(57)【要約】  光学素子において、支持体と、支持体の一面に備えられた、曲率３．０ｍｍ−１以上の曲線を含む線状に延びた凹部と、曲率３．０ｍｍ−１以上の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層と、液晶分子の光学軸が、一面に平行、かつ、配向層の凹部及び凸部に沿って配向した配向パターンを有する液晶層とを備える。
2020004497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と、
該支持体の一面に備えられた、曲率３．０ｍｍ−１以上の第１の曲線を含む線状に延びた凹部と、曲率３．０ｍｍ−１以上の第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層と、
液晶分子の光学軸が、前記一面に平行、かつ、前記配向層の前記凹部及び凸部に沿って配向した配向パターンを有する液晶層とを備えた光学素子。
【請求項２】
前記配向層の前記凹部の底点と前記凸部の頂点とを結ぶ線を含む、前記凹凸構造の側壁面の表面粗さＲａが、前記凹部の幅をＤとした場合に、
Ｒａ≦Ｄ／５
である請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記配向パターンが、前記液晶層の面内の少なくとも一方向に沿って、前記液晶分子の光学軸の向きが連続的に回転変化し、かつ１８０°回転の周期が０．３μｍ以上、１ｍｍ未満である請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記配向層の前記凹凸構造において、前記第１の曲線及び前記第２の曲線の曲率が５．０μｍ−１以下である請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
支持体の一面に、第１の曲線を含む線状に延びた凹部と第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層を形成する第１の工程と、
前記配向層の表面に液晶層を形成する第２の工程とを含み、
前記第１の工程は、前記支持体の前記一面にレジストを塗布し、転写用凹凸構造を有するスタンパを前記レジストに押し付けることにより、該レジストに前記凹凸構造を形成し、該凹凸構造が形成された前記レジストを硬化させることにより、前記凹凸構造を有する配向層を形成する光学素子の製造方法。
【請求項６】
支持体の一面に、第１の曲線を含む線状に延びた凹部及び第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層を形成する第１の工程と、
前記配向層の表面に液晶層を形成する第２の工程とを含み、
前記第１の工程は、前記支持体の前記一面にレジストを塗布し、電子線描画法を用いて前記凹凸構造に対応するパターン露光を行い、該パターン露光がなされた前記レジストを現像することにより、前記凹凸構造を有する配向層を形成する光学素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１の曲線及び第２の曲線が、３．０ｍｍ−１以上の曲率を含む請求項５又は６に記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、液晶偏光素子として利用可能な光学素子及び光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特表２００８−５３２０８５号公報（以下において特許文献１）には、液晶層を備えた偏光回折素子が開示されている。特許文献１には、光配向膜を用いて液晶配向規制を行うことによって、液晶をパターン配向して偏光回折格子を作製する方法が開示されている。【０００３】
他方、台湾特許第５２２６６０号明細書（以下において特許文献２）には、光を様々な偏光方向に偏光することができる液晶偏光子が開示されている。特許文献２では、フィルム上に彫刻ローラ又は成形スタンプによるエンボス加工によって、パターン化された配向微細構造体を形成し、この配向微細構造上に配置された液晶の層を備えた偏光子が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１での光配向法では、右円偏光と左円偏光とを干渉させて露光することにより光配向膜に異方性配向パターンを付与し、その光配向膜上に液晶層を形成する。このような製造方法では、干渉露光の際の光軸合わせに時間がかかることから製造に時間がかかり、また、小面積のものしか作製できない。また、露光により得られる配向パターンは限定される。【０００５】
特許文献２では、フォルムにエンボス加工によって配向微細構造体を形成するため、曲線を含むような様々なパターンを作製することができる。特許文献２において、そのパターンのサイズについては明記されていない。しかし、特許文献２では、調光装置に用いられる偏光子と記載されており、これを考慮すると特許文献１で示されている回折格子のピッチよりも大きい数ｍｍ〜数ｃｍ程度のピッチの液晶配向パターンを形成することを意図していると考えられる。【０００６】
しかしながら、本発明者らの研究によれば、特許文献２の手法では、回折格子を実現できる小さい周期の液晶配向パターンを備えた素子を作製することはできなかった。【０００７】
本開示は、上記事情に鑑み、回折格子を実現可能な程度の小さい周期の液晶配向パターンを有し、かつ、高い生産性で製造することができる光学素子及び光学素子の製造方法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】
【０００８】
