JP2005181740A

JP2005181740A - 反射防止構造体

Info

Publication number: JP2005181740A
Application number: JP2003423258A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamaguchi; 博史山口; Makoto Umetani; 誠梅谷; Yoshiharu Yamamoto; 義春山本; Tomonobu Yoshikawa; 智延吉川; Michihiro Yamagata; 道弘山形
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】屈折率の高い光学部材（基材）が用いられる発光ダイオードやフォトダイオードなどの光学部品に有用で、外力や汚れの影響を受けることのない反射防止構造体を提供する。
【解決手段】反射防止構造体１を、屈折率がｎ_h の材料からなる基材部２と、基材部２の表面に設けられ、光の波長以下のピッチで形成された微細な凹凸構造３と、凹凸構造３を覆うように基材部２の表面に積層され、屈折率がｎ_l の透明材料からなる平滑層４とにより構成する。基材部２を構成する材料と平滑層４を構成する材料を、下記式（１）、（２）の関係を満たすように選択する。
（１）ｎ_h ＞２
（２）ｎ_h ＞ｎ_l
【選択図】図１

Description

本発明は、光学部品の表面反射を防止するために用いられる反射防止構造体に関する。

光学部品の表面反射を防止するために、光学部品を構成する光学部材（基材）の表面に光の波長以下のピッチで微細な凹凸構造を形成することが提案されている。

しかし、上記凹凸構造は、極めて微細で壊れやすいため、僅かな外力による変形や軽微な汚れによってその反射防止機能が大きく低下してしまう。

そこで、従来においては、凹凸構造上に、当該凹凸構造が形成された基材よりも屈折率の低い透明材料からなる表面層をさらに積層することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２６４５２０号公報

上記特許文献１においては、凹凸構造が形成される基材として、電離放射線硬化性樹脂組成物が用いられている。そして、電離放射線硬化性樹脂組成物の屈折率は、一般に、１．５〜１．６程度であり、凹凸構造が無い場合の表面反射率は５％程度である。

上記特許文献１においては、具体例として、屈折率１．５９のアクリレート系紫外線硬化性樹脂（日本合成ゴム（株）製、品番；Ｚ９００９）からなる基材の表面に、フッ素系樹脂（屈折率１．３４）からなる表面層を積層するようにした例が挙げられているが、この場合、凹凸構造を形成することによっては、凹凸構造が無い場合の表面反射率５．２％を２．１％に低下させる程度の効果しか得られない。

本発明者らは、発光ダイオードやフォトダイオード用の基材としての化合物半導体の屈折率が３程度と高く、凹凸構造が無い場合の表面反射率が２０〜３０％と大きいために、凹凸構造を形成することによる表面反射防止効果が大きく、しかも、表面層を設けて外力や汚れの影響を無くすことの必要性が高いことに着目し、本発明をするに至った。

発光ダイオードの発光光のうち、その表面で反射された光は、その多くが半導体内部で吸収されて外部に取り出されることなく損失成分となり、素子の発光効率が低下する。また、フォトダイオードで表面反射が生じると、光電変換層へのフォトンの到達量が減少して、変換効率あるいは感度が低下する。

微細構造によって上記表面反射を低減することができれば、もともとの屈折率が高く反射率が高い分大きな効率向上、感度向上が期待できるが、傷や汚れによって反射防止機能が損なわれると、性能が著しく低下してしまう。特に複数の素子を用いて画像を表示したり光量分布を測定したりするようなシステムで部分的に性能の低下が生じると、ムラが発生して特性が著しく低下してしまう。従って、表面反射防止効果が高ければ高いほど、その効果を安定に維持することが重要となる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、屈折率の高い光学部材（基材）が用いられる、例えば、発光ダイオードやフォトダイオードなどの光学部品に有用で、外力や汚れの影響を受けることのない反射防止構造体を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る反射防止構造体の構成は、屈折率がｎ_h の材料からなり、表面に光の波長以下のピッチで微細な凹凸構造が形成された基材部と、前記基材部の表面に設けられ、前記凹凸構造側とは反対側の面が略平坦で、かつ、屈折率がｎ_l の透明材料からなる平滑層とを備えた反射防止構造体であって、前記ｎ_h 、ｎ_l が下記式（１）、（２）の関係を満たすことを特徴とする。

