(57)【要約】【課題】耐久性に優れ、広帯域の波長領域において、波長分散性が少なくかつ高偏光度のワイヤグリッド型偏光子を提供すること。【解決手段】本発明のワイヤグリッド型偏光子は、主面を有する基材１と、前記主面上に所定の間隔をおいて格子状に形成され、少なくとも一部が基材１中に埋設されている複数の金属ワイヤ２と、を具備することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面を有する基材と、前記主面上に所定の間隔をおいて格子状に形成され、少なくとも一部が基材中に埋設されている複数の金属ワイヤと、を具備することを特徴とするワイヤグリッド型偏光子。
【請求項２】
前記金属ワイヤは、横断面において多角形状を示す多角形部を有した多角柱であり、前記多角形部が前記基材中に埋設されていることを特徴とする請求項１記載のワイヤグリッド型偏光子。
【請求項３】
前記多角柱が五角柱であり、前記多角形部が横断面において三角形状を示すことを特徴とする請求項２記載のワイヤグリッド型偏光子。
【請求項４】
前記多角形部の横断面における頂角が２０度から６０度であることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のワイヤグリッド型偏光子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤグリッド型偏光子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年のフォトリソグラフィー技術の発達により、光の波長レベルのピッチを有する微細構造パターンを形成することができるようになってきた。この様に非常に小さいピッチのパターンを有する部材や製品は、半導体分野だけでなく、光学分野において利用範囲が広く有用である（非特許文献１）。
【０００３】
例えば、金属などで構成された導電体線が特定のピッチで格子状に配列してなるワイヤグリッドは、そのピッチが入射光（例えば、可視光の波長４００ｎｍから８００ｎｍ）に比べてかなり小さいピッチ（例えば、２分の１以下）であれば、導電体線に対して平行に振動する電場ベクトル成分の光をほとんど反射し、導電体線に対して垂直な電場ベクトル成分の光をほとんど透過させるため、単一偏光を作り出す偏光板として使用できる。ワイヤグリッド型偏光子は、透過しない光を反射し再利用することができるので、光の有効利用の観点からも望ましいものである。
【０００４】
このようなワイヤグリッド型偏光子としては、例えば、特許文献１に開示されているものがある。このワイヤグリッド偏光子は、入射光の波長より小さいグリッド周期で間隔が置かれた金属ワイヤを備えている。
【０００５】
このようなワイヤグリッド型偏光子において、金属ワイヤ形状と光学形状との関係が示されており、金属ワイヤ断面積が増加すると、消光比が増加すること、さらに、周期幅に対する所定の幅以上の金属ワイヤでは透過率が減少することがわかっている（特許文献２）。また、金属ワイヤの長手方向に直行する断面形状がテーパ形状であると、広い広帯域において透過率、偏光度の波長分散性が少なく、高消光比特性を示すことがわかっている（特許文献３）。
【非特許文献１】日本女子大学紀要  理学部  第１４号（２００６）
【特許文献１】特開２００２−３２８２３４号公報
【特許文献２】特表２００３−５０８８１３号公報
【特許文献３】特開２００５−１７２８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に示されたように金属ワイヤ高さで偏光度を上げるためには、金属ワイヤ断面に上限があることから細長い断面の金属ワイヤになり、金属ワイヤの自立性、強度保持の観点から実用性に乏しい問題があった。さらに本発明者の検討により、矩形形状では広帯域における透過率の波長分散性が大きいことがわかっている。
【０００７】
さらに特許文献３に示されるようなテーパ形状になると、金属ワイヤ断面積を保持し偏光度を上げるためには、矩形形状に比べさらに金属ワイヤ高さが必要となり、金属ワイヤの強度耐久性の点で劣る問題があった。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、耐久性に優れ、広帯域の波長領域において、波長分散性が少なくかつ高偏光度のワイヤグリッド型偏光子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のワイヤグリッド型偏光子は、主面を有する基材と、前記主面上に所定の間隔をおいて格子状に形成され、少なくとも一部が基材中に埋設されている複数の金属ワイヤと、を具備することを特徴とする。
