(57)【要約】【課題】本発明の目的は、基板の表面全体に有効領域を形成でき、従来のフォトニック結晶の製造方法に比べ、要求に応じた寸法や凹凸の方向に対する角度で、所望個数の偏光子を安価に得ることが可能な偏光子の製造方法を提供することにある。【解決手段】透光無機材料からなる第１基材の表面全体にわたって所定のゾル液を塗布し、所定の塗膜を形成する工程と、前記第１基材の塗膜に原型を押し当てた状態で加熱保持して前記塗膜を硬化させて、前記塗膜に特定方向の周期的な凹凸形状が付与された表面を形成する工程と、前記塗膜上に、高屈折率透光材料の第１層と低屈折透光材料の第２層からなる１ユニットの複層膜を、多数ユニット積層して多層構造体を形成し、全面が有効領域となる400mm2以上の大面積の偏光子原板を得る工程とを具えることを特徴とするハイブリッド偏光子を提供する。【選択図】図１
2008209484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光無機材料からなる第１基材の表面全体にわたって所定のゾル液を塗布し、所定の塗膜を形成する工程と、
前記第１基材の塗膜に原型を押し当てた状態で加熱保持して前記塗膜を硬化させて、前記塗膜に特定方向に周期的な凹凸形状が付与された表面を形成する工程と、
前記塗膜上に、高屈折率透光材料の第１層と低屈折透光材料の第２層からなる１ユニットの複層膜を、多数ユニット積層して多層構造体を形成し、全面が有効領域となる400m
m2以上の大面積の偏光子原板を得る工程とを具えることを特徴とする偏光子の製造方法。
【請求項２】
さらに、前記偏光子原板から、要求に応じた寸法や前記特定方向に対する角度で、所望個数の偏光子を切り出す工程とを具えることを特徴とする請求項１記載の偏光子の製造方法。
【請求項３】
前記塗膜は、Si(OC2H5)4、Si(OCH3)4およびSiCl4で表される少なくとも１種の化合物と酸水溶液とポリエチレングリコールとで主として構成されるゾル液を用いて形成することを特徴とする請求項１または２記載の偏光子の製造方法。
【請求項４】
前記塗膜は、RSi(OC2H5)3、RSi(OCH3)3およびRSiCl3（Rは官能基）で表される少なくとも１種の化合物と酸水溶液とで主として構成されるゾル液を用いて形成することを特徴とする請求項１または２記載の偏光子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、液晶プロジェクタ、液晶表示装置等の偏光を利用した光学機器に用いられ、入射光のある特定方向の直線偏波成分のみを透過させる機能を有する多層構造体である偏光子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
偏光子は、複数の偏光を含む光から特定方向の直線偏光を取り出すための光学素子であり、各種の構成、形態のものが広く利用されている。特に、液晶表示技術の分野では、小型化、軽量化、高輝度化等の技術革新が進み、各種用途に偏光子を用いた液晶表示装置が急速に普及している。
【０００３】
その中でも近年、超小型の光導回路として、あるいはレーザーやセンサーの基板材料といった発光デバイスの高性能化を実現する素材として、フォトニック結晶が注目を集めている。フォトニック結晶は、基板表面に微細な凹凸構造を形成しておき、その上に高屈折率の材料及び低屈折率材料を周期的に配置させることにより、周期的な屈折率分布を有するナノ構造デバイスである。前記周期構造によって、フォトニックバンドギャップと呼ばれる人為的な欠陥を形成することができ、空孔径や前記材料の配列の周期性を変えることにより光伝搬の特性も制御することが可能となるため、光通信や光情報処理などの分野で数多くの応用が期待される偏光子である。
【０００４】
前記基板表面に周期的凹凸構造を形成する方法としては、例えば、特許文献１に示すように、エッチングにより基板に凹部を形成する方法がある。ガラスやシリコンの基板においては、その表面にフォトリソグラフィ技術により、周期パターンをもつマスクを形成し、このマスクを介してイオンビームエッチング等の気相エッチングにより凹部を形成する方法である。
【０００５】
しかし、特許文献１の方法では、周期構造部分が薄膜の成膜のみで形成されるのに対して、基板加工にフォトリソグラフィとエッチングを必要とする一品製作品であるため、基板作製に要するコスト及び時間が大きくなるという問題があった。
【０００６】
上記問題を解決する方法として、例えば特許文献２に記載されているように、基板表面に所定のゾル液を塗布し、前記ゾル液が変化したゲル膜に、凹凸形状を有する原型を押し当てて、ゲル膜を加熱・硬化させることにより、凹凸構造を有した基板を形成する偏光子の製造方法がある。