上記の課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。【０００９】
＜１＞  支持体と、その支持体の一面に備えられた、曲率３．０ｍｍ−１以上の第１の曲線を含む線状に延びた凹部と、曲率３．０ｍｍ−１以上の第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層と、液晶分子の光学軸が、上記一面に平行、かつ、上記配向層の上記凹部及び凸部に沿って配向した配向パターンを有する液晶層とを備えた光学素子。
＜２＞  上記配向層の上記凹部の底点と上記凸部の頂点とを結ぶ線を含む、上記凹凸構造の側壁面の表面粗さＲａが、凹部の幅をＤとした場合に、Ｒａ≦Ｄ／５である＜１＞の光学素子。
＜３＞  上記配向パターンが、上記液晶層の面内の少なくとも一方向に沿って、上記液晶分子の光学軸の向きが連続的に回転変化し、かつ１８０°回転の周期が０．３μｍ以上、１ｍｍ未満である＜１＞又は＜２＞の光学素子。
＜４＞  上記配向層の上記凹凸構造において、上記第１の曲線及び上記第２の曲線の曲率は５．０μｍ−１（５０００ｍｍ−１）以下である＜１＞から＜３＞のいずれかの光学素子。
＜５＞  支持体の一面に、第１の曲線を含む線状に延びた凹部と第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層を形成する第１の工程と、上記配向層の表面に液晶層を形成する第２の工程とを含み、上記第１の工程は、上記支持体の上記一面にレジストを塗布し、転写用凹凸構造を有するスタンパを上記レジストに押し付けることにより、レジストに上記凹凸構造を形成し、凹凸構造が形成された上記レジストを硬化させることにより、上記凹凸構造を有する配向層を形成する光学素子の製造方法。
＜６＞  支持体の一面に、第１の曲線を含む線状に延びた凹部及び第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層を形成する第１の工程と、上記配向層の表面に液晶層を形成する第２の工程とを含み、上記第１の工程は、上記支持体の上記一面にレジストを塗布し、電子線描画法を用いて上記凹凸構造に対応するパターン露光を行い、パターン露光がなされた上記レジストを現像することにより、上記凹凸構造を有する配向層を形成する光学素子の製造方法。
＜７＞  上記第１の曲線及び第２の曲線が、３．０ｍｍ−１以上の曲率を含む＜５＞又は＜６＞の光学素子の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、回折格子を実現可能な周期の液晶配向パターンを有し、かつ、高い生産性で製造することができる光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す光学素子の一部分解斜視図である。
【図３Ａ】図１に示す光学素子の一部の断面を模式的に示す図である。
【図３Ｂ】配向層の凹凸構造断面を模式的に示す図である。
【図３Ｃ】配向層の凹凸構造断面を模式的に示す図である。
【図４】図１に示す光学素子の一部を拡大して示す斜視概念図である。
【図５】図１に示す光学素子の変形例の一部を拡大して示す斜視概念図である。
【図６】面内において光学軸の向きが回転変化する配向パターンを模式的に示す図である。
【図７】図１に示す光学素子の配向層の凹凸構造、光学軸の配向パターン及び直交する偏光子で挟んだ状態で観察される明暗パターンを模式的に示す図である。
【図８】図７中においてＶＩＩＩで示す領域の配向層の凹凸構造を拡大して示す図である。
【図９】第１の実施形態の光学素子の製造方法の工程を示す図である。
【図１０】第２の実施形態の光学素子の製造方法の工程を示す図である。
【図１１】実施例１、２及び参考例１の配向層の凹凸構造を模式的に示す図である。
【図１２】実施例１、２について、光学軸の配向と、光学素子を直交する偏光子で挟んだ状態で観察される明暗パターンを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の光学素子の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面においては、視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。また、角度について「直交」及び「平行」とは、厳密な角度±１０°の範囲を意味するものとする。
【００１３】
図１は本発明の光学素子１０の一実施形態の概略を示す斜視図であり、図２は、配向層１２と液晶層１３とを分離して示す分解斜視図であり、図３Ａは、図１に示す光学素子１０の一部の断面を模式的に示す図である。
【００１４】
実施形態の光学素子１０は、支持体１１と、支持体１１の一面に備えられた、凹凸構造２０を有する配向層１２と、配向層１２の凹凸構造２０の表面に備えられ、所定の配向パターンを有する液晶層１３とを備えている。
【００１５】
支持体１１は、ガラス、樹脂フィルムなどの透明基材が好適である。
【００１６】
配向層１２の凹凸構造２０は、液晶層に所定の配向パターンを形成するために構成されるものであり、曲率３．０ｍｍ−１（＝０．００３μｍ−１）以上の第１の曲線を含む線状に延びた凹部と、曲率３．０ｍｍ−１以上の第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられている。第１の曲線と第２の曲線とは曲率が同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【００１７】
図２において配向層１２の表面に模式的に示す複数の曲線に沿って凹部及び凸部が設けられている。図２においては、配向層１２の表面に凹凸構造２０の線状に延びた凹部及び凸部が沿う曲線が模式的に示されている。
