(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シェルを形成する材料よりも高い屈折率を有する材料で形成された同じコア径のコア微粒子が、異なるシェル厚からなる前記シェル中に設けられた複数のコアシェル微粒子を製造する工程と、
外径の異なる複数のコアシェル微粒子を混合する工程と、
混合された外径の異なる前記複数のコアシェル微粒子を基板上に配置し、屈折率分布構造体を形成する工程と、
を有することを特徴とする屈折率分布構造体の製造方法。
【請求項２】
前記複数のコアシェル微粒子を配置した後、前記シェルのみを除去する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の屈折率分布構造体の製造方法。
【請求項３】
前記複数のコアシェル微粒子をエッチングマスクとして用い、エッチングによって柱状構造を形成する工程を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の屈折率分布構造体の製造方法。
【請求項４】
前記コアシェル微粒子を配列する面内方向における前記複数のコアシェル微粒子の面積充填率を、０．５以上となるようにして製造することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の屈折率分布構造体の製造方法。
【請求項５】
前記コアシェル微粒子の外径をＲ、前記コアシェル微粒子のシェル厚の標準偏差をＴｓとしたとき、以下の式の関係を満たすようにして製造することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の屈折率分布構造体の製造方法。
０．０９＜Ｔｓ／Ｒ＜０．４
【請求項６】
前記コア微粒子間距離の平均値をＬａ、前記コア微粒子間距離のばらつき量をＬｓとしたとき、以下の式の関係を満たすようにして製造することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の屈折率分布構造体の製造方法。
０．１８＜Ｌｓ／Ｌａ
【請求項７】
前記コア微粒子間距離の平均値をＬａ、前記コア微粒子間距離のばらつき量をＬｓとしたとき、以下の式の関係を満たすようにして製造することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の屈折率分布構造体の製造方法。
Ｌｓ／Ｌａ＜０．８
【請求項８】
シェル中にコア微粒子が設けられた複数のコアシェル微粒子が配置された構造を備え、
前記複数のコアシェル微粒子それぞれのコア微粒子のコア径のばらつきが１０％以内であり、
前記複数のコアシェル微粒子は、異なるシェル厚の複数のコアシェル微粒子を有し、
前記コア微粒子が、前記シェルを形成する材料よりも高い屈折率を有する材料で形成され、
前記構造には、外径の異なる複数のコアシェル微粒子が、前記コア微粒子間距離の頻度がばらつくように配置され、
前記コア微粒子間距離の頻度分布は、
頻度のピーク値に対応する前記コア微粒子間距離の値より小さい領域において、前記コア微粒子間距離の値が小さくなるほど頻度が小さくなり、最初に頻度がゼロになる前記コア微粒子間距離の値よりも小さい領域では、頻度がゼロであり、
前記頻度のピーク値に対応する前記コア微粒子間距離の値より大きい領域において、前記コア微粒子間距離の値が大きくなるほど頻度が小さくなり、最初に頻度がゼロになる前記コア微粒子間距離の値よりも大きい領域では、頻度がゼロである形状を有していることを特徴とする屈折率分布構造体。
【請求項９】
前記構造において、前記コアシェル微粒子の配置された面内方向における前記複数のコアシェル微粒子の面積充填率が０．５以上であることを特徴とする請求項８に記載の屈折率分布構造体。
【請求項１０】
前記コアシェル微粒子の外径の平均値をＲ、前記コアシェル微粒子のシェル厚の標準偏差をＴｓとしたとき、以下の式の関係を満たすことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の屈折率分布構造体。
０．０９＜Ｔｓ／Ｒ＜０．４
【請求項１１】
前記コア微粒子間距離の平均値をＬａ、前記コア微粒子間距離のばらつき量をＬｓとしたとき、以下の式の関係を満たすことを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の屈折率分布構造体。
０．１８＜Ｌｓ／Ｌａ
【請求項１２】