【０００７】
特許文献２の方法は、同一形状の表面凹凸形状をもつ偏光子を量産できる点では有効な手段であるものの、製品のモデルチェンジなどによりクライアントから要求される偏光子のサイズや周期的な凹凸形状の方向などの設計変更が生じた場合に、前記原型を新たに作製しなければならず、日々変化していくニーズへの対応性においては、改良が必要であった。また、特許文献２の方法は、表面の微細な凹凸構造の形成を前記基板１個ごとに作製する必要があり、加えて、前記基板の表面全体に凹凸を形成するのは、原型を押し当てる方法では困難であるため、基板の端部には表面凹凸が形成されない非有効領域が存在することになり、係る非有効領域の存在が、偏光子の設置位置がずれる場合等、所望の偏光子機能が得られないという問題を引き起こしていた。
【特許文献１】特開２００１−２２８３３２号公報
【特許文献２】特開２００５−１８１９７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、基板の表面全体に有効領域を形成でき、従来のフォトニック結晶の製造方法に比べ、要求に応じた寸法や凹凸の方向に対する角度で、所望個数の偏光子を安価に得ることが可能な偏光子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）透光無機材料からなる第１基材の表面全体にわたって所定のゾル液を塗布し、所定の塗膜を形成する工程と、前記第１基材の塗膜に原型を押し当てた状態で加熱保持して前記塗膜を硬化させて、前記塗膜に特定方向の周期的な凹凸形状が付与された表面を形成する工程と、前記塗膜上に、高屈折率透光材料の第１層と低屈折透光材料の第２層からなる１ユニットの複層膜を、多数ユニット積層して多層構造体を形成し、全面が有効領域となる400mm2以上の大面積の偏光子原板を得る工程とを具えることを特徴とする偏光子の製造方法。
【００１０】
（２）さらに、前記偏光子原板から、要求に応じた寸法や前記特定方向に対する角度で、所望個数の偏光子を切り出す工程とを具えることを特徴とする上記（１）記載の偏光子の製造方法。
【００１１】
（３）前記塗膜は、Si(OC2H5)4、Si(OCH3)4およびSiCl4で表される少なくとも１種の化合物と酸水溶液とポリエチレングリコールとで主として構成されるゾル液を用いて形成することを特徴とする上記（１）または（２）記載の偏光子の製造方法。
【００１２】
（４）前記塗膜は、RSi(OC2H5)3、RSi(OCH3)3およびRSiCl3（Rは官能基）で表される少なくとも１種の化合物と酸水溶液とで主として構成されるゾル液を用いて形成してなることを特徴とする上記（１）または（２）記載の偏光子の製造方法。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、透光無機材料からなる第１基材の表面全体にわたって所定のゾル液を塗布し、所定の塗膜を形成する工程と、前記第１基材の塗膜に原型を押し当てた状態で加熱保持して前記塗膜を硬化させて、前記塗膜に特定方向の周期的な凹凸形状が付与された表面を形成する工程と、前記塗膜上に、高屈折率透光材料の第１層と低屈折透光材料の第２層からなる１ユニットの複層膜を、多数ユニット積層して多層構造体を形成し、全面が有効領域となる400mm2以上の大面積の偏光子原板を得る工程とを具えることで、該偏光子原版から種々の偏光子を自由に切り出すことが可能となるため、従来のフォトニック結晶の製造方法に比べ、要求に応じた寸法や凹凸の方向に対する角度で、所望個数の偏光子を安価に得ることが可能となり、また、偏光子原板から、基板の端部に存在している非有効領域を含まないように偏光子を切り出すことができるため、基板の表面全体に有効領域を形成した偏光子の製造方法を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、この発明に従う偏光子の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
この発明の製造方法は、いわゆるフォトニック結晶タイプ偏光子の製造方法である。前記フォトニック結晶タイプの偏光子は、表面の少なくとも一方向に周期的な凹凸を有する基板上に、高屈折率透光材料の第１層と低屈折率透光材料の第２層からなる１ユニットの複層膜を、多数ユニット積層して第１多層構造体を形成してなる偏光子である。
【００１６】
