、図３（ｄ）では格子部および残膜部材料がポリマーＡ、空間膜材料がＡｇの組み合わせで、それぞれｄ１、ｄ２、Ｆ、Ｐを図中に示した数値に最適化することで波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近にボトムが出来ており、減法混色用のＹ、Ｍ、Ｃの構造色フィルターが得られることが分かる。

図４（ａ）〜（ｃ）は、図３（ａ）の構造色フィルターに対して、ＴＥ偏光を回折格子側から、それぞれ入射角θ＝５、１０、２０ｄｅｇで斜め入射したときの分光反射率を計算したものである。図４から分かるように、図３（ａ）の構造色フィルターは、入射角を２０度程度まで変化させてもＹ、Ｍ、Ｃのボトム形状に、大きな変化は見られない。また、図では省略しているが、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）の構造色フィルターに対しても同様である。このように、本発明の構造色フィルターは、ＴＥ偏光の回折格子側からの斜め入射（入射角）に対する依存性が従来構造の構造色フィルターよりもはるかに小さく、視野角が広いことが分かる。

（実施例２）
図５，６を参照しつつ、実施例２について説明する。図５は、本発明の構造色フィルターの構成と、当該構造色フィルターにＴＥ偏光である入射光を基板側から垂直入射した場合の分光反射率を計算した結果とを示す特性図である。
実施例２では、図５、図６に基づき、本発明の構造色フィルターの有効性を説明する。図５（ａ）によると、格子部、および残膜部材料がポリマーＡ、空間膜材料がＡｌの組み合わせで、格子部膜厚：ｄ１＝１５０ｎｍ、残膜部膜厚：ｄ２＝１００ｎｍとし、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．４５の条件で、回折格子の周期：Ｐ＝３００ｎｍ、４７０ｎｍ、５８０ｎｍとしたときに、それぞれ波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近にボトムが出来ており、これらの周期で作製することで、減法混色用のＹ、Ｍ、Ｃの構造色フィルターとなることが分かる。図５（ｂ）では、材料組み合わせと、ｄ１、ｄ２を図５（ａ）と同じとし、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．５の条件で、Ｐを図中に示した数値に最適化することで波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近にボトムが出来ており、減法混色用のＹ、Ｍ、Ｃの構造色フィルターとなることが分かる。

さらに、図５（ｃ）では格子部、および残膜部材料がポリマーＢ、空間膜材料がＡｌの組み合わせで、図５（ｄ）では格子部、および残膜部材料がポリマーＡ、空間膜材料がＡｇの組み合わせで、それぞれｄ１、ｄ２、Ｆ、Ｐを図中に示した数値に最適化することで波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近にボトムが出来ており、減法混色用のＹ、Ｍ、Ｃの構造色フィルターが得られることが分かる。

図６（ａ）は、図５（ａ）の構造色フィルターに対して、ＴＥ偏光を基板側から入射角θ＝１０ｄｅｇで斜め入射したときの分光反射率を計算したものである。図６（ｂ）、（ｃ）は、図５（ｂ）の構造色フィルターに対して、ＴＥ偏光を基板側から、それぞれ入射角θ＝１０、２０ｄｅｇで斜め入射したときの分光反射率を計算したものである。図６から分かるように、図５（ａ）、（ｂ）の構造色フィルターでは、入射角を２０度程度まで変化させてもＹ、Ｍ、Ｃのボトム形状に、大きな変化は見られない。図では省略しているが、図５（ｃ）、図５（ｄ）の構造色フィルターに対しても同様である。このように、本発明の構造色フィルターは、ＴＥ偏光の基板側からの斜め入射（入射角）に対する依存性が従来構造の構造色フィルターよりもはるかに小さく、視野角が広いことが分かる。

（実施例３）
図７，８を参照しつつ、実施例３について説明する。図７は、本発明の構造色フィルターの構成と、当該構造色フィルターにＴＥ偏光である入射光を回折格子側から垂直入射した場合の分光反射率を計算した結果とを示す特性図である。
実施例３では、図７、図８に基づき、本発明の構造色フィルターの有効性を説明する。図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）によると、格子部、および残膜部材料がポリマーＡ、空間膜材料がＡｌの組み合わせで、それぞれ図中のｄ１、ｄ２、Ｆ＝ｗ／Ｐの条件で、回折格子の周期：Ｐを図中に示した数値に最適化したときに、波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近にピークが出来ており、これらの周期で作製することで、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルターとなることが分かる。

