高密度ポリエチレンと単結晶シリコンの複合成形による超薄型赤外線レンズの高精度加工
慶應義塾大学 理工学部 機械工学科
教授 閻 紀旺（平成 28 年度 一般研究開発助成 AF-2016016）
キーワード：樹脂，シリコン，赤外線レンズ，プレス成形

１．研究の目的と背景
従来，赤外線光学分野において単結晶シリコン（Si）や２．実験方法
2・1

レンズ設計

単結晶ゲルマニウム（Ge）を基板としたレンズが使用され

図 1 に本研究で成形する複合レンズの構造を示す．図 1てきた．これらの材料は赤外線領域で屈折率が高く，屈折(a)のようにプレス成形によって単結晶 Si ウエハを HDPE

率の波長分散が少ないためレンズ材料として適しているで包み, 図 1 (b)のように HDPE の表面にレンズ形状を転が，フレネルレンズやマイクロレンズアレイなどの薄型の写することで赤外線複合レンズを成形する．

複雑形状への加工が非常に困難である．超精密旋盤による2・2切削加工が必要であり，非常に長い加工時間を要する．そ表 1 に従来の HDPE（樹脂 A）と新たに開発された樹脂（樹して材料の硬度が高いため，工具摩耗が非常に激しく，生脂 B）の両者の材料特性を示す．図 2 は樹脂 A と樹脂 B の産コストも増加する．特にフレネルレンズのような回折形赤外線透過率の比較をしたものである．樹脂 B は接着促進状の切削加工は，先端の非常に尖った特殊なダイヤモンド剤を含有していないため樹脂 A に比べて波長 9～10 µm（人工具を使用するため，工具摩耗が特に大きな問題となる．

体感知領域）付近の透過率が高いことがわかる．

近年，より切削加工しやすい赤外線透過材料例えば2・3使用材料

実験装置

ZnSe や ZnS なども使用されているが，有害物質に該当す

プレス成形過程を図 3 に示す．高精度プレス成形装置

るため，レンズ加工においては防護措置が必要不可欠であGMP-211（（株)東芝機械製）を使用し，加熱温度とプレスり，生産コストや安全性の問題が残されている．一方,モ圧力を変化させて実験を行った．

ールドプレス成形が可能なカルコゲナイドガラスが開発され，ZnS や Si をレンズ基材として，その表面に回折面や非球面を形成したカルコゲナイドガラスを薄肉レンズ層として一体化させた赤外線複合レンズも提案されている 1-3) ．しかし，カルコゲナイドガラスを成形するには400℃以上の高温が必要なため，超硬合金製の金型が必要になり，金型の加工コストが高い．また，高温プレスによって金型の使用寿命が短い問題もある．
上記課題を解決するために，本研究では，半導体基板として使用されている単結晶 Si ウエハの片面あるいは両面に，赤外線透過樹脂（高密度ポリエチレン，HDPE）4)からなる薄肉レンズ層をプレス成形によって結合させた超(a) 複合基板

(b)

複合レンズ

図 1 Si-HDPE 複合基板と複合レンズ薄型（厚さ＜1mm）赤外線複合レンズを提案する．単結晶
Si ウエハは比較的安価に入手できる．また,HDPE 樹脂を用いたフレネルレンズ，マイクロレンズアレイなどの薄肉レンズ層は低温（200℃以下）で容易に成形することができるため，銅やアルミ，ニッケルメッキなどの金属金型が使用可能になり,金型の使用寿命も長い．これにより，レンズの生産コストの大幅な低減が可能である．さらに，薄肉の HDPE 樹脂層が単結晶 Si 基板を内包するレンズ設計によって，レンズ全体の結合強度が向上し，外部からの衝撃を緩和できるメリットもある．また，単結晶 Si 基板の高剛性により，HDPE 単体のレンズに比べてレンズ変形が生じにくく，精度の保証が容易になる．

図 2 樹脂 A と樹脂 B の赤外線透過率比較

表1

樹脂 A と樹脂 B の材料特性
樹脂 A

樹脂 B

融点 [°C]129.5132.5

形状

粒シート

サイズ [mm]