本発明者らは、従来のフォトニック結晶の製造方法では、基板の作製にリソグラフィ技術やエッチング技術という高度な技術を必要とする一品製作品であるため、偏光子の製造コストが高くなること、またゾルゲル技術を用いて基板を作製する製造方法では、大量に同一形状の偏光子を作製することはできるものの、モデルチェンジ等により偏光子のサイズや凹凸の方向が変わった場合に対応することができないこと、加えて、前記基板の表面全体に凹凸を形成するのは困難であるため、基板の端部には表面凹凸が形成されない非有効領域が存在することに着目し、要求に応じた寸法や凹凸の方向に対する角度で、所望個数の偏光子を安価に得ることができ、しかも全面が有効領域となる偏光子の製造方法について鋭意研究を行った。
その結果、透光無機材料からなる第１基材の表面全体にわたって所定のゾル液を塗布し、所定の塗膜を形成する工程と、前記第１基材の塗膜に原型を押し当てた状態で加熱保持して前記塗膜を硬化させて、前記塗膜に特定方向の周期的な凹凸形状が付与された表面を形成する工程と、前記塗膜上に、高屈折率透光材料の第１層と低屈折透光材料の第２層からなる１ユニットの複層膜を、多数ユニット積層して多層構造体を形成し、全面が有効領域となる400mm2以上の大面積の偏光子原板から要求に応じた寸法及び凹凸方向に対する角度を有した所望個数の偏光子を切り出すことが可能となること、大面積の偏光子原板から基板の端部に存在している非有効領域を含まないよう偏光子を切り出すことができること、さらに、基板作製はゾルゲル法を用いることで安価に偏光子を製造できることを見出した。
【００１７】
図１は、本発明による偏光子の製造方法の工程を説明するためのフローチャートである。
本発明の具体的な製造方法は、図１に示すように、透光無機材料からなる第１基材１１（図１(ａ)）に、所定のゾル液を塗布し、所定の塗膜１２を形成する（図１(ｂ)）工程と、原型１３を押し当てた状態（図１(ｃ)）で、40〜200℃程度で加熱保持して塗膜１４を硬化させて、特定方向に周期的な凹凸形状が付与された表面１５を形成する（図１(ｄ)）工程と、前記塗膜１４上に、高屈折率透光材料の第１層１６と低屈折透光材料の第２層１７からなる１ユニットの複層膜１８を、多数ユニット積層して多層構造体１９を形成し、全面が有効領域となる400mm2以上の大面積の偏光子原板２０を形成する（図１(ｅ)）工程とを具えることを特徴とする偏光子の製造方法である。
【００１８】
なお、前記無機偏光子の基材１１としては、結晶質材料、非晶質材料または結晶化ガラス材料からなることが好ましい。前記結晶質材料としては、例えば、シリコンが挙げられ、前記非晶質材料としては、例えば、石英ガラス、ソーダライムガラスもしくはボロシリケートガラスが挙げられ、前記結晶化ガラス材料としては、例えば、β−石英固溶体結晶もしくはβ−ユークリプタイト固溶体を主たる成分として含む結晶化ガラス材料が挙げられる。
【００１９】
また、前記塗膜は、Si(OC2H5)4、Si(OCH3)4およびSiCl4で表される少なくとも１種の化合物と酸水溶液とポリエチレングリコールとで主として構成されるゾル液を用いて形成することが好ましい。さらに、ゾル溶液中には、ポリエチレングリコールを5〜20質量％含有させることが好ましい。5質量％未満であると膜硬度が高すぎて成形できない恐れがあり、20質量％超えではゾル液が硬化しにくくなる恐れがあるためである。また、ポリエチレングリコールの分子量は400〜2000であることが好ましい。分子量が400未満であると膜硬度が高すぎて成形できない恐れがあり、2000超えではゾル液が硬化しにくくなる恐れがあるためである。また、ゾル液中にはアルコールを含有させることが好ましい。アルコールは、エタノール、メタノール及びイソプロピルアルコールの群から選択された液を主として含むことが成形時のゲル膜中にアルコールが残留し過ぎて気泡欠陥など発生しないために好ましい。ゾル溶液中のアルコール含有量は10〜40質量部であることが好ましい。10質量部未満であるとゾル液の均一攪拌が困難となり、40質量部超えであると表面被覆層の十分な塗布膜厚が得られない恐れがあるためである。
【００２０】
また、前記凹凸形状が付与された表面１５は、例えば、図２に示すように、台形状（図２(ａ)）または三角形状（図２(ｂ)）などが挙げられるが、特に限定はなく、前記原型１３の形によって決められる。なお、凹凸の配設ピッチＷは、通常、175〜300nmの範囲である。また、前記原型１３は、石英、ボロシリケートまたはシリコン等からなる基板上にレジストを塗布し、電子線描画またはリソグラフィ技術を用いてパターニングした後に、ドライエッチング技術等を用いて表面形状を転写することにより作製することができる。
【００２１】
