(57)【要約】【課題】  凹凸周期構造層の製造が容易で、機械的強度が高く、優れた反射防止性能を有している反射防止構造体を提供する。また、凹凸周期構造層として使用可能な材料の選択範囲が広く、様々な基材に対して反射防止機能を付与できる反射防止構造体を提供する。【解決手段】  使用する光に対して透過性を有する基材上に、該基材より屈折率が高い材料からなり、前記光の波長以下の周期で微細な突起群を有する凹凸周期構造層が形成されてなる反射防止構造体である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用する光に対して透過性を有する基材上に、該基材より屈折率が高い材料からなり、前記光の波長以下の周期で微細な突起群を有する凹凸周期構造層が形成されてなる反射防止構造体。
【請求項２】
前記基材の屈折率ｎ1および前記凹凸周期構造層の屈折率ｎ3が、１＜ｎ3／ｎ1≦１．２である請求項１に記載の反射防止構造体。
【請求項３】
前記突起の高さＨと周期Ｐとの比が、１≦Ｈ／Ｐである請求項１に記載の反射防止構造体。
【請求項４】
前記突起の、底面の周期方向長さＢと周期Ｐとの比が、０．８≦Ｂ／Ｐ≦１である請求項１または３に記載の反射防止構造体。
【請求項５】
前記突起の、底面の周期方向長さＢと周期Ｐとの比が、Ｂ／Ｐ＝１である請求項４に記載の反射防止構造体。
【請求項６】
前記突起の厚み方向の断面形状が、台形である請求項１および３〜５のいずれか１項に記載の反射防止構造体。
【請求項７】
前記台形の上底Ｗと周期Ｐとの比が、Ｗ／Ｐ≦０．６である請求項６に記載の反射防止構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、使用する光の波長以下の周期で、微細な凹凸周期構造を有する反射防止構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微細な凹凸周期構造を有する反射防止構造体が実用化されている。この反射防止構造体は、基材表面に使用する光の波長以下の周期で、円錐や角錐などの微細な突起群を有する凹凸周期構造層が形成されたものであり、その形状から、モスアイ（Moth Eye）とも呼ばれている。
【０００３】
このような反射防止構造体において、凹凸周期構造層を形成する材料の体積占有率は、凹凸周期構造層の厚み方向で連続的に変化する。すなわち、入射媒質（空気）側に近づくほど、凹凸周期構造層を形成する材料の割合が小さくなり、その分、入射媒質（空気）の割合が大きくなる。ここで、基材と凹凸周期構造層の屈折率がほぼ等しければ、入射媒質（空気）と基材の間で見かけ上、屈折率が連続的に変化するため、結果として、光の反射が防止されることになる。突起の形状としては、円錐や角錐などの錐体以外にも、錐台形状や釣鐘形状の突起をマトリクス（アレイ）状に配列した２次元格子パターンや、厚み方向の断面形状が、三角形のような凸形の形状である１次元格子パターン（ラインパターン）など、様々なものが提案されている。
また、このような反射防止構造体は、光の波長依存性や入射角依存性が小さいため、従来の反射防止膜に比較して、優れた性能を発揮できる。
【０００４】
特開２００３−９０９０２号公報には、携帯電話機の液晶表示部等に用いる各種物品へ、反射防止機能を付与するための、反射防止用の微細凹凸が形成されてなる反射防止賦形フィルムが記載されている。
特開２００５−１５７１１９号公報には、可視光波長よりも短い周期の微細凹凸周期構造を備えたレンズが記載されている。
特開２００５−１７３４５７号公報には、微細な凸部の断面形状が所定の条件を満たすことにより、製造が容易で機械的強度に優れた、高い反射防止効果を有する光学素子が得られることが記載されている。
【特許文献１】特開２００３−９０９０２号公報
【特許文献２】特開２００５−１５７１１９号公報
【特許文献３】特開２００５−１７３４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術には、次のような問題点があった。