【００１０】
本発明のワイヤグリッド型偏光子においては、前記金属ワイヤは、横断面において多角形状を示す多角形部を有した多角柱であり、前記多角形部が前記基材中に埋設されていることが好ましい。
【００１１】
本発明のワイヤグリッド型偏光子においては、前記多角柱が五角柱であり、前記多角形部が横断面において三角形状を示すことが好ましい。
【００１２】
本発明のワイヤグリッド型偏光子においては、前記多角形部の横断面における頂角が２０度から６０度であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のワイヤグリッド型偏光子は、主面を有する基材と、前記主面上に所定の間隔をおいて格子状に形成され、少なくとも一部が基材中に埋設されている複数の金属ワイヤと、を具備するので、強度耐久性に優れ、広帯域の波長領域において、波長分散性が少なくかつ高偏光度であり、液晶表示装置のような表示装置に配設した場合に十分な色再現性と黒表示を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態にかかるワイヤグリッド型偏光子の一部を示す断面斜視図である。図１に示すワイヤグリッド型偏光子は、基材１上に所定の間隔で設けられた格子状の金属ワイヤ２を有する。金属ワイヤ２は、図２に示すように、横断面において矩形状を示す矩形部２ｃと、横断面において多角形状を示す多角形部２ａ−１とを有した多角柱である。本実施の形態においては、多角柱が五角柱であり、多角形部２ａ−１が横断面において三角形状を示す場合について説明するが、これに限定されず、多角柱が五角柱以外の多角形柱であっても良く、多角形部２ａ−１が横断面において三角形状以外の多角形状を示しても良い。また、ここでは、多角柱の多角形部２ａ−１以外の部分が矩形部２ｃである場合について説明しているが、本発明においては、これに限定されず、多角柱の多角形部２ａ−１以外の部分が横断面において矩形でない形状であっても良い。また、図２において、矩形部２ｃは、頂点ｅ２，ｅ３，ｅ４，ｅ５及び辺ｈ２，ｈ３，ｈ４，ｗ１（仮想線）で示され、多角形部２ａ−１は、頂点ｅ１，ｅ２，ｅ５及び辺ｈ１，ｈ５，ｗ１（仮想線）で示されている。
【００１５】
また、図１に示すように、金属ワイヤ２は、基材１に埋め込まれている領域２ａと基材１から露出している領域２ｂとを有する。領域２ａは、さらに向かい合った側部の一部に斜面部を有している領域２ａ−１と、矩形部２ｃの一部で領域２ｂに連続する領域２ａ−２とで構成されており、これら領域は同一の材料で構成されている。なお、ワイヤグリッド型偏光子の形態はフィルム状でも良く、板状体でも良い。
【００１６】
このように、本発明の金属ワイヤ２は、少なくとも金属ワイヤ２の一部が基材１中に埋設されており、金属ワイヤ２の横断面において、外側に凸型のｎ角形（ただし、ｎ≧４の整数：ここではｎ＝５）となるように構成された多角柱であって、該横断面において、多角形部２ａ−１は少なくとも隣り合う略同じ長さの２辺ｈ１、ｈｎ（ここではｈ５）を有している。また、矩形部２ｃの多角形部２ａ−１と連接しない頂点ｅ３〜ｅｎ−１（ここではｅ４）の頂点の何れもが、該辺ｈ１、ｈｎの交点（多角形部２ａ−１の頂点：ｅ１）と、矩形部２ｃの多角形部２ａ−１と連接する２つの頂点（ｅ２、ｅｎ（ここではｅ５））を結んだ仮想線ｗ１の中間点とを通過する中心線が、頂点ｅ２及び頂点ｅｎをそれぞれ通過し、中心線と平行な２本の線の間に位置する。そして、辺ｈ１、ｈｎ、仮想線ｗ１で囲まれた多角形部２ａ−１を断面形状とする多角柱の部分が基材１中に埋設されている。
【００１７】
本発明において、多角形の角形数ｎは、４以上であれば良いが、４又は５であることが好ましく、５であることがより好ましい。また、多角形部２ａ−１の頂角（図２におけるθ）は、透過率や金属ワイヤの耐久性を考慮すると、２０度から６０度の範囲であることが好ましく、２６度から５７度の範囲であると特に好ましい。
【００１８】
多角形部２ａ−１の頂点ｅ１は、図３に示すように、曲率を持つように形成しても良い。例えば、頂点ｅ１に１５ｎｍから２５ｎｍの曲率半径Ｒを設けるようにしても良い。頂点ｅ１に曲率を持たせると、所望の形状の基材を製造し易くなるので好ましい。さらに、基材１中に埋設されている多角形部２ａ−１は、左右対称（ここでは二等辺三角形）である必要はなく、上記した所望の角度範囲において適宜設定することができる。
【００１９】