なお、本発明において、特定方向に周期的な凹凸形状が付与された表面１５は、400mm2以上の面積を有する。周期的な凹凸形状は、前記ゾル液１２を塗布後、400mm2以上の大面積を有す原型１３、または25〜300mm2の面積の小さな原型１３を角度ズレが1°未満、位置ズレが0.5mm未満となるように留意して、400mm2以上の面積を有するように配列させたもののいずれかを押し当て加熱保持することで凹凸形状を転写成形することができる。角度ズレ及び位置ズレに留意する理由としては、１°以上の角度ズレが発生するとダイサー切断時に素子間で外形に対して溝の角度ズレが1°以上発生し、実装時の調整が困難になるためであり、0.5mm以上の位置ズレが発生すると、ダイサーの切断ステージの角度出しを行う際に角度ズレを与える要因になり、切断品の外周に非有効領域が存在する可能性があるためである。また、面精度（平坦度）が悪いと転写ムラが発生しやすくなるため、大面積の転写を実現するためには、転写時の面精度を10μm以内とすることが好ましく、ゾル液の塗布厚みがある場合には転写後の膜厚分布を発生しやすいためゾル液の塗布厚み分布を1μm以内とし、面内の圧力分布が大きい場合には転写ムラが発生しやすいため面内の圧力分布は、±10％以内とすることが好ましい。さらに、温度分布が存在する場合には、硬化不良が生じやすいため転写時の温度分布は±20％とすることが好ましい。
【００２２】
また、前記無機偏光子の第１層１６に用いられる高屈折率透光材料は、例えば、Nb2O5、TiO2、Ta2O5、Al2O5、HfO2またはこれらの合成材料が挙げられ、前記第２層１７に用いられる低屈折率透光材料は、SiO2、MgF2またはこれらの合成材料等が挙げられる。前記材料を用いれば、十分な耐熱性を確保でき、光学的な損失の少ない偏光子を、低コストで作製することができる点で好ましい。
【００２３】
また、前記複層膜１８は、市販の成膜装置を用い、塗膜上に前記高屈折材料もしくは低屈折材料のスパッタリング、ならびにエッチングによる成形を交互に施し、特定の一方向に周期的な凹凸、または波型の形状を保持した第１層１６及び第２層１７を交互に積層することにより形成することができる。
【００２４】
さらに本発明による偏光子の製造方法は、前記偏光子原版２０から、要求に応じた寸法や前記特定方向に対する角度で、所望個数の偏光子を切り出す工程（図１(ｆ)）を有することが好ましい。偏光子原版２０の面積を400mm2以上と大面積にすることで、図３に示すように大面積の偏光子原板２０から偏光子２１〜２４を必要な個数切り出すことが可能となり、また、表面の凹凸の方向や大きさが異なる偏光子２５を切り出すことも可能となる。さらにまた、多層構造体の全てが偏光子としての有効領域であるため、従来の製造方法において発生していた、切り出しの際の切断位置ズレが原因の寸法不良を防止することができる。
【００２５】
前記偏光子の切り出しは、ダイシングソーまたはスライサー等を用いて切断することが、正確な切断寸法をとることができる点で好ましい。また、前記偏光子を切り出す際の表面には、レジスト等の保護フィルムを貼ることが、表面の汚れを防止できる点で好ましい。さらにまた、切断後の偏光子は、製品として使用できるように、端部及び角の面取りを行うことが好ましい。
【００２６】
なお、本発明では、特定の色光を生成するための手段（図示せず）と、上記した本発明の製造方法により製造した偏光子とを具える直線偏光生成装置（図示せず）を製造することが可能である。特定の色光を生成するための手段とは、例えば、色光が青色の場合は、水銀ランプと特定のフィルタとで構成すればよい。直線偏光生成装置は、直線偏光を作り出す装置であれば特に限定するものではなく、例えば、プロジェクタや液晶テレビ等が挙げられる。
【００２７】
なお、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
【実施例】
【００２８】
次に、本発明に従う偏光子を試作し、評価したので以下に説明する。
（実施例）
実施例は、まず原型をガラス基板上にレジストを塗布し、EB描画で200nmの周期の凹凸パターン転写を施すことにより、75mm×75mmのサイズの原型を作製した。原型作製後、ガラスからなる第１基材上に、テトラエトキシシラン、ポリエチレングリコール、エタノール、酸水溶液を主原料とするゾルゲル液を塗布し、原型を押し当てることで凹凸形状を転写成形して塗膜を形成した。その後、作製した基板を300℃で焼成後、成膜装置を用いて、高屈折透光材料（屈折率2.22）であるTa2O5からなる第１層と、低屈折透光材料（屈折率1.48）であるSiO2からなる第２層とを、スパッタ及びイオンエッチングを施すことにより交互に施すことにより、サイズ75mm×75mmの偏光子原版を形成した。得られた多層構造体をワックスでガラス板に貼り付け、ダイサーを用いてサイズ20mm×24mmの偏光子9枚を図４に示すうに、Ｘ軸及びＹ軸に沿った方向で切断し、切り出した。なお、図４は模式図であるため、偏光子の非有効領域の記載はしていない。