前記コア微粒子間距離の平均値をＬａ、前記コア微粒子間距離のばらつき量をＬｓとしたとき、以下の式の関係を満たすことを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載の屈折率分布構造体。
Ｌｓ／Ｌａ＜０．８
【請求項１３】
請求項８から１２のいずれか１項に記載の屈折率分布構造体を備えていることを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率分布構造体とその製造方法、屈折率分布構造体を備えた画像表示装置に関する。特に、光拡散板などに用いられる屈折率分布構造体とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
背景媒質中に、背景媒質とは異なる屈折率を有する複数の構造体を配置した屈折率分布構造体は、フォトニック結晶や光散乱板など、様々な光学機能素子として用いられている。
屈折率分布構造体に光が入射した際の、透過散乱光または反射散乱光の配向特性は、次のようになる。
構造体を周期的に配置した場合、構造体で生じる回折光の干渉により、各回折次数に対応した特定の方向の散乱光強度が強い配向特性となる。
一方、完全にランダムに構造体を配置した場合、光散乱の配向が一様となる。
スクリーンに用いる場合などは、光散乱の配向特性を適度に制御する必要がある。
その場合は、構造体の形状を一定にし、構造体の配置をランダムにし、かつ各構造体の間隔の平均値と平均値からのばらつきを管理することにより、光散乱特性の配向特性を制御することが可能となる。
【０００３】
適度に制御されたランダムな屈折率分布構造体を作製する方法として、微小球を分散させて屈折率分布構造体を形成する方法が知られている（非特許文献１参照）。
このような、屈折率分布構造体においては、単位面積あたりに分散する微小球の個数を、最密充填に必要な個数より少ない個数にし、微小球同士の平均間隔を管理するように構成される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．４，ｐｐ．３７７，Ｈ．Ｗ．Ｄｅｃｋｍａｎ  ｅｔ  ａｌ．“Ｎａｔｕｒａｌ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ”（１９８２／８／１５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来例の屈折率分布構造体においては、つぎのような課題を有している。
すなわち、従来例の屈折率分布構造体は、図７（ａ）に示すように微小球が密に配列されている領域と、疎に配列されている領域とが形成されることにより微小球密度にムラが生じる。このときの微小球間距離の頻度分布を図７（ｂ）に示す。
屈折率分布構造の散乱光の配向分布は、平均微小球間距離で決定される配向角を中心として、微小球間距離のばらつきに応じた広がりを持ったものとなる。
そのため、微小球間距離のばらつきが面内で変化していると、場所により光散乱特性が変化し、面内で均一に所望の光学特性が得られないこととなる。
また、作製の度に、微小球間距離のばらつき具合も変化するため、再現性も低くなる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、複数の微粒子の配列による屈折率分布構造体を構成するに当たり、これらの複数の微粒子間の密度のムラを抑制し、
面内で均一な特性を得ることができ、再現性が高く安定化を図ることが可能となる屈折率分布構造体とその製造方法、屈折率分布構造体を備えた画像表示装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の屈折率分布構造体の製造方法は、
シェルを形成する材料よりも高い屈折率を有する材料で形成された同じコア径のコア微粒子が、異なるシェル厚からなる前記シェル中に設けられたコアシェル微粒子を製造する工程と、
前記コアシェル微粒子を基板上に複数配列し、屈折率分布構造体を形成する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の屈折率分布構造体は、シェル中にコア微粒子が設けられたコアシェル微粒子を複数配列した構造を備え、
前記複数のコアシェル微粒子は、それぞれのコア微粒子が同じコア径で、異なるシェル厚に形成され、