このような凹凸周期構造層においては、突起の周期に対して高さが大きくなるほど、屈折率が緩やかに変化するため、優れた反射防止性能が得られる。しかしながら、突起の高さが大きくなるほど、突起群を均一かつ精度よく形成することが困難になる。また、突起の高さが大きくなるほど尖鋭な形状となるため、機械的強度が低下して、破損や摩耗し易くなる。結果として、実質的に得られる形状は、先端が尖鋭ではなくなり、設計値通りの反射防止性能が得られなくなる。
【０００６】
これに対して、特開２００５−１７３４５７号公報などのように、突起の形状が円錐台や釣鐘形状であることを前提とした提案もあるが、錐体のような先端が尖鋭な形状に比較すると、反射防止性能の低下は避けられない。
【０００７】
他方、前述したように、入射媒質（空気）と基材の間で見かけ上、屈折率が連続的に変化するためには、凹凸周期構造層は、基材とほぼ等しい屈折率を有する必要がある。これに加えて、製造方法の面からの制約により、凹凸周期構造層として使用可能な材料は、非常に限られる。特に屈折率が２を超えるような高屈折率材料からなる基材に対して、光学特性および加工性の点で、凹凸周期構造層として使用可能な材料は、ほとんどないのが実状である。
【０００８】
そこで、本発明は、以上の問題点に着目してなされたものであり、第１の目的は、凹凸周期構造層の製造が容易で、機械的な圧力に対して有利な構造を有し、優れた反射防止性能を有している反射防止構造体を提供することにある。
また、第２の目的は、凹凸周期構造層として使用可能な材料の選択範囲が広く、様々な基材に対して反射防止機能を付与できる反射防止構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、使用する光に対して透過性を有する基材上に、該基材より屈折率が高い材料からなり、前記光の波長以下の周期で微細な突起群を有する凹凸周期構造層が形成されてなる反射防止構造体である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、基材の屈折率ｎ1および凹凸周期構造層の屈折率ｎ3が、１＜ｎ3／ｎ1≦１．２である反射防止構造体である。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、突起の高さＨと周期Ｐとの比が、１≦Ｈ／Ｐである反射防止構造体である。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１および３に記載の発明において、突起の、底面の周期方向長さＢと周期Ｐとの比が、０．８≦Ｂ／Ｐ≦１である反射防止構造体である。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、突起の、底面の周期方向長さＢと周期Ｐとの比が、Ｂ／Ｐ＝１である反射防止構造体である。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項１および３〜５に記載の発明において、突起の厚み方向の断面形状が、台形である反射防止構造体である。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、台形の上底Ｗと周期Ｐとの比が、Ｗ／Ｐ≦０．６である反射防止構造体である。
【発明の効果】
【００１６】
以上のような構成により本発明は、凹凸周期構造層の製造が容易で、機械的な圧力に対して有利な構造を有し、優れた反射防止性能を有している反射防止構造体を提供できる。本発明の反射防止構造体であれば、凹凸周期構造層の突起の形状が尖鋭でなくても、優れた反射防止性能を発揮できる。したがって、突起の寸法形状が同じであれば、従来型の反射防止構造体に比較して、より優れた反射防止性能が得られる。他方、目標とする反射率が同じであれば、従来型の反射防止構造体に比較して、突起の高さを小さくできるため、製造が容易となる。また、破損や摩耗し難くいので、優れた反射防止性能を安定して発揮できる。
