JP2012011709A - 成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次元の異方性を有する散乱光形状を得ることができる大面積のフィルム状の成形体を、簡便な装置で製造することができる成形体の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明の成形体の製造方法は、光重合性組成物を硬化してなるマトリックス２と、マトリックス中に配設されマトリックスと屈折率が異なる複数の柱状構造体４とを備えた薄板状の成形体の製造方法であって、未硬化の光重合性組成物を薄板状に配置するステップと、光重合性組成物に光を照射し、光重合性組成物を光重合硬化させ、マトリックスとマトリックス中に配設されマトリックスと屈折率が異なる複数の柱状構造体とを備えた薄板状の光重合硬化物を得るステップと、光重合硬化物を薄板の表面に沿って一軸方向に延伸して、柱状構造体の横断面形状を一軸方向に伸長させるステップと備えていることを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、成形体の製造方法に関し、詳細には、回折、偏光、拡散等の光学特性を有し、光制御フィルムとして使用されるフィルム状の成形体の製造方法に関するものである。

高分子材料は、選択できる材料の種類が豊富であり、かつ高分子材料によって製造した成形体に多様な機能を付与できる。このため、近年、高分子材料を使用して製造されたフィルム状の成形体が光制御フィルムとして光学用途で盛んに使用されている。例えば、高分子材料で形成され内部に一次元あるいは二次元の微細構造を有するフィルム状の成形体を、光制御フィルムとして利用することが提案されている。

このような成形体として、透明なマトリックス中に、このマトリックスと屈折率が異なる複数の構造体が形成されたフィルム状の成形体が知られている（例えば、特許文献１および２参照）。

これらの成形体では、複数の構造体が、フィルム状の成形体内で特定の方向に配向されており、構造体の配向方向に平行に入射した光（入射角０°）が最も強く散乱され、入射角が大きくなるにつれ散乱強度が低下する。すなわち、散乱強度が入射角依存性を有する光学的特性を備えている。

また、これらの成形体を使用した光制御フィルムでは、散乱光の形状が複数の構造体の面内配列(二次元配列)に依存している。具体的には、特許文献１の光制御フィルムでは、構造体がストライプ状に配列されているため、ストライプに直交する方向に線状の散乱光が生じ、特許文献２の光制御フィルムでは、構造体が海島状にランダムに配列されているため円形の散乱光が生じる。

前述した光制御フィルムは、散乱強度が入射角依存性を有するため、表示装置のコントラスト向上や視野角拡大、反射型／透過型プロジェクションスクリーンなどの用途に使用できる。
このような用途では、散乱光形状は、散乱光の強度分布が縦長、横長などの二次元の異方性を有する形状であることが好ましい。これは、散乱光形状が二次元の異方性を有する形状をとると、入射光が必要な領域にのみ散乱され、不必要な散乱による光の損失が低減されるためである。

しかしながら、上述したように、特許文献１の成形体を使用した光制御フィルムでは散乱光が１次元的に拡がるに過ぎず二次元の異方性を有する形状をとらない。また、特許文献２に記載の成形体を使用した光制御フィルムでは、散乱光は二次元的に拡がるが、その拡がりが等方的であるため二次元の異方性を有する散乱光形状とはならない。

一方、二次元の異方性を有する散乱光形状を得ることができる成形体を用いた光制御フィルムとして、特許文献３に記載されている方法によって得られる光制御フィルムがある。

特開平１−７７００１号公報 特開２００５−２６５９１５号公報 特許３６２９９９１号公報

特許文献３に記載の方法によれば、マスクパターンやスペックルパターンを用いることにより、二次元の異方性を有する散乱光形状を示す光制御フィルムが得られる。
しかしながら、マスクパターンを用いて光制御フィルムを得る場合には、マスク原版が必要であるが、特許文献３のようにリソグラフィー等を利用して大面積のマスクを製造することは困難であった。そのため、シームレスに比較的大面積の光制御フィルムを作製できず、また、マスクを用いる分だけ工程が煩雑となり、製造コストが上昇するという問題があった。一方、スペックルパターンを用いて光制御フィルムを得る場合には、コヒーレント性の良いレーザーなどの光源が必須であり、大面積化が困難であるという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、二次元の異方性を有する散乱光形状を得ることができる大面積のフィルム状の成形体を、簡便な装置で製造することができる成形体の製造方法を提供することを目的とする。