【００１８】
液晶層１３は、液晶分子の光学軸３２が、配向層１２の凹部２２及び凸部２４に沿って配向した所定の配向パターン３０を有する。すなわち、配向層１２の曲率３．０ｍｍ−１以上の曲線を含む線状に延びた凹部２２及び凸部２４に沿って液晶分子が配列しており、その曲線に沿った光学軸３２の配向パターンを備えている。液晶層１３は、棒状液晶分子を含む液晶組成物、もしくは円盤状液晶分子を含む液晶組成物を配向層１２上に塗布して上記配向パターンに配向させた状態で固定化した液晶組成物の硬化層である。
【００１９】
図４及び図５は凹凸構造に沿って配向している液晶分子を模式的に示す図である。図４において、液晶分子は棒状液晶分子３３であり、図５において、液晶分子は円盤状液晶分子３４である。
【００２０】
液晶分子が棒状液晶分子３３である場合、図４に示すように、ミクロに観察すると、配向層１２に設けられている凹凸構造２０の凹部２２及び凸部２４の延びる方向に沿って多数の棒状液晶分子３３の光学軸３２が配向している。棒状液晶分子３３の光学軸３２は面に平行であり、凹部２２及び凸部２４の各部分の略接線方向に配向されると考えられる。棒状液晶分子３３の光学軸は、その遅相軸（長軸）方向と一致する。そして、マクロにみると、液晶層１３においては、光学軸３２が凹凸構造２０に沿って配向した配向パターンが得られる。
【００２１】
液晶層１３が円盤状液晶分子３４である場合、図５に示すように、円盤面が液晶層の厚み方向に立ち上がった状態で、円盤状液晶分子３４の光学軸３２が、配向層１２に設けられている凹凸構造２０の凹部２２及び凸部２４の延びる方向に沿って配向していると考えられる。円盤状液晶分子３４はその円盤状液晶分子３４の光学軸３２は、その進相軸方向と一致する。結果として、棒状液晶分子の場合と同様に、液晶層１３においては、光学軸３２が凹凸構造２０に沿って配向した配向パターンが得られる。
【００２２】
一般に曲線の曲率κは、曲線をｘ、ｙで表現した場合に、下記式で表すことができる。
【数１】
2020004497.tif 000003
【００２３】
本開示の光学素子においては、配向層１２が、曲率３．０ｍｍ−１以上の第１の曲線を含む線状に延びた凹部と、曲率３．０ｍｍ−１以上の第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を少なくとも一部に備えるものであればよく、直線状の凹部及び凸部、並びに曲率３．０ｍｍ−１未満の曲線を含む線状に延びた凹部及び凸部を備えていてもよい。線状に延びた１つの凹部あるいは線状に延びた１つの凸部は、複数の異なる曲率の曲線を含む線状に延びていてもよく、又曲線と直線を含む線状に延びていてもよい。配向層１２は、５ｍｍ−１（＝０．００５μｍ−１）以上の曲率、さらには１０ｍｍ−１（＝０．０１μｍ−１）以上の曲率、特には１００ｍｍ−１（＝０．１μｍ−１）以上の曲率を有する曲線に沿った凹部あるいは凸部を備えることが好ましい。配向層１２は、５０００ｍｍ−１（＝５μｍ−１）を超える曲率を有する曲線に沿った凹部及び凸部を含まないことが好ましい。
【００２４】
本発明者らの検討によれば、上述した従来の製造方法では、曲率３．０ｍｍ−１以上の曲線を含む線状に延びた凹部あるいは凸部に沿って液晶分子を配向させることができなかった。しかし、後述する本開示の一態様の製造方法によれば、曲率３．０ｍｍ−１以上の曲線を含む線状に延びた凹部及び凸部に対しても液晶分子を配向させることが可能であり、従来よりも周期の小さい液晶配向パターンを実現することができる。第１の曲線と第２の曲線は同一の曲率であってもよいし、同一の曲率でなくてもよい。なお、第１の曲線と第２の曲線の曲率は、５μｍ−１以下であることが好ましい。
【００２５】
また、本実施形態においては、液晶層１３の面内の少なくとも一方向、図中軸Ａに沿って、液晶分子の光学軸３２の向きが連続的に回転し、１８０°回転する周期が０．３μｍ以上、１ｍｍ未満である配向パターン、すなわち、回折格子として機能する配向パターンを有する（図１参照）。
【００２６】
光学軸３２の向きが面内の一方向に沿って回転変化した液晶配向パターンとは、一例として図６に示すように、例えば、軸Ａに沿って配置された液晶分子の光学軸３２と軸Ａとのなす角度が、軸Ａ方向の位置によって異なっており、軸Ａに沿って光学軸３２と軸Ａとのなす角度がφからφ＋１８０°あるいはφ−１８０°まで徐々に変化するように配向され固定化されたパターンである。
【００２７】
図７は、光学素子１０の配向層の凹凸構造２０、光学軸３２の配向パターン３０、及び、光学素子１０を直交する偏光子で挟んだ状態で観察される明部４２と暗部４４の明暗パターン４０を模式的に示す図である。図７中において凹凸構造２０は直線で模式的に示している。
【００２８】
Ａ軸方向において、光学軸３２のＡ軸となす角度がφからφ＋１８０°もしくはφ−１８０°（元に戻る）まで変化する距離が１８０°回転の周期Λであり、以下において回転周期Λという。この光学軸３２の向きの回転周期Λは、既述の通り０．３μｍ以上、１ｍｍ未満であり、０．５μｍ〜５μｍであることが好ましい。なお、この回転周期Λは、光学素子への入射光の波長及び所望の出射角に応じて定めればよい。
【００２９】
なお、光学素子１０を直交する偏光子で挟んだ状態で観察される明暗パターン４０において明部４２と暗部４４は交互に観察され、その周期は光学軸の回転周期Λの半分である。なお、この明暗パターン４０の周期が回折格子の周期に相当する。
【００３０】