さらに、本発明の反射防止構造体であれば、従来型の反射防止構造体に比較して、凹凸周期構造層として使用可能な材料の選択範囲が広がるため、様々な基材に対して、優れた反射防止機能を付与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の反射防止構造体の、厚み方向の断面模式図である。本発明の反射防止構造体は、使用する光に対して透過性を有する基材１の上に、凹凸周期構造層３が形成されている。
【００１８】
凹凸周期構造層３は、使用する光に対して透過性を有しており、基材１よりも高い屈折率を有する材料からなる。また、凹凸周期構造層３は、使用する光の波長以下の周期Ｐで配列した微細な突起群を備えている。前記突起は、先端に向かって先細りした形状であり、凹凸周期構造層３を形成する材料の体積占有率が、先端に向かって徐々に小さくなるものであればよい。例えば、円錐、角錐などの錐体や、円錐台、角錐台などの錐台形状、釣鐘形状、ドーム形状などの突起をマトリクス（アレイ）状に配列した２次元格子パターンが挙げられる。また、厚み方向の断面が、三角形、台形、円弧状のような凸形の形状である１次元格子パターン（ラインパターン）であってもよい。なお、２次元格子パターンにおける周期方向とは、隣り合う突起群のうち、最近接関係にある２つの突起の中心点を結んだ方向である。
１次元格子パターンは、２次元格子パターンに比較して、一般的に形状が単純であるため、容易に製造できる。ただし、１次元格子パターンは、光の波の振幅方向と突起の周期方向の関係に応じて、反射防止性能が変化する。突起の形状は、厳密に前述の形状である必要はなく、例えば、先端や縁が丸みを帯びた形状であってもよい。
従来型の反射防止構造体と同様に、突起の高さＨが大きい方が、凹凸周期構造層３内で屈折率が緩やかに変化するため、優れた反射防止性能が得られる。突起の底面の周期方向長さＢは、周期Ｐに近づくほど、屈折率が急激に変化する界面の面積が小さくなり、反射防止性能が向上するため好ましい。より好ましくは等しいことである。また、突起の先端は尖鋭であるよりも、頂部が多少平たい錐台のような形状である方が反射防止性能に優れる。
【００１９】
本発明の反射防止構造体が、優れた反射防止性能を発揮する原理については、必ずしも明らかではないが、本発明者らは、凹凸周期構造層自体の反射低減効果と光の干渉効果の複合効果によるものではないかと考えている。すなわち、光は、まず最上層の凹凸周期構造層に入射する。凹凸周期構造層自体の反射低減効果により、入射した光の大部分はそのまま通過するものの、わずかながら反射波を生じる。また、基材と凹凸周期構造層の屈折率が異なるため、基材と凹凸周期構造層の界面においても反射波を生じる。これらの反射波が干渉して打ち消し合うことにより、光の反射がさらに低減する。
以下、具体的な計算例を用いて、さらに詳細に説明する。
【００２０】
（計算例１）
屈折率ｎ1＝１．５の基材に、本発明の反射防止構造体を形成した場合について、反射率を計算した。
凹凸周期構造層の屈折率ｎ3は、ｎ1＜ｎ3とした。また、凹凸周期構造層は、周期Ｐ＝１８０ｎｍ（＝０．３×λ0）、高さＨ＝２７０ｎｍ、高さと周期の比Ｈ／Ｐ＝１．５、底面の周期方向長さＢ＝１８０ｎｍ、上底Ｗ、という円錐台形状の突起からなる２次元格子パターンとした。以下、底面の周期方向長さを下底と記す。なお、突起の上底Ｗは、平均反射率が最小になるように最適化した。
入射光の条件は、波長λ＝４２０〜７８０ｎｍ（中心波長λ0＝６００ｎｍ）、および入射角θ＝０°〜５０°とした。入射光の波長λは、可視光域に相当する。また、入射光を、ＴＥ偏光（電界成分が入射面に対して垂直な光）とＴＭ偏光（電界成分が入射面に対して平行な光）に分けて計算した。
【００２１】
図２に、平均反射率と、凹凸周期構造層と基材の屈折率比ｎ3／ｎ1、との関係を示した。ここで、平均反射率とは、入射光の波長λ＝４２０〜７８０ｎｍ、および入射角θ＝０°〜５０°における平均反射率を意味する。
また、図２には参考値として、ｎ3≦ｎ1の条件における計算結果を示した。