このような構成を有する本願発明によれば、
光重合性組成物を硬化してなるマトリックスと、該マトリックス中に配設され該マトリックスと屈折率が異なる複数の柱状構造体とを備えた薄板状の成形体の製造方法であって、
未硬化の前記光重合性組成物を薄板状に配置するステップと、
前記光重合性組成物に光を照射し、前記光重合性組成物を光重合硬化させ、マトリックスと該マトリックス中に配設され前記マトリックスと屈折率が異なる複数の柱状構造体とを備えた薄板状の光重合硬化物を得るステップと、
前記光重合硬化物を薄板の表面に沿って一軸方向に延伸して、前記柱状構造体の横断面形状を前記一軸方向に伸長させるステップと、備えている、
ことを特徴とする成形体の製造方法。

このような構成によれば、全ての柱状構造体が薄板状の成形体の表面に沿って一軸方向に伸長されるので、一軸方向に伸長された柱状構造体の作用により、二次元の異方性を有する散乱光形状を得ることができる。

また、このような構成においては、マスクを用いずに複数の柱状構造体が配列された成形体を形成し、その成形体を延伸することにより、異方性を有する散乱光形状を示す成形体を製造できるために、比較的大面積の成形体を容易に製造することができる。

本発明の他の好ましい態様によれば、前記各柱状構造体の長軸方向の長さ（Ａ）と短軸方向の長さ（Ｂ）の比（Ａ／Ｂ）が、１．１〜１０の範囲内となるように、前記伸長が行われる。

本発明によれば、二次元の異方性を有する散乱光形状を得ることができる大面積のフィルム状の成形体を、簡便な装置で製造することができる成形体の製造方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態の成形体の製造方法で製造される成形体の内部構造を透視した模式的な斜視図である。 本発明の好ましい実施形態の成形体の製造方法を説明する図面である。 本発明の好ましい実施形態の成形体の製造方法を説明する図面である。 本発明の好ましい実施形態の成形体の製造方法を説明する図面である。 本発明の好ましい実施形態の成形体の製造方法を説明する図面である。 本発明の実施例の成形体による散乱光形状を示す図面である。 比較例の成形体による散乱光形状を示す図面である。

以下、本発明の好ましい実施形態の成形体について詳細に説明する。図１は、本発明の好ましい実施形態の成形体の製造方法で製造され光制御フィルムとして使用される成形体１の内部構造を透視した模式的な斜視図である。

図１に示すように、本実施形態の成形体１は、２０〜１０００μｍの略均一な厚さを有する薄板状の形状を有している。成形体１は、基質であり薄板（フィルム）状の透明なマトリックス２と、このマトリックス２中に配置された多数の透明な柱状構造体４とを備えた相分離構造を有している。マトリックス２と各柱状構造体４は、屈折率が異なっている。

図１に示されているように、各柱状構造体４は、マトリックス２の厚さ方向に成形体１の表面から裏面まで延びるように互いに平行に配向されている。さらに、各柱状構造体４は、伸長された横断面形状（即ち、楕円や菱形のように、横断面の長軸方向の長さ６と、長さ６に略直交する短軸方向の長さが異なる形状）を有し、横断面の長軸がマトリックス２の表面に沿った一軸方向（図１ではＸ方向）に沿って延びる向きで、マトリックス２内で二次元的に配置されている。

各柱状構造体４は、長軸方向の長さ（Ａ）と短軸方向の長さ（Ｂ）の比（Ａ／Ｂ）が、１．１〜１０の範囲内であることが好ましい。Ａ／Ｂが１．１を下回ると散乱光形状が異方性を示さない恐れがある。また、１０を上回ると、後述の延伸の際に成形体１が破断したり、各柱状構造体４の配列が変化し、光制御フィルムとしての性能が損なわれる恐れがある。

柱状構造体４の横断面の長軸（多角形の場合は外接円の長軸）方向の長さ６は、８０ｎｍ以上１０００μｍ以下の範囲にあるのが好ましく、１００ｎｍ以上５０μｍの範囲にあるのがより好ましい。