図８は、図７中においてＶＩＩＩで示す領域の配向層１２の凹凸構造２０を拡大して示す図である。図８は、図７に示すような、光学軸３２が軸Ａ方向に回転配向する配向パターンを実現するために設けられる凹凸構造であり、直線状及び様々な曲率を有する曲線に沿って線状に延びた凹部２２及び凸部２４が交互に配置されている。なお、凹部２２と凸部２４は反転パターンであってもよい。ここでは、凹部２２及び／又は凸部２４の延在方向に垂直な断面における幅は１２．５ｎｍ〜２０ｎｍ程度が好ましい。また、直線状に凹凸構造が配置されている領域の幅は６２．５ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。
【００３１】
図７に示すように、凹凸構造２０の１つの凹部あるいは凸部は楕円の１／２円弧状であり、その個々の場所によって曲率は異なる。そして、図８に示す凹部２２及び凸部２４にそって光学軸３２は配列されることにより、図７に示すような光学軸３２の配向パターンを備える。
【００３２】
配向層１２において、凹部２２及び凸部２４の、線状に延びる方向と直交する断面形状は矩形に限らず、三角形、多角形、あるいは半円などであってもよい。
【００３３】
図３Ｂ及び図３Ｃは、配向層１２の断面を拡大して示す図である。図３Ｂは断面において凸部及び凹部が矩形の凹凸構造の場合であり、図３Ｃは断面において正弦波状である表面を有する凹凸構造の場合である。
【００３４】
凹部２２と凸部２４の高低差、すなわち凸部２４の頂点２４ａから凹部２２の底点２２ａまでの距離ｈは、５ｎｍ〜１μｍであり、好ましくは１０ｎｍ〜２００ｎｍである。凸部２４の頂点２４ａとは、凸部２４のうち最も高い点であり、支持体１１の一面に垂直な方向において、凸部２４表面の、最も支持体１１の一面１１ａから離れた点である。凹部２２の底点２２ａとは、凹部２２のうち最も深い点であり、支持体１１の一面１１ａに垂直な方向において、凹部２２表面の、最も支持体１１の一面１１ａに近接した点である。
【００３５】
凹部２２の底点２２ａと凸部２４の頂点２４ａとを結ぶ線を含む、凹凸構造２０の側壁面２５の表面粗さＲａは、凹部の幅をＤとしたとき、Ｒａ≦Ｄ／５であることが好ましい。なお、凹部２２の幅Ｄは、凹部２２と凸部２４の高低差ｈの半分の高さ位置における側壁面２５間の距離とする。凹部２２の底点２２ａと凸部２４の頂点２４ａとを結ぶ線は、凹凸構造２０の表面に沿って、底点２２ａと頂点２４ａを最短で結ぶ線である。そして、凹部２２の底点２２ａと凸部２４の頂点２４ａとを結ぶ線を含む、すなわち、凹部２２の底点２２ａと凸部２４の頂点２４ａとを結ぶ線が通る、凹凸構造２０の表面が側壁面２５である。
なお、図３Ｂに示す断面矩形状の凸部２４及び凹部２２の場合には、凸部２４の上面及び凹部２２の底面は側壁面２５には含まれない。しかし、凸部２４の上面及び凹部２２の底面の表面粗さも側壁面の粗さと同程度であることが好ましい。図３Ｃに示す断面正弦状の凸部２４及び凹部２２の場合には、頂点２４ａと底点２２ａとを結ぶ点を含む全体を側壁面とみなす。
【００３６】
表面粗さＲａがＤ／５以下であれば、後述する液晶分子の配向性が良好なものとなる。側壁面２５の表面粗さＲａは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察から測定することができる。具体的には倍率５万倍のＳＥＭ画像において、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さＬだけを抜き取り、この抜き取り部分の平均線の方向にｘ軸を、縦倍率の方向にｙ軸を取り、粗さ曲線をｙ＝ｆ（ｘ）で表したときに、下記式によって求められる値をナノメートル（ｎｍ）で表す。
【数２】
2020004497.tif 000004
【００３７】
配向層１２には、紫外線硬化性レジスト、熱硬化性レジストあるいは電子線露光用レジスト等の樹脂材料を用いることができる。
【００３８】
液晶層１３としては、例えば、以下の材料を用いることができる。
【００３９】
−棒状液晶化合物−
棒状液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類およびアルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類が好ましく用いられる。以上のような低分子液晶性分子だけではなく、高分子液晶性分子も用いることができる。
【００４０】
棒状液晶化合物を重合によって配向を固定することがより好ましく、重合性棒状液晶化合物としては、Ｍａｋｒｏｍｏｌ．  Ｃｈｅｍ．，  １９０巻、２２５５頁（１９８９年）、Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ５巻、１０７頁（１９９３年）、米国特許４６８３３２７号公報、同５６２２６４８号公報、同５７７０１０７号公報、ＷＯ９５／２２５８６号公報、同９５／２４４５５号公報、同９７／００６００号公報、同９８／２３５８０号公報、同９８／５２９０５号公報、特開平１−２７２５５１号公報、同６−１６６１６号公報、同７−１１０４６９号公報、同１１−８００８１号公報、および特願２００１−６４６２７号公報などに記載の化合物を用いることができる。さらに棒状液晶化合物としては、例えば、特表平１１−５１３０１９号公報や特開２００７−２７９６８８号公報に記載のものも好ましく用いることができる。
【００４１】
−円盤状液晶化合物−
円盤状液晶化合物としては、例えば、特開２００７−１０８７３２号公報や特開２０１０−２４４０３８号公報に記載のものを好ましく用いることができる。
【００４２】
以下に、円盤状液晶化合物の好ましい例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４３】
本開示の光学素子の製造方法の第１の実施形態を説明する。