【００２９】
（比較例）
比較例は、特許文献２の方法により、まず原型を石英基板上にレジストを塗布し、EB描画で200nmの周期の凹凸パターン転写を施すことにより、20mm×24mmのサイズの原型を作製した。原型作製後、ガラスからなる第１基材上に、テトラエトキシシラン、ポリエチレングリコール、エタノール、酸水溶液を主原料とするゾルゲル液を塗布し、原型を押し当てることで凹凸形状を転写成形して塗膜を形成した。その後、作製した基板を350℃で焼成後、成膜装置を用いて、高屈折透光材料（屈折率2.22）であるTa2O5からなる第１層と、低屈折透光材料（屈折率1.48）であるSiO2からなる第２層とを、スパッタ及びイオンエッチングを施すことにより交互に施すことにより、サイズ20mm×24mmの偏光子を作製した。
【００３０】
上記実施例及び比較例で作製した各偏光子について各種試験を行った。本実施例で行った試験の評価方法を以下に示す。
【００３１】
（評価方法）
（１）量産性
実施例及び比較例で作製した偏光子の、量産性について、以下の評価基準に従って評価した。評価結果を表１に示す。
○：１つの多層構造体から２以上の偏光子を作製できる。
×：１つの多層構造体から２以上の偏光子を作製できない。
【００３２】
（２）偏光子有効領域
実施例及び比較例で作製した偏光子の偏光子有効領域を計測した。具体的には、分光光度計に光束径を1mmφに絞った状態で偏光子の面内を走査しながら、TM透過率とTE透過率の透過率差を測定し、TE透過率とTE透過率の透過率比をdB換算することで偏光特性を評価し、偏光特性が20dB以上である部分を有効領域、偏光特性が20dB未満である部分を非有効領域とした。なお、実施例については、得られた９つの偏光子の有効領域についての平均値とした。結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
2008209484.tif 000003
【００３４】
表１の結果から、実施例は比較例に比べ、量産性を有しており、偏光子の有効領域についても優れていることがわかる。また、作製した偏光子原板は、75mm×75mmの面積を有しているため、要求に応じた寸法及び凹凸の方向に対する角度で切り出すことが可能であり、要求に対する対応性を有していることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、透光無機材料からなる第１基材の表面全体にわたって所定のゾル液を塗布し、所定の塗膜を形成する工程と、前記第１基材の塗膜に原型を押し当てた状態で加熱保持して前記塗膜を硬化させて、前記塗膜に特定方向の周期的な凹凸形状が付与された表面を形成する工程と、前記塗膜上に、高屈折率透光材料の第１層と低屈折透光材料の第２層からなる１ユニットの複層膜を、多数ユニット積層して多層構造体を形成し、全面が有効領域となる400mm2以上の大面積の偏光子原板を得る工程とを具えることで、基板の表面全体に有効領域を形成でき、従来のフォトニック結晶の製造方法に比べ、要求に応じた寸法や凹凸の方向に対する角度で、所望個数の偏光子を安価に得ることができる偏光子の製造方法を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による偏光子の製造工程を説明するためのフローチャートである。
【図２】本発明による基板及び原型の実施形態を示す断面模式図である。
【図３】本発明による方法で製造した大面積の偏光子から、種々の形態で偏光子を切り出し可能であることを示す図である。
【図４】実施例において、大面積の偏光子原板から所定の偏光子を切り出す時の切断箇所を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１１      第１基材
１２      ゾル液
１３      原型
１４      ゲル層
１５      塗膜
１６      第１層
１７      第２層
１８      複層膜
１９      多層構造体
２０      偏光子原板
２１〜２５      偏光子
Ｗ        凹凸の配設ピッチ
【図１】
2008209484.tif 000004
【図２】
2008209484.tif 000005
【図３】
2008209484.tif 000006
【図４】
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