また、柱状構造体４の配列周期８は、８０ｎｍ以上１０００μｍ以下の範囲にあるのが好ましく、１００ｎｍ以上５０μｍの範囲にあるのがより好ましい。

成形体１による散乱光形状は、柱状構造体４の断面形状とその配置によって定められる。異方性を有する散乱光形状を得るためには、柱状構造体４の断面形状が面内異方性を示し、各柱状構造体４が面内異方性を示す形態に配置されること好ましい。
より具体的には、各柱状構造体４は、長軸方向と短軸方向との長さが異なり、長軸方向が略同一方向になるように配置されることが好ましい。この条件を満たしていれば断面形状は問わないが、本実施形態で用いられる延伸による方法では、断面形状は楕円形やひし形となる。

上記柱状構造体４の断面形状を、上記範囲の寸法にすることによって、成形体１は、３５０〜２０００ｎｍの波長範囲の光に対する干渉効果を十分に発現することができ、例えば光制御フィルムのような一般的な光学用途で使用可能な波長範囲において高度な光制御が可能となる。
具体的には、このような構造を有する成形体１は、柱状構造体４の配向方向と平行に入射した光を散乱する異方性散乱特性を示す光制御フィルムとして機能する。

次に、本発明の好ましい実施形態の成形体１の製造方法について説明する。図２ないし図４は、本発明の好ましい実施形態の成形体の製造方法を説明する図面である。
概略的には、本実施形態の成形体の製造方法では、薄板状に配置された未硬化の光重合性組成物１０に平行光を照射して光重合硬化させた後、延伸工程を行って、成形体１を得る。光重合硬化までの工程は、従来技術の成形体製造方法と基本的に同様である。

先ず、光重合性組成物１０を薄板状に配置する。光重合性組成物１０を薄板状に配置する方法としては、光重合性組成物１０を基材上に塗布する方法、光重合性組成物１０を基材間に液密に封入する方法などが挙げられる。

基材上に塗布する方法では、例えば、光重合性組成物１０を基材１２の一方の面に、均一な厚さで、塗膜表面が平滑となるように、バーコーター、スリットダイコーター、スピンコーター、円コーター、グラビアコーター、ＣＡＰコーターなどの既知の方法によって塗布する（図２）。

また、基材間に液密に封入する方法では、例えば図３に示すように、下方基材１４と上方基材１６に挟まれた空間の周囲にスペーサ１８を配置して液密空間２０を形成し、この液密空間２０内に液体状の未硬化の光重合性組成物１０を充填する。

上方基材１６は、平行光が照射される側であるので、光重合性組成物１０を光重合させるときに使用される光を吸収しない材料で構成される必要がある。このような材料として、パイレックス（登録商標）ガラスや石英ガラス、フッ素化（メタ）アクリル樹脂等の透明プラスチック材料等がある。

基材上に塗布あるいは液密空間１８内に充填される光重合性組成物１０の厚さは、２０〜１０００μｍが好ましく、５０〜３００μｍがより好ましい。
光重合性組成物１０の厚さが２０μｍ以下であると柱状構造体４を形成させることが困難となり、１０００μｍ以上であると柱状構造体４を厚さ方向に成長させることが困難となるためである。

光重合性組成物１０には２成分以上が含まれることが好ましく、２種以上のモノマーの混合物や、１種以上のモノマーとポリマーとの混合物等が特に好ましく用いられる。このようなモノマーとしては、（メタ）アクリロイル基を含む（メタ）アクリルモノマーや、ビニル基、アリル基等を含有するものが好ましい。

光重合性組成物１０に使用されるモノマーの具体例としては、例えば、メチル（メタ）アクリレート、テトラヒドロフルフリル（メタ）アクリレート、エチルカルビトール（メタ）アクリレート、ジシクロペンテニルオキシエチル（メタ）アクリレート、イソボニル（メタ）アクリレート、フェニルカルビトール（メタ）アクリレート、ノニルフェノキシエチル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシ−３−フェノキシプロピル（メタ）アクリレート、（メタ）アクリロイルオキシエチルサクシネート、（メタ）アクリロイルオキシエチルフタレート、フェニル（メタ）アクリレート、シアノエチル（メタ）アクリレート、トリブロモフェニル（メタ）アクリレート、フェノキシエチル（メタ）アクリレート、トリブロモフェノキシエチル（メタ）アクリレート、ベンジル（メタ）アクリレート、ｐ−ブロモベンジル（メタ）アクリレート、２−エチルヘキシル（メタ）アクリレート、ラウリル（メタ）アクリレート、トリフルオロエチル（メタ）アクリレート、２，２，３，３−テトラフルオロプロピル（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリレート化合物；スチレン、ｐ−クロロスチレン、ビニルアセテート、アクリロニトリル、Ｎ−ビニルピロリドン、ビニルナフタレン等のビニル化合物；エチレングリコールビスアリルカーボネート、ジアリルフタレート、ジアリルイソフタレート等のアリル化合物等が挙げられる。