本発明のワイヤグリッド型偏光子において、基材１中に埋め込まれている金属ワイヤの横断面における多角形部２ａ−１の面積は、透過光の波長分散性などを考慮すると、横断面における矩形部２ｃ及び多角形部２ａ−１の合計面積の５０％から１００％であることが好ましい。なお、多角形部２ａ−１には、曲率半径Ｒを持つ部分も含むものとする。
【００２０】
本発明のワイヤグリッド型偏光子において、金属ワイヤ２の全断面積（矩形部２ｃ及び多角形部２ａ−１の合計面積）に対して基材１中に埋め込まれている金属ワイヤ２の断面積の割合は、金属ワイヤの強度耐久性や、透過率・偏光度の波長分散性などを考慮すると、２０％から８０％の範囲であることが好ましい。特に好ましくは、金属ワイヤ２の全断面積に対して基材１中に埋め込まれている金属ワイヤ２の断面積の割合は、埋め込まれている金属ワイヤ断面積の割合が３０％から７０％の範囲である。この範囲であると、金属ワイヤ２の自立強度が高まるために強度耐久性に優れ、広帯域の波長領域において、波長分散性が少なくかつ高偏光度のワイヤグリッド型偏光子を得られる。
【００２１】
基材１を構成する材料としては、主面を有し、可視光領域で実質的に透明な樹脂であれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィン樹脂（ＣＯＰ）、架橋ポリエチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂などの非晶性熱可塑性樹脂や、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、芳香族ポリエステル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂などの結晶性熱可塑性樹脂や、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系などの紫外線（ＵＶ）硬化性樹脂や熱硬化性樹脂が挙げられる。また、基材として樹脂基材１である紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂と、ガラスなどの無機基板、上記熱可塑性樹脂、トリアセテート樹脂とを組み合せた構成とすることもできる。
【００２２】
格子状の金属ワイヤのピッチは、対象とする光の偏光特性から決まり、一般には光の波長の１／２以下である。ピッチが小さくなるほど偏光特性が良くなり、例えば、可視光に対しては、８０ｎｍ〜１５０ｎｍで良好な偏光特性が得られる。
【００２３】
金属ワイヤ２を形成するために高反射金属材料を基材１の平面上に積層する方法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの物理的蒸着法を好適に用いることができる。
【００２４】
金属ワイヤ２を構成する金属材料は、所定の領域で光の反射率が高く、基材１を構成する材料との間の密着性が高いものであることが好ましい。例えば、可視光の領域であればアルミニウム、銀、錫又はそれらの合金で構成されていることが好ましく、コストの観点から、アルミニウム又はその合金で構成されているとより好ましい。
【００２５】
本発明のワイヤグリッド型偏光子を製造する方法は特に限定されないが、例えば、図４〜図６に示すような工程による製造方法を挙げることができる。
【００２６】
まず、図４に示すように、本発明のワイヤグリッド型偏光子における基材１と同様のピッチで金属ワイヤ２と露出部を含めた深さの凹格子を有する基材３を作製する。その方法としては特に限定されないが、本出願人の特開２００６−２２４６５９号公報で記載の方法を用いることが好ましい。
【００２７】
まず、表面に１００ｎｍ〜１００μｍピッチで、深さ２００ｎｍ〜１００μｍの凹格子を有する被延伸部材を、前記凹格子の長手方向（凹格子と平行な方向）と略直行する方向の前記被延伸部材の幅を自由にした状態で前記長手方向と略平行な方向に自由端一軸延伸加工することにより作成する。この結果、前記被延伸部材の凹格子のピッチが縮小され、微細凹格子を有する基材（延伸済み部材）が得られる。凹格子のピッチは、１００ｎｍ〜１００μｍの範囲に設定するが、要求する微細凹格子のピッチや延伸倍率に応じて適宜変更することができる。
【００２８】
ここで、被延伸部材とは、本発明に用いる基材として非晶性熱可塑性樹脂や結晶性熱可塑性樹脂で構成された板状体、フィルム状体、シート状体などの透明な基材を挙げることができる。この被延伸部材の厚さや大きさなどについては、一軸延伸処理が可能な範囲であれば特に制限はない。
【００２９】