前記コア微粒子が、前記シェルを形成する材料よりも高い屈折率を有する材料で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の画像表示装置は、上記した屈折率分布構造体を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の微粒子の配列による屈折率分布構造体を構成するに当たり、これらの複数の微粒子間の密度のムラを抑制し、
面内で均一な特性を得ることができ、再現性が高く安定化を図ることが可能となる屈折率分布構造体とその製造方法、屈折率分布構造体を備えた画像表示装置を実現することができる。
特に、光学素子として用いた場合に面内で均一な光散乱特性を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１における屈折率分布構造体の製造方法を説明する図。
【図２】本発明の実施例１における図１（ｂ）に示される屈折率分布構造体の上面図。
【図３】本発明の実施例１におけるコアシェル微粒子の構成を説明する図であり、（ａ）はシェル厚Ｔによるコアシェル微粒子の個数頻度分布を示す図、（ｂ）はコア微粒子間距離Ｌによるコアシェル微粒子の頻度分布を示す図。
【図４】本発明の実施例１における別の形態による屈折率分布構造体の製造方法を説明する図。
【図５】本発明の実施例２における屈折率分布構造体を備えた画像表示装置の構成例を説明する図であり、（ａ）は画像表示装置の側面図、（ｂ）は屈折率分布構造体の上面図。
【図６】本発明の実施例２における屈折率分布構造体の製造方法を説明する図。
【図７】従来例における屈折率分布構造体について説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、コア微粒子の径が一定で、かつシェル厚のばらつきが管理された複数のコアシェル微粒子を密に配列した屈折率分布構造体が構成される。
これにより、屈折率分布構造体の平均コア微粒子間距離とコア微粒子間距離のばらつきが所望の値とされた、微粒子間の密度のムラが抑制され、面内で表示特性等が均一で、かつ再現性の高い安定した屈折率分布構造体を得ることができる。以下に、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１１】
実施例１として、本発明を適用した屈折率分布構造体とその製造方法の構成例を、図１、図２を用いて説明する。
図１は本実施例の屈折率分布構造体の製造方法を説明する図であり、図２は図１（ｂ）に示される屈折率分布構造体の上面図である。
図１、図２において、１００は屈折率分布構造体、１０１は基板、１０２は接着層、１０３はコアシェル微粒子、１０４はコア微粒子（以下、コアと記す。）、１０５はシェルである。
本実施例の屈折率分布構造体１００は、複数のコアシェル微粒子を備えた構造を有している。
これらの複数のコアシェル微粒子は、シェル中に該シェルを形成する材料よりも高い屈折率を有する材料で形成された同じコア径のコアと、異なるシェル厚からなるシェルとによって構成されている。
【００１２】
つぎに、このような本実施例におけるコアシェル微粒子の製造方法について説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、基板１０１上に接着層１０２を成膜する。
次に、上記基板上にコアシェル微粒子を複数配列するに際し、コアシェル微粒子１０３を溶媒に分散した分散液を塗布し、乾燥などにより溶媒を除去し、複数のコアシェル微粒子１０３を、シェル同士が接するように密に一層配列する。
さらに、余分なコアシェル微粒子を除去することにより、屈折率分布構造体１００を作製する（図１（ｂ））。屈折率分布構造体１００の上面図を図２に示す。
【００１３】
上記製造方法において用いられるコアシェル微粒子１０３において、コア１０４を形成する材料は、その屈折率がシェル１０５を形成する材料の屈折率よりも高いものが用いられる。
これにより、コア１０４の形状および面内の配置により、屈折率分布構造体１００の光散乱特性を決めることができる。
複数のコアシェル微粒子１０３は、一定のコア径Ｒｃを有するコア１０４とシェル厚Ｔを有するシェル１０５で構成される。
【００１４】
複数のコアシェル微粒子１０３のシェル厚Ｔの個数頻度分布を図３（ａ）に示す。
シェル厚Ｔは、平均シェル厚Ｔａを中心に、所望のばらつきを有している。
図３（ａ）に示す個数頻度分布のコアシェル微粒子１０３を配列した屈折率分布構造体１００のコア微粒子間距離（コア１０４間距離）Ｌの頻度分布を図３（ｂ）に示す。
このとき、コア微粒子間距離Ｌの平均値Ｌａは、以下に示す式１で表される値となる。
Ｌａ＝Ｒｃ＋Ｔａ×２…（式１）