（１）ｎ_h ＞２
（２）ｎ_h ＞ｎ_l
また、前記本発明の反射防止構造体の構成においては、前記基材部の材料がＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ及びＩｎＮからなる群から選ばれる１つであるのが好ましい。

また、前記本発明の反射防止構造体の構成においては、前記平滑層の材料がエポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂及びフッ素樹脂からなる群から選ばれる１つであるのが好ましい。

本発明によれば、凹凸構造が無い場合に比べて、はるかに低い表面反射率を有し、かつ、外力や汚れの影響を受けることのない反射防止構造体を実現することができる。そして、基材部の材料として、例えば、屈折率が３程度と高い化合物半導体を用い、かつ、平滑層の材料として屈折率が１．５程度と低い透明材料を用いることにより、表面反射を大幅に低減することが可能な発光ダイオードやフォトダイオードなどの光学部品を提供することができ、その実用的効果は大きい。

以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。

図１は本発明の一実施の形態における反射防止構造体を模式的に示した断面図、図２は当該反射防止構造体を構成する凹凸構造を示した概略斜視図である。

図１に示すように、本実施の形態における反射防止構造体１は、屈折率がｎ_h の材料からなる基材部２と、基材部２の表面に設けられ、光の波長以下のピッチで形成された微細な凹凸構造３と、凹凸構造３を覆うように基材部２の表面に積層され、屈折率がｎ_l の透明材料からなる平滑層４とを備えている。ここでは、微細な凹凸構造３として、図２に示すように、ピッチ０．１５μｍ、凸部の高さが０．１５μｍの円錐型の凹凸構造（円錐状の凸部を有する周期構造）が形成されている。これは、可視帯域波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の１／２以下のピッチで、かつ、凸部が当該ピッチの１倍以上の高さを有する凹凸構造に相当している。また、平滑層４は、凹凸構造３側とは反対側の面が略平坦となっている。

上記構成を有する反射防止構造体１は、例えば、以下のようにして製造することができる。すなわち、プレス面の形状が凹凸構造３と同一の形状に精密加工されたマスター型を用いて、加熱軟化したガラスをプレス成形することにより、ガラスからなる凹凸構造成形用金型を作製し、当該凹凸構造成形用金型を用いて、屈折率がｎ_h の材料からなる基材をプレス成形することにより、表面に凹凸構造３を有する基材部２を作製する。そして、凹凸構造３が形成された基材部２の表面に、屈折率がｎ_l の透明材料を塗布し、その表面を平坦化することにより、反射防止構造体１を製造することができる。

基材部２を構成する材料の屈折率ｎ_h 、平滑層４を構成する材料の屈折率ｎ_l は下記式（１）、（２）の関係を満たしている。

（１）ｎ_h ＞２
（２）ｎ_h ＞ｎ_l
上記式（１）の関係を満たす基材部２の材料としては、例えば、ＡｌＮ（屈折率：２．２０）、ＡｌＰ（屈折率：３．０５）、ＡｌＡｓ（屈折率：３．１８）、ＧａＮ（屈折率：２．６０）、ＧａＰ（屈折率：３．４５）、ＧａＡｓ（屈折率：３．６５）、ＩｎＮ（屈折率：３．４５）などの、発光ダイオードやフォトダイオード用の基材として用いられる化合物半導体を挙げることができる。

また、上記式（２）の関係を満たす平滑層４の材料としては、例えば、エポキシ樹脂（屈折率：１．５）、シリコン樹脂（屈折率：１．５）、アクリル樹脂（屈折率：１．５）、フッ素樹脂（屈折率：１．３４）、スチレン樹脂（屈折率：１．６）、ボリカーボネート（屈折率：１．６）などと、その共重合体を挙げることができるが、耐熱性と耐光性の観点からエポキシ樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂等を用いるのが望ましい。このような構成においては、基材部２を構成する材料の屈折率ｎ_h と平滑層４を構成する材料の屈折率ｎ_l の差ｎ_h −ｎ_lを下記式（３）に示すように比較的大きくすることが可能になり、大きな反射低減効果が期待できる。