【００４４】
第１の実施形態の製造方法は、支持体の一面に、第１の曲線を含む線状に延びた凹部と第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層を形成する第１の工程と、配向層の表面に液晶層を形成する第２の工程とを含む。第１の工程において、ナノインプリント法を用いる。
【００４５】
図９に第１の実施形態の製造方法の工程を模式的に示す。
【００４６】
まず、支持体１１の一面１１ａにレジスト１２ａを塗布する（Ｓｔｅｐ１）。レジストとしては、例えば、紫外線硬化型樹脂を用いる。
【００４７】
次に、転写用凹凸構造を有するスタンパ１をレジスト１２ａに押し付け（Ｓｔｅｐ２）、レジスト１２ａに凹凸構造を転写形成し、凹凸構造が形成されたレジストに紫外線（ＵＶ）光を照射して硬化させる（Ｓｔｅｐ３）。その後、スタンパ１を剥離して凹凸構造２０を有する配向層１２を形成する（Ｓｔｅｐ４）。
第１の工程は以上の工程を含む。
【００４８】
スタンパ１はナノインプリント用モールドであり、石英、シリコン基板などの表面に公知の手法により転写用凹凸構造が形成されてなるものである。転写用凹凸構造はレジストに形成される凹凸構造の反転パターンであり、最終的に形成すべき液晶の配向パターンに応じて設計されたパターンである。配向層１２には、第１の曲線を含む線状に延びた凹部２２と第２の曲線を含む線状に延びた凸部２４とが交互に設けられた凹凸構造２０が形成される。第１の曲線と第２の曲線とは同一の曲率を有するものであってもよいし、異なる曲率を有するものであってもよい。特に、第１の曲線及び第２の曲線が、３．０ｍｍ−１以上の曲率をすることが好ましい。但し、本製造方法は、３．０ｍｍ−１以上の曲率を含まない線状の凹部及び凸部のみからなる凹凸構造の配向層を形成する際にも適用可能である。
【００４９】
第１の工程によって形成された凹凸構造２０の凹部２２及び凸部２４のそれぞれの表面の表面粗さＲａはＤ／５以下である。例えば、凹部の幅Ｄが２５０ｎｍである場合、Ｒａは５０ｎｍ以下である。上記のインナノプリントによって得られる配向層の凹凸構造の表面はなめらかであり表面粗さを非常に小さく抑えることができる。
【００５０】
その後、配向層１２の凹凸構造２０上に液晶組成物を塗布して、液晶分子の配向処理を行った後に、硬化させて液晶層１３を形成する（Ｓｔｅｐ５）。配向処理は、例えば、８０℃程度に加熱する処理である。この配向処理において、液晶組成物中の液晶分子は、配向層の凹凸構造に沿った方向に配向し、その配向パターンを維持した状態で硬化される。なお、液晶組成物が紫外線硬化型である場合には、紫外線を照射して硬化させる。
【００５１】
配向層が曲率３．０ｍｍ−１以上の曲線を含む線状の凹部及び凸部を有する場合でも、既述の通り、凹部及び凸部の表面の表面粗さが小さく滑らかであるので、液晶分子を良好に配向させることができる。
【００５２】
以上の工程により、従来よりも小さいピッチの液晶配向パターンを備えた液晶層を有する光学素子を作製することができる。なお、上記製造方法によれば、光干渉露光法で作製する場合と比較して非常に高い生産性で製造することができ、また、配向パターンの自由度が高い。
【００５３】
本開示の光学素子の製造方法の第２の実施形態を説明する。
【００５４】
第２の実施形態の製造方法は、支持体の一面に、第１の曲線を含む線状に延びた凹部と第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層を形成する第１の工程と、配向層の表面に液晶層を形成する第２の工程とを含む。第１の工程において、電子線描画法を用いる。
【００５５】
図１０に第２の実施形態の製造方法の工程を模式的に示す。
【００５６】
まず、支持体１１の一面１１ａにレジスト１１２ａを塗布する（Ｓｔｅｐ１）。レジストとしては、電子線露光用レジストを用いる。
【００５７】
次に、電子線描画法を用いて、レジスト１１２ａに所望の凹凸構造に対応するパターン露光を行い（Ｓｔｅｐ２）、その後、現像することにより、凹凸構造を有するレジストからなる配向層１１２を形成する（Ｓｔｅｐ３）。
第１の工程は以上の工程を含む。
【００５８】
図１０に示すように配向層１１２は凹部１２２において支持体１１の一面１１ａが露出していてもよい。配向層１１２の凹凸構造１２０は、最終的に形成すべき液晶の配向パターンに応じて設計されたパターンである。配向層１１２には、第１の曲線を含む線状に延びた凹部１２２と第２の曲線を含む線状に延びた凸部１２４とが交互に設けられた凹凸構造を有する凹凸構造１２０が形成される。第１の曲線と第２の曲線とは同一の曲率を有するものであってもよいし、異なる曲率を有するものであってもよい。特に、第１の曲線及び第２の曲線が、３．０ｍｍ−１以上の曲率をすることが好ましい。但し、本製造方法は、３．０ｍｍ−１以上の曲率を含まない線状の凹部及び凸部のみからなる凹凸構造の配向層を形成する際にも適用可能である。
【００５９】
本形態においても、第１の工程によって形成された凹凸構造２０の凹部及び凸部のそれぞれの表面の表面粗さＲａはＤ／５以下である。上記の電子線描画法を用いて得られる配向層の凹凸構造の表面はなめらかであり表面粗さを非常に小さく抑えることができる。
【００６０】
その後、配向層１２の凹凸構造２０上に液晶組成物を塗布して、液晶分子の配向処理を行った後に、硬化させて液晶層１３を形成する（Ｓｔｅｐ４）。配向処理は、例えば、８０℃程度に加熱する処理である。この配向処理において、液晶組成物中の液晶分子は、配向層の凹凸構造に沿った方向に配向し、その配向パターンを維持した状態で硬化される。なお、液晶組成物が紫外線硬化型である場合には、紫外線を照射して硬化させる。