光重合性組成物１０に使用されるポリマーの具体例としては、例えば、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ナイロン等や、前記モノマー類のホモポリマー及びコポリマー等が挙げられる。

光重合性組成物１０として、２種以上のモノマーの混合物や、１種以上のモノマーとポリマーとの混合物を使用する場合には、それぞれのホモポリマーを比較したときに互いに屈折率が異なるものを使用することが好ましく、その屈折率差が大きいものを組み合わせることがより好ましい。

回折、偏向、拡散などの光制御機能を高効率で得られるようにする為には屈折率差を大きくすることが必要であり、その屈折率差が０．０１以上であることが好ましく、０．０５以上であることがより好ましい。また、重合過程でモノマーが拡散することにより分布が形成され、屈折率差が大きくなるので、拡散定数の差が大きい組み合わせ（例えば１種以上のモノマーとポリマーとの混合物）が好ましい。

なお、光重合性組成物１０に３種以上のモノマー又はポリマーを使用する場合は、それぞれのホモポリマーの少なくともいずれか２つの屈折率差が上記範囲内となるようにすればよい。また、ホモポリマーの屈折率差が最も大きい２つのモノマー又はポリマーは、高効率な回折、偏向、拡散などの光制御機能を得る為に、重量比で１０：９０〜９０：１０の割合で用いることが好ましい。

光重合性組成物１０には光重合開始剤が添加されるが、この光重合開始剤は、紫外線等の活性エネルギー線を照射して重合を行う通常の光重合で用いられるものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、ベンゾフェノン、ベンジル、ミヒラーズケトン、２−クロロチオキサントン、ベンゾインエチルエーテル、ジエトキシアセトフェノン、ｐ−ｔ−ブチルトリクロロアセトフェノン、ベンジルジメチルケタール、２−ヒドロキシ−２−メチルプロピルフェノン、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルフォリノフェニル）−ブタノン−１、ジベンゾスベロン等が挙げられる。

これら光重合開始剤の使用量は、光重合性の材料の総量に対して０.００１〜１０質量％の範囲とする事が好ましく、成形体１の透明性を落とさないようにするためには０.０１〜５質量％とする事がより好ましい。

次いで、照射光源からの平行光２２を、光重合性組成物１０に照射し（図２）、光重合性組成物１０を光重合硬化させ、マトリックス２内に多数の（未伸長の）柱状構造体４’が形成された薄膜状の光重合硬化物２４を得る（図４）。ここでは、光重合性組成物は、それ以上反応が進まないという状態まで重合硬化される。

照射光源は、平行光を照射可能であることに加えて、照射する平行光の進行方向に対する垂直断面内で、平行光の光強度分布が略一定であるものを用いる。具体的には、点光源や棒状光源からの光を、ミラーやレンズ等により光強度分布が略一定（ハット型分布）の平行光としたもの、あるいはＶＣＳＥＬ等の面状光源等を使用することができる。柱状構造体４は平行光の進行方向に成長して形成されるため、平行光の広がり角（平行度）は±０．０３ｒａｄ以下であるものが好ましい。なお、レーザー光線は平行度の点では好ましい光源であるが、その光強度分布がガウス型の分布を有しているため、適当なフィルタ等を用いて光強度分布を略一定にして使用することが好ましい。

照射光源は、照射エリアを複数の領域に分割して（例えば９領域）、各領域の光強度を測定し、下式で与えられる照度分布の値が、２．０％以下であるものを用いている。より好ましくは、１．０％以下であるものを用いている。
照度分布＝（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）×１００