さらに、図７（ｄ）では格子部、および残膜部材料がポリマーＢ、空間膜材料がＡｌの組み合わせで、同様にｄ１、ｄ２、Ｆ、Ｐを図中に示した数値に最適化することで波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近にピークが出来ており、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルターが得られることが分かる。

図８（ａ）、（ｂ）は、図７（ｃ）の構造色フィルターに対して、ＴＥ偏光を基板側から、それぞれ入射角θ＝１０、１５ｄｅｇで斜め入射したときの分光透過率を計算した結果を示すものである。さらに、図８（ｃ）、（ｄ）は、図７（ｄ）の構造色フィルターに対して、ＴＥ偏光を基板側から、それぞれ入射角θ＝２０、３０ｄｅｇで斜め入射したときの分光透過率を計算した結果を示すものである。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）から分かるように、図７（ｃ）、図７（ｄ）の構造色フィルターは、入射角を２０度程度まで変化させてもＢ、Ｇ、Ｒのピーク形状に、大きな変化は見られない。図では省略しているが、図７（ａ）、図７（ｂ）の構造色フィルターに対しても同様である。このように、本発明の構造色フィルターは、ＴＥ偏光の基板側からの斜め入射（入射角）に対する依存性が従来構造の構造色フィルターよりもはるかに小さく、視野角が広いことが分かる。

（比較例）
図９（ａ）では、本発明の構造色フィルターに、ＴＭ偏光である入射光を回折格子側から入射した場合の分光反射率の計算結果を示している。図９（ａ）によると、格子部、および残膜部材料がポリマーＡ、空間膜材料がＡｌの組み合わせで、格子部膜厚：ｄ１＝１００ｎｍ、残膜部膜厚：ｄ２＝１５０ｎｍとし、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．５の条件で、回折格子の周期：Ｐ＝３５５ｎｍとしたときに、それぞれ波長＝５５０ｎｍ付近にピークが出来ており、Ｇの構造色フィルターとなることが分かる。尚、ここでは後述の斜め入射の場合の図を見やすくするために、Ｇの場合についてのみ図示したが、周期：Ｐを最適化することで、Ｂ、Ｒの構造色フィルターを得ることができる。

図９（ｂ）、（ｃ）では、図９（ａ）の構造色フィルターに対して、ＴM偏光を回折格子側から、それぞれ入射角θ＝５、１０ｄｅｇで斜め入射したときの分光反射率を示している。図９（ｂ）、（ｃ）から分かるように、図９（ａ）のＧのピークには、５ｄｅｇの斜め入射で既に分離が生じており、入射角とともに分離したピーク位置の間隔は大きくなっている。図９（ｂ）、（ｃ）ではＧのピークについて示したが、Ｂ、Ｒのピークについても同様である。このように、本発明の構造色フィルターにおいては、ＴＭ偏光を入射光として使用することは好適ではない。

また、計算結果を使っての説明は省略するが、本発明の構造色フィルターにおいては、空間膜としての材料としては、Ａｌ、Ａｇ以外の材料からは、良好なＢ、Ｇ、Ｒのピーク形状、若しくはＹ、Ｍ、Ｃのボトム形状は、現状得られていない。

本発明は、色素を添加した高分子材料を使わず、透明材料からなる回折格子パターンと、金属性薄膜を使い、構造パラメータ（膜厚、周期、線幅）を最適化することにより、多様で、視野角の大きい色特性を、同一基板上に一括形成できるので、ディスプレイ、イメージセンサー、各種光学機器、分析機器などへの応用が期待される。

１・・・基板
２・・・高分子樹脂
３・・・金属性薄膜（空間膜）
４、７・・・入射光
５、８・・・反射光
６、９・・・透過光

Claims

基板と、当該基板上に設けられ高分子樹脂から形成した回折格子パターンとを有する構造色フィルターであって、前記回折格子パターンの間隙全域に金属性の薄膜が存在することを特徴とする構造色フィルター。
金属性の薄膜はＡｌであることを特徴とする請求項１に記載の構造色フィルター。
金属性の薄膜はＡｇであることを特徴とする請求項１に記載の構造色フィルター。
入射光として、ＴＥ偏光を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の構造色フィルター。