また、表面に１００ｎｍ〜１００μｍピッチの凹格子を有する被延伸部材を得るには、レーザー光を用いた干渉露光法や切削法などで形成した、１００ｎｍから１００μｍピッチの凸格子を有する型を用いて、被延伸部材にその凸格子形状を熱プレスなどの方法で転写すれば良い。なお、干渉露光法とは、特定の波長のレーザー光を角度θ’の２つの方向から照射して形成される干渉縞を利用した露光法であり、角度θ’を変化させることで、使用するレーザーの波長の範囲内で種々のピッチを有する凸格子の構造を得ることができる。干渉露光に使用できるレーザーとしては、ＴＥＭ００モードのレーザーに限定され、ＴＥＭ００モードのレーザー発振できる紫外光レーザーとしては、アルゴンレーザー（波長３６４ｎｍ、３５１ｎｍ、３３３ｎｍ）や、ＹＡＧレーザーの４倍波（波長２６６ｎｍ）などが挙げられる。
【００３０】
上記一軸延伸処理は、先ず前記被延伸部材の幅方向（凹格子の長手方向と直行する方向）は自由にした状態で、前記被延伸部材の凹格子の長手方向を一軸延伸処理装置に固定する。続いて、被延伸部材が軟化する適当な温度まで加熱し、その状態で適当な時間保持した後、前記長手方向と略平行な一方向に適当な延伸速度で、目標とする微細凹格子のピッチに対応する延伸倍率まで延伸処理する。最後に延伸状態を保持した状態で材料が硬化する温度まで被延伸部材を冷却することにより、格子状凹部を有する基材３を得る。この一軸延伸処理を行なう装置としては、通常の一軸延伸処理を行なう装置を用いることができる。また、加熱条件や冷却条件については被延伸部材を構成する材料に応じて適宜決定する。
【００３１】
次いで、図５に示すように、基材３に金属ワイヤ２を構成する材料４を基材３の凹部に積層する。積層する方法としては、基材３の凹部底部に金属材料４を充填できれば、特に限定されるものではなく、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの物理的蒸着法を用いることができる。特に、１×１０−１Ｐａ以下の低圧雰囲気であると積層イオンの直進性に優れ好ましく、ＥＣＲスパッタ、ＬＴＳスパッタなどが基材凹部底部に効率良く積層されるので好ましい。
【００３２】
さらに、基材３の凹部以外の金属材料４を取り除いて図６に示す形態とする。凹部以外の金属材料を除去する方法は特に限定されるものではないが、金属材料を溶解するエッチング液による湿式エッチングが凹部の金属材料４を優先的に残すことができ好ましい。
【００３３】
最後に基材３をドライエッチングにより所定の深さまで除去し、図１に示したような本発明のワイヤグリッド型偏光子を得る。ドライエッチングの手法としては、金属材料４を残し基材３を部分的に除去できれば特に限定されるものではなく、反応性イオンエッチング、反応性ガスエッチング、イオンビームエッチングなどを挙げることができる。
【００３４】
本発明のワイヤグリッド型偏光子は、広帯域の波長領域において、波長分散性が少なくかつ高偏光度である特性を有する。本発明のワイヤグリッド型偏光子で高透過率、高偏光度で少ない波長分散性を実現できることについて明瞭な理由は不明であるが、有効媒質理論を適用し、基材中の金属ワイヤ断面の斜面部と、基材上に露出している金属ワイヤとにより、光の入射方向に対して光学特性の急激な変化が抑制されるためであると推定される。
【００３５】
次に、本発明の効果を明確にするために行なった実施例について説明する。なお、下記実施の形態における寸法、材質などは例示的なものであり、適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、適宜変更して実施することが可能である。
【００３６】
［実施例１］
上述した方法により、ＴＡＣ（Triacetylcellulose）基材の片面上にＵＶ転写で微細凹格子を設けた型を用意した。凹格子の寸法は、ピッチ１４４ｎｍ、幅７２ｎｍ、深さ２３０ｎｍで、底部から１００ｎｍは逆三角断面（図４参照）で、底部頂部は曲率半径１９ｎｍのＲとした。それ以外の断面は矩形形状であった。
【００３７】
この微細凹格子に製膜圧力１×１０−２Ｐａにおいて、スパッタ法によりアルミニウムを凹部に充填し、さらに全体に５０ｎｍ程度製膜した。製膜後、水酸化ナトリウム０．０１重量％水溶液を用いて表面アルミニウム層のみを溶解した。次いで、酸素ガスによるドライエッチングによりＴＡＣのみ１０５ｎｍ除去した。得られたアルミニウムワイヤグリッドの横断面は、初期の基材の凹部形状にアルミニウムが１２５ｎｍ埋め込まれた形状であり、頂部角度２７度、頂部曲率１９ｎｍのＲ、底部からの高さ１００ｎｍである逆三角形断面と２５ｎｍの矩形を組み合せた形状であり、ＴＡＣ基材表面に断面矩形で高さ１０５ｎｍのアルミニウム（五角形柱の金属ワイヤ）が露出したワイヤグリッド型偏光子が得られた。得られたワイヤグリッド型偏光子のアルミニウム金属ワイヤの全横断面面積に対する基材内部の断面積は約４２％であり、基材に埋め込まれている断面積に対する逆三角形断面の割合は６７％であった。