照射強度は０．０１〜１００ｍＷ／ｃｍ²の範囲であることが好ましく、より好ましくは０．１〜２０ｍＷ／ｃｍ²の範囲である。照度が０．０１ｍＷ／ｃｍ²以下であると重合が完了せず、１００ｍＷ／ｃｍ²以上であると柱状構造体４が形成されずに重合が完了してしまう。

光重合性組成物１０を基板１２上に薄板状に配置する方法（図２）では、酸素による重合阻害を防ぐために光照射は不活性ガス雰囲気下で行うことが望ましい。用いる不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素などが挙げられる。ただし、不活性ガスを用いる目的は酸素を追い出すことであり、酸素を含まない組成の気体であればいずれの気体でも用いることができる。

このようにして得られた光重合硬化物２４を薄板状の光重合硬化物２４の表面に沿って一軸方向（Ｘ軸方向）に延伸することにより、（未伸長の）柱状構造体４’が（Ｘ軸方向）に伸長され、横断面形状が一軸方向に伸長された柱状構造体４を含む成形体１が得られる（図５）。

本実施形態で、一軸加熱延伸機を用いて伸長が行われる。詳細には、チャックで薄板状の光重合硬化物２４の両端を挟み、一定の速度で引っ張り伸長（延伸）させる。この際、フィルムの割れを防止するため、Ｔｇ付近まで加熱した状態で伸長される。
この伸長方法以外に、ロールスピードを変化させて延伸するなどの伸長方法が挙げられる。

延伸温度及び延伸速度は用いた光重合性組成物１０によって変えるべきであるが、延伸温度は光重合性組成物１０の光重合硬化物のガラス転移点を測定し、その温度±２０℃で延伸することが好ましく、延伸速度は０．１〜１００ｍｍ／ｓｅｃが好ましい。

また、延伸によって柱状構造体４の断面形状及び配列周期８に異方性が生じるため、目的とする散乱光形状に合致するよう延伸倍率を定める。例えば、散乱光形状の縦／横比を２としたい場合、柱状構造体４の長軸と短軸との比（Ａ／Ｂ）が２となるまで延伸する必要がある。

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内で種々の変更、変形が可能である。

以下、本発明の実施例の説明をする。
（実施例１）
ポリメチルメタクリレート（Ｍｗ＝１４０，０００）２０質量部とベンジルメタクリレート８０重量部の混合物に対しＤａｒｏｃｕｒＴＰＯ（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製）５質量部を加え、光重合性組成物を得た。

スライドグラス２枚の間に０．３ｍｍのシリコン製スペーサを配置し、前記光重合性組成物をスペーサ内部に封入させた。続いて、高圧水銀ランプから平行光を膜に垂直に照射し、光重合性組成物を重合させてフィルムを得た。平行光の強度は３ｍＷ／ｃｍ²、照射時間は５ｍｉｎとした。

続いて１００℃、１０ｍｍ／ｍｉｎでフィルムを一方向に２倍延伸し、目的とする成形体を得た。

成形体にレーザー光を入射して散乱光形状を調べたところ、図６に示すように二次元の異方性を有しており、縦／横比は約２であった。

（比較例）
実施例に記載の成形体の延伸前のフィルムにレーザー光を入射して散乱光形状を調べたところ、図７に示すように二次元では等方性を示していた。

Claims (2)

1. 光重合性組成物を硬化してなるマトリックスと、該マトリックス中に配設され該マトリックスと屈折率が異なる複数の柱状構造体とを備えた薄板状の成形体の製造方法であって、
   未硬化の前記光重合性組成物を薄板状に配置するステップと、
   前記光重合性組成物に光を照射し、前記光重合性組成物を光重合硬化させ、マトリックスと該マトリックス中に配設され前記マトリックスと屈折率が異なる複数の柱状構造体とを備えた薄板状の光重合硬化物を得るステップと、
   前記光重合硬化物を薄板の表面に沿って一軸方向に延伸して、前記柱状構造体の横断面形状を前記一軸方向に伸長させるステップと、備えている、
   ことを特徴とする成形体の製造方法。
2. 前記各柱状構造体の長軸方向の長さ（Ａ）と短軸方向の長さ（Ｂ）の比（Ａ／Ｂ）が、１．１〜１０の範囲内となるように、前記伸長が行われる、
   請求項１に記載の成形体の製造方法。