さらに、従来型の反射防止構造体の反射率もあわせて示した。ここで、従来型の反射防止構造体とは、凹凸周期構造層と基材の屈折率が等しい（ｎ1＝ｎ3）ものである。また、凹凸周期構造層は、Ｐ＝Ｂ＝１８０ｎｍ、Ｈ＝２７０ｎｍ、Ｈ／Ｐ＝１．５、という円錐台形状の突起からなる２次元格子パターンとした。突起の上底Ｗは、平均反射率が最小になるように最適化した。
【００２２】
図２から分かるように、本発明の反射防止構造体は、凹凸周期構造層と基材の屈折率比が、１＜ｎ3／ｎ1≦１．２の範囲であれば、従来型の反射防止構造体より反射率を低減できる。これに対して、参考値として示したように、ｎ3／ｎ1≦１の範囲では、本発明の反射防止構造体の従来型に対する優位性は失われる。基材の屈折率ｎ1が１．５である場合、凹凸周期構造層を形成する材料は、１．５＜ｎ3≦１．８となる範囲で選択できる。より好ましくは、凹凸周期構造層と基材の屈折率比が、１．０３≦ｎ3／ｎ1≦１．１の範囲であれば、従来型の反射防止構造体に比較して、より反射率を低減できる。
【００２３】
本発明の反射防止構造体において、凹凸周期構造層の突起の形状は、反射防止性能に大きく影響する。
図３には、突起の高さと周期の比Ｈ／Ｐが変化した場合の、平均反射率と入射光の入射角θとの関係を示した。本発明の反射防止構造体は、Ｈ／Ｐが大きくなるほど、優れた反射防止性能が得られる。
また、図３から分かるように、１≦Ｈ／Ｐであれば、θ＝０°〜５０°の全域に亘って、本発明の反射防止構造体は、従来型の反射防止構造体よりも反射防止性能に優れる。したがって、目標とする反射率が同じであれば、従来型の反射防止構造体よりも突起の高さＨを小さくできるため、凹凸周期構造層の製造が容易となり、機械的強度が向上する。
【００２４】
図４には、平均反射率と、突起の下底と周期の比Ｂ／Ｐ、との関係を示した。ここで、突起の上底Ｗについては、適宜最適化した。
図４から分かるように、Ｂ／Ｐが増大するとともに、平均反射率は減少する傾向にあり、Ｂ／Ｐ＝１のときに、平均反射率は最も小さくなる。これは、突起の下底Ｂが周期Ｐに近づくほど、屈折率が急激に変化する界面の面積が小さくなることによる。平均反射率を１％以下にすることを目標とするならば、突起の下底と周期の比Ｂ／Ｐは、０．８≦Ｂ／Ｐ≦１の範囲であればよい。
【００２５】
図５には、平均反射率と、突起の上底と周期の比Ｗ／Ｐ、との関係を示した。ここで、突起の下底と周期の比Ｂ／Ｐは、Ｂ／Ｐ＝１に固定した。
図５から分かるように、Ｗ／Ｐ＝０．３〜０．４の範囲において、平均反射率は最も小さくなる。これは、突起の先端が尖鋭でなく、多少平たい形状である方が反射防止性能に優れることを意味している。平均反射率を１％以下にすることを目標とするならば、突起の上底と周期の比Ｗ／Ｐは、Ｗ／Ｐ≦０．６の範囲であればよい。
【００２６】
（計算例２）
計算例１において、基材の屈折率ｎ1を、ｎ1＝１．８としたこと以外は、計算例１と同様にして計算した。このような高い屈折率を有する基材は、カメラのレンズなどに好適に用いられている。
図６に、平均反射率と、凹凸周期構造層と基材の屈折率比ｎ3／ｎ1、との関係を示した。また、図６には参考値として、ｎ3≦ｎ1の条件における計算結果を示した。さらに、従来型の反射防止構造体の反射率もあわせて示した。
【００２７】
本発明の反射防止構造体は、基材の屈折率が高い場合にも、凹凸周期構造層と基材の屈折率比が１＜ｎ3／ｎ1≦１．２の範囲であれば、従来型の反射防止構造体より反射率を低減できる。基材の屈折率ｎ1が１．８である場合、凹凸周期構造層を形成する材料は、１．８＜ｎ3≦２．１６となる範囲で選択できる。より好ましくは、凹凸周期構造層と基材の屈折率比が、１．０３≦ｎ3／ｎ1≦１．０８の範囲であれば、従来型の反射防止構造体に比較して、より反射率を低減できる。
【００２８】
以下、本発明の反射防止構造体の製造方法について説明する。
本発明の反射防止構造体は、基材の上に、凹凸周期構造層を形成する。
【００２９】
基材としては、使用する光に対して透過性を有するものであればよく、ガラス、無機結晶材料、樹脂などの各種光学材料が挙げられる。ガラスとしては、ソーダライムガラス、石英ガラス、ＢＫ７のような光学ガラスを例示できる。
【００３０】