また、コア微粒子間距離Ｌのばらつき量は、シェル厚Ｔのばらつき量の２倍に等しい。
以上、示したように、コア径が一定で、かつシェル厚が所望の個数頻度分布を有するコアシェル微粒子を密に配列する。
これにより、コア径が一定で、平均コア微粒子間距離とコア微粒子間距離のばらつきが所望の値である屈折率分布構造体を、面内で均一、かつ再現性高く作製することができる。
また、コア径が一定で、シェル厚の異なる複数のコアシェル微粒子を配列した構造は、シェル厚の違いにより、コアの高さ方向の位置が面内で異なる屈折率分布構造体とすることができ、光散乱性を強くすることができる。
【００１５】
つぎに、上記したコア径が一定で、シェル厚の異なるコアシェル微粒子の製造方法について説明する。
このようなコアシェル微粒子の製造方法として、複数種の元素を用いた噴霧等による熱分解法、熱プラズマ法、真空蒸着被覆法、気中懸濁被覆法、等の物理的方法を用いることができる。
これ以外の方法として、例えば、複合金属アルコキシドを加水分解重合するアルコキシド法、水溶液系或いは有機溶剤系からの相分離法、界面重合法、等を挙げることができる。
これら公知の方法を用いることにより、製造条件をコントロールし、核となるコア微粒子の径を一定にしつつ、シェル厚が所望のばらつきを持つコアシェル微粒子を製造することができる。
あるいは、公知の方法により単分散のコア粒子を作製し、次に、公知の方法によりシェルを形成する。
その後、コアシェル微粒子の外径に基づいて分球し、所望のばらつきとなるように、外径の異なるコアシェル微粒子を混合する。
コアおよびシェルの材料は、屈折率の異なる２つの材料から任意に選択可能である。例えば、ＳｉＯ2やＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯなどの誘電体や有機高分子、金属、半導体などを用いる。
本発明において、コア径が一定とは、コア粒子が単分散と見なせる範囲で一定という意味であり、例えばコア径のばらつきが１０％以内であることを示す。
作製の再現性を高くするためには、コアシェル微粒子のシェル同士が接するように、密に配列することが望ましい。
コアシェル微粒子を配列する面内方向におけるシェル部を含むコアシェル微粒子の面積充填率が０．５以上となるように配列するのがよく、より望ましくは０．７以上となるように配列するのが望ましい。
【００１６】
なお、図４（ａ）に示すように、エッチングによりシェル１０５を除去し、コア粒子１０４のみが配列した屈折率分布構造体２００としてもよい。
シェルを除去することにより、コア粒子周囲媒質の選択の自由度を高めることができ、実現可能な光散乱特性の自由度を増すことができる。
さらに、図４（ａ）に示す構造をエッチングマスクとして、基板１０１をエッチングして、柱状構造による屈折率分布構造体２１０を形成してもよい（図４（ｂ））。
また、基板１０１上に成膜した薄膜２２１をエッチングして屈折率分布構造体２２０を形成してもよい（図４（ｃ））。
なお、シェル１０５を除去せずに、図２に示すコアシェル微粒子１０３を配列した構造をエッチングマスクとして用いてもよい。
このように、コアシェル微粒子を配列した構造をエッチングマスクとしてエッチングし、柱状構造による屈折率分布構造体を作製することで、屈折率分布構造体の屈折率の自由度を増し、実現可能な光散乱特性の自由度を増すことができる。また、屈折率分布構造体の厚さもエッチング深さにより変えることが可能なため、実現可能な光散乱特性の自由度をさらに増すことができる。
本実施例においては、コアシェル微粒子を一層配列した構成を示したが、複数層積層し、３次元の屈折率分布構造体を作製してもよい。
【００１７】
［実施例２］
実施例２として、本発明による屈折率分布構造体を、画像表示装置に適用した構成例について、図５を用いて説明する。
本実施例の画像表示装置３００は、画像観察者側から、基板３０１、屈折率分布構造体３０２、発光層３０３の順で構成される（図５（ａ））。
屈折率分布構造体３０２は、低屈折率の材料による背景媒質（シェル）３０５中に、背景媒質を形成する材料の屈折率よりも高い屈折率の材料で形成された構造体（コア微粒子）３０４がランダムに配置された構造になっている（図５（ｂ））。
屈折率分布構造体３０２は、画像観察者側から入射した外光を散乱反射する役割と、発光層３０３で発光した表示光を回折・散乱させて画像観察者側に取り出す役割を有する。
【００１８】