【００６１】
配向層が３．０ｍｍ−１以上の曲率の曲線を含む線状の凹部及び凸部を有する場合でも、既述の通り、凹部及び凸部の表面の表面粗さが小さく滑らかであるので、液晶分子を良好に配向させることができる。
【００６２】
以上の工程により、従来よりも小さいピッチの液晶配向パターンを備えた液晶層を有する光学素子を作製することができる。なお、上記製造方法によれば、光干渉露光法で作製する場合と比較して非常に高い生産性で製造することができ、また、配向パターンの自由度が高い。
【００６３】
上述の第１及び第２の実施形態の光学素子の製造方法によれば、様々な液晶配向パターンを実現することが可能である。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明の実施例及び比較例について説明する。【００６５】
実施例１、２及び参考例１として、支持体の一面に同心円状の凹凸構造を有する配向層を形成し、配向層上に液晶層を形成してなる光学素子を作製した。配向層に形成される凹凸構造の平面模式図を図１１に示す。図１１に示すように、最も小さい半径ｒ１から最も大きい半径ｒ２の同心円状に、環状の凹部と凸部とが交互に配置された凹凸構造を形成した。
以下、各例の製造方法について説明する。【００６６】
「実施例１」
［配向層の形成］
トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）フィルム（富士フイルム社製、フジタック）を支持体として、光硬化性樹脂  （東洋合成、ＰＡＫ−０２）を塗布膜厚１．１μｍとなるように塗布した。曲率кが、０．０００２μｍ−１≦к≦０．５μｍ−１である、すなわち半径２μｍ〜５ｍｍの同心円状の凹部と凸部がそれぞれ０．１μｍの幅で交互に形成された凹凸構造を表面に有する石英基板をスタンパとして用いて、レジストに押圧した。これにより、レジストにスタンパの凹凸構造の反転凹凸構造を転写させ、波長３６５ｎｍの紫外線を照度２０ｍＷ／ｃｍ２で６０秒、レジストに照射してレジストを硬化させた。その後、スタンパをゆっくりと剥離して、ＴＡＣフィルム上に、凹凸構造が賦形された配向層Ｐ−１を得た。【００６７】
以上のようにして得られた配向層を、表面ＳＥＭ（日立製作所  Ｓ−４８００）で観察し、上記スタンパの同心円状の凹凸構造が転写されていることを確認した。【００６８】
［液晶層の形成］
液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ａ−１を調製した。
（組成物Ａ−１）
――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物Ｌ−１                          １００．００質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
３．００質量部
光増感剤（日本化薬製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ  ＤＥＴＸ−Ｓ）
１．００質量部
レベリング剤Ｔ−１                                ０．０８質量部
メチルエチルケトン                            ９３６．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――【００６９】
液晶化合物Ｌ−１
【化１】
2020004497.tif 000005
レベリング剤Ｔ−１
【化２】
2020004497.tif 000006
【００７０】
配向層Ｐ−１上に上記の組成物Ａ−１を塗布して、塗膜をホットプレート上で７０℃に加熱し、その後、２５℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を１００ｍＪ／ｃｍ２の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化し、膜厚１．５μｍの液晶層を形成した。
上記のようにして、実施例１の光学素子を作製した。【００７１】
「実施例２」
［配向層の形成］
実施例１と同様に、配向層Ｐ−１を形成した。【００７２】
［液晶層の形成］
液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ａ−２を調整した。
（組成物Ａ−２）
―――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物（化合物１０１）                  ８０質量部
円盤状液晶化合物（化合物１０２）                  ２０質量部
重合性モノマー１                                  １０質量部
界面活性剤１                                    ０．３質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
３質量部
メチルエチルケトン                              ２９０質量部
シクロヘキサノン                                  ５０質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――【００７３】
円盤状液晶化合物
【化３】
2020004497.tif 000007
【００７４】
【化４】
2020004497.tif 000008
【００７５】
【化５】
2020004497.tif 000009
【００７６】
