科学研究 - 日本利用印刷技术实现偏振度99％以上、反射率低于5％的耐久性偏振片

日本产业技术综合研究所（产综研）与菱江化学公司、东海精密工业公司和伊藤光学工业公司合作，开发出了具备低反射率和高耐久性的线栅偏振片，采用的线栅偏振元件与目前主流的二向色性染料偏振片相比，耐久性和透明性更高、反射率由以往的51％降至1/10以下。

研究小组通过用金属墨水形成线栅偏振元件的结构并适当进行烧制，全球率先实现了偏振度达到99％以上、反射率低于5％的低反射率线栅偏振片。以往的线栅偏振元件虽然具有偏振度高、透射率高及厚度薄等优点，但因采用精密成膜的金属，反射率比较高，用途仅限于液晶投影仪等。而采用新开发的技术不但保留了以往的线栅偏振元件的特点，还降低了反射率。另外，新开发的线栅偏振片还具备耐热性、耐湿性、耐光性和耐刮擦性，因此还有望应用于此前难以利用的眼镜行业和汽车行业等。

图1：新开发的具备低反射率和高耐久性的线栅偏振片

研究小组通过降低高耐久性金属线栅偏振元件的反射率，实现了具有低反射率和高耐久性的可见光用偏振片。可见光用线栅偏振元件的线结构要求线宽远远小于可见光的波长（400nm~800nm），通过使线结构变得更细、更厚，可以提高偏振特性，因此需要实现线宽比此前验证的80nm还要细的线结构。研究小组通过充分融合纳米压印技术、湿度控制技术和印刷技术，开发出了能形成线宽在50nm以下、宽高比达到10以上的金属墨水图案的厚膜纳米印刷技术，并全球首次利用金属墨水实现了可见光用线栅偏振片。

图2是新开发的线栅偏振片的制作方法。首先，使用具有条纹状凸起结构的模具，通过纳米压印技术在树脂片上形成凹槽。然后，利用刀片向凹槽部分填充金属墨水。最后用烘箱进行烧制，制作线栅偏振片。现已确立形成75mm见方偏振片的技术，通过使用更大面积的模具，还有望进一步扩大面积。

图2：具备低反射率和高耐久性的线栅偏振片的制作方法

以往的线栅偏振元件采用通过真空沉积技术精密沉积的金属膜形成线栅结构，与线的方向平行的偏振光入射光通过镜面反射，反射率比较高。而新开发的偏振片通过用银纳米粒子墨水的低温烧制体形成的线栅结构来发挥偏振功能，为降低反射率，在线的表面和背面形成了凹凸形状，并形成了锥形（图3（上）模式图、（下）电子显微镜图像（SEM）的照片）。表面一侧的凹凸形状通过控制烧制条件形成。背面一侧的凹凸同样能通过控制烧制条件形成，不过从模具的截面电子线显微镜图像（图3下）可以看出，将模具顶端制成了锥形，同时形成凹凸形状，这种形状体现在了树脂片的凹槽形状中。此次，通过灵活控制凹凸形状，实现了低于5％的反射率。

图3：线栅偏振片及开发时使用的模具的结构

表1比较了新开发的低反射率线栅偏振片与以往的二向色性染料偏振片和线栅偏振片的性能。表中的透射率和反射率分别为光透射率和光反射率。新开发的偏振片的特性可以通过线栅结构和烧制条件调整，作为示例，表中列出了2种开发品（A、B）。研究小组根据可靠性耐久性试验标准，模拟严酷的车载环境和高亮度光照射环境，对开发品实施了耐久性试验。开发品通过以烧制工艺形成的金属烧制体发挥偏振元件功能，另外，由于金属烧制体嵌在偏振片表面的深凹槽中，所以对高温、高湿和光的耐性较强，试验前和试验后光学特性的变化非常小，从这个结果来看，可以说耐久性比较高。

另一方面，二向色性染料偏振片由于使用了染料，耐热性比较低，在严酷的条件下出现变色现象。另外，以往的线栅偏振片虽然金属层本身耐热且耐光，但由于堆叠了金属层和基材，在严苛的条件下观察到卷曲和发暗现象。在开发品的光学特性中，虽然偏振度和透射率不如以往的线栅偏振片，但反射率可降至1/10以下。与二向色性染料偏振片相比的话，二者的光学特性基本相同，开发品在耐久性方面更占优势。今后，光学特性的目标是偏振度达到99.9％以上，透射率达到40％以上，反射率降至5％以下，不过从目前具备的高耐久性和耐刮擦性等优点来看，应该也存在满足产品性能要求的用途。研究小组已经发现提高光学特性和控制反射率的方法，准备根据用途推进研发。