φ3×3.515×15×0.5

接着促進剤

内部混合含有しない
図 4 成形した赤外線複合マイクロレンズアレイ

樹脂

図 5 転写したマイクロレンズアレイの 3 次元測定結果
図 3 プレス実験過程
表 2 加熱温度を変化させる実験条件
加熱温度 [°C]

160, 180, 200, 220, 240

プレス圧力 [kN]
冷却温度 [°C]0.3
90

プレス時間 [分]5

表 3 プレス圧力を変化させる実験条件
加熱温度 [°C]180

プレス圧力 [kN]

0.5, 1.0, 1.5

冷却温度 [°C]90

プレス時間 [分]5

図 6 プレス圧力によるマイクロレンズ高さの違い

また，接着促進剤を使用せずに，単結晶 Si ウエハと樹脂の接着状況を確認した．
表 2 および 3 に実験条件を示す．

３．実験結果および考察
3・1

マイクロレンズアレイの成形図 4 にマイクロレンズアレイ形状を樹脂 A に転写した結果を示す．Si と樹脂の複合構造において，マイクロレンズアレイ形状を樹脂に転写できていることがわかる．図5 に転写された形状を三次元で測定した結果を示す．転写面が平滑であることが確認できる．図 6 に，プレス圧力を変えて転写した場合のレンズ高さの比較を示す．図 6 より，レンズ高さは 46 µm であることがわかる．冷却収縮を考慮

図 7 フレネルレンズ用金型

して金型には高さ 49 µm をあらかじめ加工したことで，目標値とほぼ同等の 46 µm の高さを得ることができた．
3・2

複合フレネルレンズの成形影響を示す．さらに，図 10 にフレネルレンズ形状を樹脂に転写した結果一例を示す．図 11 に，金型形状と転写形

図 7 にフレネルレンズ成形用金型，図 8 にプレス圧力に状の断面プロファイルを示す．成形条件の適正化を行ったよる転写精度の変化，図 9 にプレス圧力による加工深さの後に転写した結果，金型と同等な形状を得ることができた．

図 12 赤外線透過率への加熱温度の影響

図 8 プレス圧力による転写精度の影響

図 13 赤外線透過率へのプレス圧力の影響

図 9 プレス圧力による加工深さの影響(a) 使用前(b) 使用後

図 14 接着促進剤の使用による接着向上

図 10 試作した複合フレネルレンズとそれによる暗視画像

図 15 赤外線透過率へのプレス圧力の影響的として新たな樹脂 B を用いて成形実験を行い，樹脂 Aとの透過率の比較を行った．複合基板の赤外線透過率への図 11 金型形状と転写形状の断面プロファイル

3・3

樹脂種類の影響

樹脂 A を用いた複合レンズは波長 10 µm 付近において透過率が低いという問題があった．そこで，透過率改善を目

加熱温度の影響を図 12 に，プレス圧力の影響を図 13 に示す．グラフの縦軸は透過率，横軸は波長を表している．波長の測定範囲は赤外線カメラに一般的に用いられる 7～14 µm とした．

可能性があると考えられる．

４．結論
単結晶 Si と高密度ポリエチレン樹脂(HDPE)を結合させた赤外線光学用複合構造体をプレス成形により製作を試みた結果，以下の結論を得た．
(1) 樹脂表面にマイクロレンズアレイおよびフレネルレンズの微細形状を高精度に転写することができる．
(2) 接着促進剤を含有しない赤外線透過樹脂を用いて複図 16 樹脂種類と接着促進剤有無による影響

図 12 の結果より，加熱温度が 160～180 ℃では赤外線透過率の向上が見られる．これは加熱温度が高いほど樹脂の粘性が下がり，樹脂の厚さが薄くなっているためである．
しかし，180 ℃以上では薄くなっても透過率は向上していない．これ以上加熱する場合は樹脂の分子が切れることに合基板を成形した場合，透過率が向上するような成形条件は加熱温度 180℃，プレス圧力 1.0 kN である．
(3) 接着促進剤を単結晶 Si ウエハと樹脂の界面のみに用いることで，複合基板の波長 10 µm 付近の透過率が改善され，従来の赤外線 Si レンズ同等以上の透過性を得ることができる．

