国立研究開発法人 産業技術総合研究所 製造技術研究部門

ポイント

• 貼り合わせなしで部品形態の偏光素子が実現できる世界唯一の技術
• 偏光シートでは温度85 ℃、湿度85%で2000時間以上の高耐久性を実証
• 素子面内で偏光度や偏光軸の制御も可能になり、光センシング・イメージング技術の発展に期待

概要

国立研究開発法人 産業技術総合研究所（以下「産総研」という）製造技術研究部門 穂苅 遼平 主任研究員、栗原 一真 研究主幹は、三菱ガス化学トレーディング株式会社、住友ベークライト株式会社、伊藤光学工業株式会社、東海精密工業株式会社と共同で、独自のナノ構造を利用した高機能偏光シートを開発し、さらに世界で初めて射出成形と成膜工程だけで作製できるワイヤグリッド偏光素子を開発しました。

今回、独自の三角波形状のナノ構造により、従来のフィルム・シート形態の偏光素子だけでなく、貼り合わせ工程なしで部品形態として実装できる素子の実現にも成功しました。ナノインプリント成形で製造した偏光シートでは、偏光板の単体透過率の理論限界値である50%に近い41%を簡便に実現しました。この偏光シートは、車載機器に求められる高温・高湿試験（温度85 ℃、湿度85%）に2000時間以上耐えることができます。また、独自構造による高い製造性を生かし、反射型偏光板だけでなく吸収型としても加工が可能なことから、従来の偏光板では応用が難しかった用途へも活用できます。

一方、射出成形による製造では、表面にナノ構造を形成しつつそのまま製品形状に形づくることができるため、貼り合わせ工程が不要になり、小型偏光部品の生産にも応えることができます。射出成形の金型を入れ子構造にすることにより、偏光軸を同一面内で変化させることもでき、これまでになかった偏光素子の使い方も可能になります。本技術は、ワイヤグリッド偏光素子の優れた光学特性を維持しつつ、形態面での自由度を飛躍的に向上させ、光技術産業の発展に貢献します。

なお、この技術は、2022年12月7日〜9日に幕張メッセで開催される高機能素材Weekにて展示されます。

開発の社会的背景

偏光素子は、偏光制御が必要な光学システムを支える主要な光学部品です。身近なところでは、ディスプレー、プロジェクター、偏光サングラスなどに利用されています。近年では、ヘッドアップディスプレーなど可視光の制御だけでなく、近赤外線によるセンシングシステムにも利用され始めています。今後の自動運転技術、ドローン、ロボット、バーチャルリアリティーなどのセンシング・イメージング技術の進展に伴い、これらの用途に対応した偏光素子が求められます。しかし、従来型のワイヤグリッド偏光素子を製品に実装するためには、偏光板のインサート成形や偏光板と部品の貼り合わせなどの後工程による加工が必要です。そのため、特に小型部品や複雑な形状の部品の作製は困難です。また、特性面においても、優れた偏光度と透過率を維持しつつ、さらなる高温・高湿耐性や反射率の制御など、多様化する需要に応えることが難しくなってきています。従来型のワイヤグリッド偏光素子は、広帯域で優れた光学特性を発揮します。しかし、反射型の偏光素子であるため、その用途は限定的で、さらにコストの低減が課題といわれています。

研究の経緯

産総研は、ワイヤグリッド偏光素子を偏光サングラスや車載機器に応用することを目指しています。これまでに、従来のワイヤグリッド偏光素子の反射率を10分の1以下に抑えた耐久性の高い偏光シートを印刷技術によって開発してきました（2019年7月1日 産総研プレス発表）。この偏光シートは、可視光の単体透過率が10%程度と低いことが難点でした。また、射出成形用金型へのナノ構造形成が困難で、射出成形時の離型性や成形品への成膜性などに課題があり、射出成形によるワイヤグリッド偏光素子の製造はこれまで実現できていませんでした。

しかし、今回はこの単体透過率を市販の高透過率ワイヤグリッド偏光板と同等の41%にまで向上できる技術を開発しました。また、射出成形で用いることができる金型技術を開発し、射出成形と成膜工程のみで、実装可能な部品形態の偏光素子を世界で初めて実現しました。

研究の内容

今後の予定

用途に応じて、「フィルム・シート形態」と「射出成形による部品形態」の偏光素子の研究開発を進めます。現在の共同研究体制をさらに発展させ、新たなアプリケーション開発に向けた協業・共同研究など企業連携を推進し、本技術の社会実装を目指します。

用語の説明

射出成形

金型を用いた成形法のひとつで、多種多様な形の部品の連続生産に適しています。スマートフォンのカメラレンズや自動車部品など身の回りの多くのプラスチック製品の製造に利用されています。[参照元へ戻る]

成膜技術

対象物に薄膜を形成する技術で、真空蒸着、スパッタリング、めっきなどが代表的です。半導体チップからお菓子袋など幅広い製品の製造工程に利用されています。[参照元へ戻る]

ワイヤグリッド偏光素子

対象とする光の波長よりも短い周期で縞状に並んだ細線を利用した偏光素子です。今回は新たに断面が三角波形状のナノ構造体を用いています。[参照元へ戻る]

ナノインプリント成形

微細な表面構造を持つモールドを用いた加工技術です。たとえば熱可塑性樹脂の温度変化による硬さの変化を利用して、樹脂シートを柔らかくしてからモールドで型押しし、そのままシートを硬くすることで、微細構造をシート表面に転写することができます。他にも紫外線硬化樹脂を利用する方法もあります。[参照元へ戻る]

入れ子

射出成形の金型本体の一部分、取り替え可能な部品です。金型加工が難しい部分を分けて作製し、金型本体にはめ込んで使います。[参照元へ戻る]

リフロー工程

プリント基板への電子部品や光学部品の実装において、加熱して部品を基板にはんだ付けする工程です。250 ℃以上の高温にさらされる場合もあります。[参照元へ戻る]

単体透過率

単体透過率は、(パラレルニコル透過率＋クロスニコル透過率)/2で算出されます。2つの偏光素子の偏光軸方向が平行に配置されているときをパラレルニコル（透過配置）、垂直に配置されているときをクロスニコル（遮光配置）といいます。[参照元へ戻る]

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