配向層Ｐ−１上に上記の組成物Ａ−２を塗布して、塗膜をホットプレート上で７０℃、２分間乾燥し、１１５℃で３分間加熱した。４５℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を３００ｍＪ／ｃｍ２の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化し、膜厚１．５μｍの液晶層を形成した。
上記のようにして、実施例２の光学素子を作製した。【００７７】
「参考例１」
配向層の形成において、スタンパとして、曲率кが０．０００２μｍ−１≦к≦６μｍ−１、すなわち、半径１６７ｎｍ〜５ｍｍの同心円状の凹部と凸部からなる凹凸構造を有する石英基板を用いた。この石英基板を用いて配向層Ｐ−２を形成した点以外は、実施例１と同じ手法により参考例１の光学素子を作製した。【００７８】
「評価」
実施例１、２及び参考例１の光学素子について、以下の評価を行った。【００７９】
［生産性評価］
各例の光学素子及びの１時間あたりの生産枚数を評価した。
１時間あたりの生産枚数については、１０枚以上のものをＡ、３枚以上９枚以下のものをＢ、２枚以下のものをＣとした。【００８０】
［液晶の配向パターニング性評価］
作製した各光学素子について、偏光板を直交に配置した偏光顕微鏡で観察し、液晶の配向パターニング性を評価した。実施例１，２、参考例１については、配向層の凹凸構造上で、放射線状の明暗が観察されたものをＡ、観察されなかったものをＢとした。配向層の凹凸構造の凹部及び凸部に沿って液晶分子が配向されている場合、図１２に示すように棒状に示す光学軸が環状に配向されて、本偏光顕微鏡では、図１２中において黒灰色に示される暗部と暗部間に示される明部が放射状に見える。【００８１】
［欠陥数評価］
作製した各光学素子について、偏光板を直交に配置した偏光顕微鏡で観察し、配向欠陥の数を評価した。明暗のストライプが乱れている箇所が、１箇所以下のものをＡ、２箇所以上のものをＢとした。【００８２】
各例の及び光学素子について、生産性評価、液晶配向の連続変化性評価及び得率評価の結果を表１に示す。【００８３】
【表１】
2020004497.tif 000010
表１の結果から、実施例１、２のように、半径２μｍ〜５ｍｍの同心円状の凹部と凸部を備えた凹凸構造を備えた配向層を備えた構成では、液晶分子が棒状であっても円盤状であっても、良好な液晶配向パターニングができることが示された。【００８４】
なお、参考例１において、曲率κが５．０μｍ−１以下、すなわち、半径２００ｎｍ以上の円では、良好な配向パターンが形成されていたが、曲率кが５．０μｍ−１＜к≦６．０μｍ−１の範囲で配向パターニングできていなかった。この結果は、０μｍ−１≦к≦５．０μｍ−１の範囲の曲率を有する曲線であれば、自在な配向パターニングが可能であることを示唆している。【００８５】
実施例３〜６及び比較例１〜４として、図１に示したような、光学軸が一方向に回転変化する配向パターンを形成するための配向層を各種手法により形成し、配向層上に液晶層を設けて各例の光学素子を形成した。実施例３〜６及び比較例１〜４では、実施例１と同様の棒状液晶分子を含む液晶組成物Ａ−１を液晶層の材料として用いた。【００８６】
「実施例３」
配向層の形成において、液晶を配向させた際に、光学軸の向きが面内の一方向において１８０°回転する周期Λが１μｍである偏光回折格子となるように設計した、０μｍ−１≦к≦２．３μｍ−１である曲率кの曲線に沿って線状の凹部と凸部とが並んだ凹凸構造を表面に有する石英基板をスタンパとして用いた。凹部と凸部の幅はそれぞれ２０ｎｍ、高さは５０ｎｍである。その点以外は、実施例１と同じ手法により実施例３の光学素子を作製した。実施例３において、配向層には、凹凸構造として図２〜４に示すような楕円の半弧状に沿った線状の凹部及び凸部をからなる構造を形成した。【００８７】
「実施例４」
配向層の形成において、液晶を配向させた際に、光学軸の向きが面内の一方向において１８０°回転する周期Λが３μｍである偏光回折格子となるように設計した、０μｍ−１≦к≦０．８μｍ−１である曲率кの曲線に沿って線状の凹部と凸部とが並んだ凹凸構造を表面に有する石英基板をスタンパとして、用いた。凹部と凸部の幅はそれぞれ２０ｎｍ、高さは５０ｎｍである。その点以外は、実施例１と同じ手法により実施例４の光学素子を作製した。【００８８】
「実施例５」
ガラスを支持体として、ＨＭＤＳ（関東化学、ヘキサメチルジシラザン）をスピンコーターで塗布後、１８０℃で２分間加熱することで、密着層を形成した。上記密着層上に、電子線レジスト（日本ゼオン、ＺＥＰ５２０Ａ）をスピンコーターで膜厚１５０ｎｍとなるように塗布し、１８０℃で２分間加熱後、帯電防止剤（昭和電工、エスペーサー３００Ｚ）をスピンコーターで塗布した。上記電子線レジストを塗布したガラス基板に、液晶を配向させた際に、光学軸の向きが面内の一方向において１８０°回転する周期Λが１μｍである偏光回折格子となるように設計した、０μｍ−１≦к≦２．３μｍ−１である曲率кの曲線に沿って延びるラインアンドスペースを描画するように予めプログラミングされた電子線（ＥＢ）露光を行った。その後、ｏ−キシレンに５分間浸漬することにより、描画ラインに沿った凸部及び凹部かからなる凹凸構造を備えた配向層Ｐ−５を上記ガラス上に形成した。凹部と凸部の幅はそれぞれ２０ｎｍ、高さは５０ｎｍである。【００８９】
実施例１同様、ＳＥＭで配向層Ｐ−５を観察したところ、プログラミングどおりの凹凸構造が観察された。こうして得られた配向層Ｐ−５に、実施例１と同様の手法で液晶層を作製し、実施例５の光学素子を作製した。【００９０】
「実施例６」