よる劣化が考えられるため，できるだけ低い温度が好まし謝いと考えられる．したがって，透過率の向上に適正な加熱温度は 180℃付近であると言える．次に，加熱温度を 180℃に固定し，プレス圧力を変化させた．図 13 の結果より，0.5～1.0 kN まで透過率は上昇しているものの 1.0～1.5

辞

本研究の一部は公益財団法人天田財団平成 28 年度一般研究開発助成を受けて行われたものである．ここに記して，感謝の意を表す．

kN では樹脂の厚さはあまり薄くならず，透過率に大きな変化はない．また，1.5 kN で成形した複合基板には亀裂

参考文献が生じ，圧力が強すぎると判明した．したがって，本研究1)R. A. Soref, S. J. Emelett and W. R. Buchwald, Siliconの条件において，単結晶 Si ウエハと樹脂の結合を確保しwaveguided components for the long-wave infrared

つつ赤外線透過率の向上に適正なプレス圧力は，1.0 kN

region, J. Opt. A, Pure Appl. Opt., 8, (2006)付近であると言える．

840–848.

しかし, 図 14 (a)からわかるように，成形された複合

2)T. Grulois, G. Druart, N. Guérineau, A. Crastes, H.

基板には，単結晶 Si ウエハと樹脂 B の間に未接着部分がSauer, and P. Chavel, Extra-thin infrared camera forある．これは，有機物である樹脂は有機物同士しか反応せlow-cost surveillance applications, Opt. Letters,ず，無機物である単結晶 Si ウエハとは接着の相性が優れ

39, 11, (2014) 3169-3172.

ないために生じたものであると考えられる. そこで接着

3)L. Shen, N. Healy, C. J. Mitchell, J. S. Penades, M.の改善策として，有機物と無機物の界面に接着促進剤であNedeljkovic, G. Z. Mashanovich, and A. C. Peacock,るシランカップリング剤 5,6)を導入して成形した．成形しMid-infrared all-optical modulation in low-loss

た複合基板を図 11 (b)に示す．接着促進剤の有無で，全germanium-on-silicon waveguides, Opt. Letters, 40,

面積に対する未接着部分の面積割合を比較したものを図2, (2015) 268-271.

15 に示す．未接着部の解消に成功し，単結晶 Si ウエハと樹脂 B の全面接着の基板が得られた．
上記において求めた 2 つの成形条件で，接着促進剤を使用した場合としない場合での樹脂 B を用いた複合基板と，

4)N. E. Claytor, R. N. Claytor, “Polymer Imaging Optics
for the Thermal Infrared,” Proceeding of SPIE, Vol.
5406, pp. 107-113, 2004.
5)Y. Xie, C. A. S. Hill, Z. Xiao, H. Militz and C. Mai,

樹脂 A を用いた複合基板でそれぞれの赤外線透過率の比

Silane

較を図 16 に示す．接着促進剤を用いた場合でも樹脂 B を

fiber/polymer composites, Com., A, 41, (2010)

用いた複合基板では，樹脂 A を用いた複合基板と比べて波coupling

agentsusedfornatural806–819.

長 10 µm 付近で透過率が向上している．また，波長 13 µm6)M. Hashizume, S. Fukagawa, S Mishima, T. Osuga and以上の波長域での透過率が低いが，この波長域で放射強度K. Iijima, Hot-Press-Assisted Adhesions between

が強く，主に検知されるのは−50 ℃前後の物体であるた

Polyimide Films and Titanium Plates Utilizing

め，人体検知機能には影響ないと考えられる．

Coating Layers of Silane Coupling Agents, Langmuir,

したがって，樹脂 B を用いた複合基板は赤外線複合レンズとして応用されるのに十分な赤外線透過率を持ち，単結晶 Si のみで製造された赤外線レンズと同等な画質を得る

32, 47, (2016) 12344-12351.