凹凸周期構造層を形成する材料としては、使用する光に対して透過性を有していればよく、非晶質材料、無機結晶材料、樹脂などを使用することができる。また、本発明の反射防止構造体においては、凹凸周期構造層を形成する材料は、基材よりも高い屈折率を有している必要がある。例えば、前述の１．５前後の屈折率を有する基材に対しては、凹凸周期構造層の材料として、アルミナ（ｎd＝１．７７）などを使用することができる。
【００３１】
凹凸周期構造層の形成方法としては、最初に、基材の上に、凹凸周期構造層として使用可能な材料からなる、均一な膜厚の平坦層を形成する。前記平坦層を形成する手段としては、公知の技術を用いて行えばよく、例えば、蒸着法やスパッタリング法などの真空成膜法を利用できる。
【００３２】
つづいて、前記平坦層に凹凸周期構造を形成する。凹凸周期構造を形成する手段としては、突起群を精度よく形成できる方法であれば、特に制限なく用い得る。具体的な手段としては、ドライエッチング工程を含むフォトリソグラフィ法や、プレス転写法などが挙げられる。
【００３３】
フォトリソグラフィ法では、凹凸周期構造層を形成する材料からなる平坦層の上に、フォトレジストをコーティングした後、露光、現像して、レジストパターンを形成する。つづいて、ドライエッチングした後、レジストパターンを除去して、凹凸周期構造を形成する。ここで、下地層である基材よりエッチングレートが大きい材料を、凹凸周期構造層の材料として用いれば、凹凸周期構造層のオーバーエッチングを効果的に防止できる。これにより、エッチング量の制御が容易になり、当初の設計通りの寸法形状を有する凹凸周期構造層が得られる。
【００３４】
プレス転写法としては、具体的には、ナノインプリント法を挙げられる。ナノインプリント法は、基材上に塗布した被成形材料にスタンパまたはモールドと呼ばれる型を押し当てて、形状パターンを転写するものであり、熱硬化方式とＵＶ硬化方式がある。熱硬化方式では、基材上に形成した被成形材料を、ガラス転移点以上に加熱して、軟化させた状態で型を押し付けて、冷却した後、離型する。これに対して、ＵＶ硬化方式では、基材上に液状の被成形材料を塗布し、金型を押し当てた状態で紫外線を照射して、被成形材料を硬化させた後、離型する。
ナノインプリント法であれば、ナノオーダーのパターン形状を精度よく形成できる。また、フォトリソグラフィ法に比較して、多種多様なパターン形状を形成できる。さらには、量産性に非常に優れるため、製造コストを大幅に低減できる。
ナノインプリント法により製造可能な材料としては、フッ素化した熱可塑性樹脂、ポリカーボネイトのような高分子材料、ゾルゲル膜や低融点ガラスのような無機材料などが挙げられる。
【００３５】
なお、本発明における凹凸周期構造層の形成方法は、前述した方法に限定されるものではない。例えば、転写フィルムを用いる方法などによっても形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の反射防止構造体の、厚み方向の断面模式図である。
【図２】本発明の反射防止構造体について、平均反射率と、凹凸周期構造層と基材の屈折率比ｎ3／ｎ1、との関係を表す図である。
【図３】本発明および従来型の反射防止構造体について、平均反射率と入射光の入射角θとの関係を表す図である。
【図４】本発明の反射防止構造体について、平均反射率と、突起の下底と凹凸の周期の比Ｂ／Ｐ、との関係を表す図である。
【図５】本発明の反射防止構造体について、平均反射率と、突起の上底と周期の比Ｗ／Ｐ、との関係を表す図である。
【図６】本発明の反射防止構造体について、平均反射率と、凹凸周期構造層と基材の屈折率比ｎ3／ｎ1、との関係を表す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１：基材
３：凹凸周期構造層
Ｐ：突起の周期
Ｈ：突起の高さ
Ｂ：突起の底面の周期方向長さ（下底）
Ｗ：突起の上底
【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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