実施例５の配向層の形成において、液晶を配向させた際に、光学軸の向きが面内の一方向において１８０°回転する周期Λが３μｍである偏光回折格子となるように設計した、０μｍ−１≦к≦０．８μｍ−１である曲率кの曲線に沿って延びるラインアンドスペースを描画するようにＥＢ露光プログラムを偏光して、配向層Ｐ−６を形成した。それ以外は、実施例５と同じ手法により実施例６の光学素子を作製した。【００９１】
「比較例１」
特許文献１の手法を参照して光学素子を作製した。ガラスを支持体として、光配向材料（ＤＩＣ、ＬＩＡ−Ｃ００１）をスピンコーターで塗布し、ポリカーボネートシート及び屈折率適合流体フィルムからなるＵＶ吸収体上にそのガラスを置いて、裏面反射を最小にした。上記ガラスを、標準的なホログラフィ装置内で略９Ｊ／ｃｍ２において波長３５１ｎｍの２つの重ね合わされたレーザービームで露光した。このとき、２つのビームの１つは右旋性円偏光、もう１つは左旋性円偏光とし、それぞれの入射角を１．１８°及び２．３６°とした。このように、このホログラフィ装置内で、液晶を配向させた際に、光学軸の１８０°回転する周期Λが１μｍとなるように形成された偏光ホログラムが記録された配向層Ｐ−７を形成した。【００９２】
こうして得られた配向層Ｐ−７上に、実施例１と同様の手法で液晶層を作製し、比較例１の光学素子を作製した。【００９３】
「比較例２」
比較例１において、ホログラフィ装置内で、液晶を配向させた際に、光学軸の１８０°回転する周期が３μｍとなるように形成された偏光ホログラムが記録された配向層Ｐ−８を形成した。【００９４】
こうして得られた配向層Ｐ−８上に、比較例１と同じ手法により比較例２と同じ手法により比較例１の光学素子を作製した。【００９５】
「比較例３」
特許文献２の手法を参照して光学素子を作製した。配向層の形成において、実施例３においてスタンパとして用いた、光学軸の向きが面内の一方向において１８０°回転する周期Λが１μｍである偏光回折格子となるように設計した、０μｍ−１≦к≦２．３μｍ−１である曲率кの曲線に沿って線状の凹部と凸部とが並んだ凹凸構造を表面に有する石英基板をスタンプとして用いた。ＴＡＣフィルム（富士フイルム製、フジタック）に、上記石英基板の凹凸構造を強く押し付けた後、ゆっくりと剥離し、ＴＡＣフィルム表面に凹凸構造を賦形することにより、上記ＴＡＣフィルムの表層を配向層Ｐ−９とした。実施例１同様、ＳＥＭで配向層Ｐ−９を観察したところ、上記石英基板の曲線状の凹凸構造が転写されていることを確認した。【００９６】
こうして得られた配向層Ｐ−９に、実施例１と同様の手法で液晶層を作製し、膜厚１．５μｍの液晶層を備えた比較例３の光学素子を作製した。【００９７】
「比較例４」
実施例４でスタンパとして用いた、光学軸の向きが面内の一方向において１８０°回転する周期Λが３μｍである偏光回折格子となるように設計した、０μｍ−１≦к≦０．８μｍ−１である曲率кの曲線に沿って線状の凹部と凸部とが並んだ凹凸構造を表面に有する石英基板をスタンプとして用いた。このスタンプを用いて配向層Ｐ−１０を作製した以外は、比較例３と同様にして、比較例４の光学素子を作製した。【００９８】
「評価」
実施例３〜６及び比較例１〜４について、実施例１、２と同様の評価を行った。但し、液晶の配向パターニング性評価については、配向層の凹凸構造上で、ストライプ状の明暗（図６参照）が観察されたものをＡ、観察されなかったものをＢとした。
なお、実施例３〜６および比較例３、４、については、配向層形成後、液晶層塗布前に、配向層の凹凸構造の表面の表面粗さ（ラフネス）Ｒａを計測した。既述した方法に従って、ＳＥＭ画像から計測した。基準長さＬは２０ｎｍとした。【００９９】
実施例３〜６及び比較例１〜４の光学素子について、生産性評価、液晶配向の連続変化性評価及び得率評価の結果を表２に示す。【０１００】
【表２】
2020004497.tif 000011
実施例１〜６の結果から、同心円状の配向パターンであっても、楕円の円弧状の配向パターンであっても、どちらも良好に配向パターニングできることが明らかである。【０１０１】
さらに、実施例３〜６では、比較例１，２のような光配向膜を用いた場合と比べ、生産性の改善効果が明らかである。【０１０２】
また、実施例３〜６に示すように、ナノインプリント法あるいはＥＢ描画を用いて凹凸構造を形成した場合には、１μｍ及び３μｍの回転周期の配向パターンのいずれも作製できた。これに対し、光配向膜で液晶を配向パターニングする手法では、比較例２の３μｍの回転周期の配向パターンはパターニングができたが、実施例と比較して欠陥数が多かった。比較例１の１μｍの回転周期の配向パターンのパターニングはできなかった。【０１０３】
一方、物理的な凹凸構造で液晶を配向パターニングする場合であっても、比較例３，４のように、エンボス加工による凹凸構造を備えた配向層では、液晶を配向パターニングすることはできなかった。なお、比較例３，４で作製した凹凸構造は、実施例３〜６で作製した凹凸構造と比較して、壁面のラフネス（表面粗さ）が大きいことが原因と推定される。【０１０４】
上記結果から、物理的な凹凸構造で液晶を配向パターニングすることで、優れた生産性でピッチの狭い偏光回折格子が得られることが示された。【０１０５】
２０１８年６月２８日に出願された日本国特許出願２０１８−１２３４００号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
【図１】
2020004497.tif 000012
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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