（３）ｎ_h −ｎ_l ＝０．７〜２．３
上記のような構成の反射防止構造体１を用いた場合、図３に実線で示すような屈折率分布となり、空気５との界面で屈折率が不連続となるため、その表面反射率Ｒ_l は、平滑層４を構成する材料の屈折率ｎ_l に応じて下記式（４）のように表記される。

（４）Ｒ_l ＝[（ｎ_l −１）／（ｎ_l ＋１）]²
また、空気５との界面に凹凸構造３が形成されている場合（すなわち、平滑層４が無い場合）には、図３に破線で示すような屈折率分布となり、理想的には表面反射率が零となる。

また、凹凸構造３が無い場合の表面反射率Ｒ_h は、基材部２を構成する材料の屈折率ｎ_h に応じて下記式（５）のように表記される。

（５）Ｒ_h ＝[（ｎ_h −１）／（ｎ_h ＋１）]²
以上のことを考慮すると、本実施の形態によれば、平滑層４が無い場合に比べて表面反射率は増加するが、凹凸構造３が無い場合に比べて、はるかに低い表面反射率を有し、かつ、外力や汚れの影響を受けることのない反射防止構造体１を実現することができる。例えば、基材部２を構成する材料として、例えば、発光ダイオード用の半導体材料であるＧａＰ（屈折率ｎ_h ＝３．４５）を用い、平滑層４を構成する材料としてエポキシ樹脂（屈折率ｎ_l ＝１．５）を用いた場合、凹凸構造３が無い場合の表面反射率Ｒ_h ＝３０％をＲ_l ＝４％に低減することができる。このように、本実施の形態の反射防止構造体１を用いれば、表面反射を大幅に低減することが可能な発光ダイオードやフォトダイオードなどの光学部品を提供することができ、発光ダイオードにおいては発光効率を向上させ、フォトダイオードにおいては感度を向上させることが可能となる。しかも、その効果は傷や汚れによって損なわれることが無く安定に維持できるので、その実用的効果は大きい。

尚、上記実施の形態においては、凹凸構造３として、円錐型の凹凸構造を例に挙げて説明しているが、必ずしもかかる構成に限定されるものではなく、例えば、図４に示すような、四角錐型、正六角錐型等であってもよい。また、凹凸構造３の凸部の形状は必ずしも錐体状に限定されるものではなく、円柱体状や角柱体状であっても、先端が丸くなっているものであってもよい。

また、上記実施の形態においては、凹凸構造３として、ピッチ０．１５μｍの凹凸構造、すなわち、可視帯域波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）以下のピッチを有する凹凸構造が形成されているが、紫外帯域波長（１５０ｎｍ〜４００ｎｍ）以下のピッチを有する凹凸構造、近赤外帯域波長（７００ｎｍ〜２μｍ）以下のピッチを有する凹凸構造あるいは遠赤外帯域波長（２μｍ〜１３μｍ）以下のピッチを有する凹凸構造とすることもできる。

本発明の一実施の形態における反射防止構造体を模式的に示した断面図本発明の一実施の形態における反射防止構造体を構成する凹凸構造を示した概略斜視図本発明の一実施の形態における反射防止構造体の屈折率分布を示す図本発明の一実施の形態における反射防止構造体を構成する凹凸構造の他の例を示す概略斜視図

符号の説明

１反射防止構造体
２基材部
３凹凸構造
４平滑層
５空気

Claims

屈折率がｎ_h の材料からなり、表面に光の波長以下のピッチで微細な凹凸構造が形成された基材部と、
前記基材部の表面に設けられ、前記凹凸構造側とは反対側の面が略平坦で、かつ、屈折率がｎ_l の透明材料からなる平滑層とを備えた反射防止構造体であって、
前記ｎ_h 、ｎ_l が下記式（１）、（２）の関係を満たすことを特徴とする反射防止構造体。
（１）ｎ_h ＞２
（２）ｎ_h ＞ｎ_l
前記基材部の材料がＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ及びＩｎＮからなる群から選ばれる１つである請求項１に記載の反射防止構造体。
前記平滑層の材料がエポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、及びフッ素樹脂からなる群から選ばれる１つである請求項１に記載の反射防止構造体。