【００３８】
得られたワイヤグリッド型偏光子について、分光光度計を用いて偏光度と透過率を測定した。偏光度は、直線偏光に対する平行ニコル、直行ニコル状態での透過強度を測定し、下記式により算出した。測定波長域は、可視光として３８０ｎｍ〜７８０ｎｍとした。
偏光度＝（Ｉmax−Ｉmin）／（Ｉmax＋Ｉmin）×１００  ％
ここで、Ｉmaxは平行ニコル時の透過光強度であり、Ｉminは直交ニコル時の透過光強度である。
【００３９】
図７に、波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍにわたる透過率と偏光度を示す。図７から分るように、実施例１のワイヤグリッド型偏光子は、波長３８０〜７８０ｎｍにわたって高偏光度、高透過率であり波長分散性が少なかった。また、通常のハンドリングにおいて、ワイヤグリッドが破損することはなく、強度耐久性に優れたものであった。
【００４０】
［比較例１］
実施例１と同様の方法により、ＴＡＣ（Triacetylcellulose）基材の片面上にＵＶ転写で微細凹格子を設けた型を用意した。凹格子の寸法は、ピッチ１４４ｎｍ、幅７２ｎｍ、深さ１８０ｎｍで、横断面は矩形状であった。この微細凹格子に実施例１と同様の方法で、アルミニウムを凹部に充填、エッチングし、基材表面に矩形断面形状で高さ１７６ｍｍのアルミニウム金属ワイヤが露出し、基材内部には埋め込まれていない比較例のワイヤグリッド型偏光子が得られた。
【００４１】
得られたワイヤグリッド型偏光子について、分光光度計を用いて偏光度と透過率を測定した。図８に、波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍにわたる透過率と偏光度を示す。図８から分るように、透過率の波長分散が大きく、特に低波長側での透過率が低かった。さらに、分光測定におけるハンドリングにおいて、押圧された部分の一部は、透過率が低下しており、電子顕微鏡によりワイヤグリッドの一部が破損していることが観察された。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明のワイヤグリッド型偏光子によれば強度耐久性に優れ、広帯域の波長領域において、波長分散性が少なくかつ高偏光度のワイヤグリッド型偏光子を提供できる点で有用である。具体的には、液晶表示装置のように表示装置に配設した場合に、十分な色再現性や黒表示を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態に係るワイヤグリッド型偏光子を示す断面斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るワイヤグリッド型偏光子の金属ワイヤを示す横断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るワイヤグリッド型偏光子の他の例を示す断面斜視図である。
【図４】本発明のワイヤグリッド型偏光子の製造方法を説明するための図である。
【図５】本発明のワイヤグリッド型偏光子の製造方法を説明するための図である。
【図６】本発明のワイヤグリッド型偏光子の製造方法を説明するための図である。
【図７】本発明に係るワイヤグリッド型偏光子の波長に対する透過率、偏光度の関係を示す図である。
【図８】比較例１のワイヤグリッド型偏光子の波長に対する透過率、偏光度の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１，３  基材
２  金属ワイヤ
２ａ  金属ワイヤのうち基材内に埋め込まれている領域
２ａ−１  多角形部
２ａ−２  領域２ａのうちの矩形部領域
２ｂ  金属ワイヤのうち基材表面に露出している領域
２ｃ  矩形部
４  金属材料
【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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【図８】
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