外光を散乱反射する際に、屈折率分布構造体３０２を構成する構造体３０４が周期的に配列されていると、外光の波長と屈折率分布構造体３０２の周期で決まる特定の方向の散乱光強度が強くなる。
散乱光強度が強くなる方向は、波長に依存するため、反射像が色割れする。これを避けるために、構造体３０４の配列をランダムにする必要がある。
屈折率分布構造体３０２の散乱反射光の配向分布は、外光の波長と構造体間距離の平均値で決定される配向角を中心として、構造体間距離のばらつきに応じた広がりを持ったものとなる。
この時、各色の反射散乱光の広がり範囲が、各色の反射散乱光強度が強い方向を含むように設定することにより、反射像の色割れを低減することができる。
つまり、構造体間距離の平均値をＬａ、構造体間距離の標準偏差をＬｓとすると、青色である波長４５０ｎｍの光と赤色である波長６５０ｎｍの光の反射散乱光が重なるためには、以下の式２を満たす必要がある。
【００１９】
なお、構造体間距離（コア微粒子間距離）のばらつき量Ｌｓは、構造体間距離（コア微粒子間距離）の平均値Ｌａからの差分のｒｍｓ（平方和の正の平方根）である。
０．１８＜Ｌｓ／Ｌａ…（式２）
より望ましくは、可視波長域端である波長４００ｎｍと波長７００ｎｍの光の反射散乱光が重なるために、以下の式３を満たす必要がある。
０．２７＜Ｌｓ／Ｌａ…（式３）
一方、発光層３０３で発光した表示光を回折・散乱させて画像観察者側に効率良く取り出すためには、基板３０１の観察者側界面への入射角が臨界角以内である成分を増やす必要がある。
このため、一様な光散乱特性ではなく、基板３０１の観察者側界面への入射角が臨界角以内になる特定の方向の光散乱強度を高めることが望ましい。
よって、屈折率分布構造体を設けることで、表示光の取り出し効率を上げるためには、以下の式４を満たす必要がある。
Ｌｓ／Ｌａ＜０．８…（式４）
より望ましくは、以下の式５を満たすと良い。
Ｌｓ／Ｌａ＜０．６…（式５）
以上より、例えば構造体間距離Ｌａが２．６μｍ、構造体間距離のばらつき量Ｌｓが０．３の屈折率分布構造体３０２を用いることにより、色割れのない外光拡散反射特性と高い表示光取り出し効率を有する画像表示装置が実現できる。
【００２０】
つぎに、上記の屈折率分布構造体３０２の製造方法について説明する。
まず、コア径８００ｎｍでシェル厚の平均値が９００ｎｍ、シェル厚の標準偏差が３９０ｎｍの複数のコアシェル微粒子３０７を作製する。
コアシェル微粒子３０７の外径平均値は２．６μｍ、外径の標準偏差は０．７８μｍである。
図６（ａ）に示すように、構造体３０４を構成する材料の薄膜３０６を基板３０１上に成膜し、コアシェル微粒子３０７を密に配列する。
コアシェル微粒子３０７のコアを構成する材料は耐性を有するエッチャントを用いて、コアシェル微粒子３０７のシェル部および薄膜３０６をエッチングして構造体３０４を形成する（図６（ｂ））。
次に、図６（ｃ）に示すように、コアシェル微粒子３０７を除去し、構造体３０４の屈折率より低い屈折率の材料を充填し、背景媒質３０５を形成し、屈折率分布構造体３０２を形成する。
さらに、発光層３０３を形成して、画像表示装置３００を作製する。
以上の工程により、構造体間距離Ｌａが２．６μｍ、構造体間距離のばらつき量Ｌｓが０．３の屈折率分布構造体３０２を形成でき、色割れのない外光拡散反射特性と高い表示光取り出し効率を有する画像表示装置が実現できる。
【００２１】
よって、コアシェル微粒子の外径の平均値が、式２から式５に示すＬａに相当し、シェル厚の標準偏差の２倍が、式２から式５のＬｓに相当する。
つまり、コアシェル微粒子の外径の平均値をＲ、シェル厚の標準偏差をＴｓとすると、式６の関係を満たすコアシェル微粒子を密に配列することにより、所望の散乱特性を有する屈折率分布構造体を作製することができる。
０．０９＜Ｔｓ／Ｒ＜０．４…（式６）
より望ましくは、式７を満たすことが望ましい。
０．１３５＜Ｔｓ／Ｒ＜０．３…（式７）
なお、実施例１に示したように、配列したコアシェル微粒子そのものやシェルを除去した構造を屈折率分布構造体としてもよい。
また、コアおよびシェルを構成する材料の屈折率より低い屈折率を有する材料で、それらの周囲を埋めた構造を屈折率分布構造体としてもよい。
【符号の説明】
【００２２】
１００：屈折率分布構造体
１０１：基板
１０２：接着層
１０３：コアシェル微粒子
１０４：コア
１０５：シェル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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