偏振光学元件及其制造方法和使用该元件的反射光学元件.pdf

本发明提供一种可适用于从可见光范围到红外光范围的格栅型偏振光学元件及其连续制造方法。将PET薄膜(12)通过滚筒(13)供给，在该PET薄膜的表面上使用T形模具(14)，将由聚乙稀醇、甲醛、金属处理后的ZnO胡须以及水组成的混合液以一定的厚度涂覆，然后，通过改变2轴滚筒的上部(16)和下部(16’)的圆周速度，施加剪断应力的同时进行涂覆。此时，ZnO胡须沿着薄膜的长度方向定向。然后，通过温度保持在预定的温度上的恒温槽(17)和滚筒(18)而干燥、硬化后由卷绕滚筒(19)卷绕。由上述方法得到的该偏振光学元件在红外光的波长1μm－10μm范围时偏振反射性非常高，使该偏振光学元件正交而测定红外线的反射率时该值为99％。

1.  一种偏振光学元件，其中，在透明的高分子薄膜上涂覆纤维状的导电性物质以及至少含有热硬化性树脂、光硬化树脂以及化学交联性硬化剂其中一种物质的混合液，使得纤维型导电物质一边定向一边硬化，固定上述的定向而获得该偏振光学元件，形成由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构，该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度比偏振的入射光的波长要短，长方向的长度比偏振的入射光的波长要长。

2.  根据权利要求1所记载的偏振光学元件，其中，该由上述各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度范围可为偏振的入射光的波长的1/20-1/2，长方向的长度可为该入射光的波长的2倍以上。

3.  根据权利要求2所记载的偏振光学元件，其中，偏振的入射光为可见光，该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度设置为20-350nm的范围，长度方向的长度设置为800nm以上。

4.  根据权利要求2所记载的偏振光学元件，其中，上述偏振的入射光为红外光，该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度设置为35nm-1μm的范围，长度方向的长度设置为10μm以上。

5.  根据权利要求1所记载的偏振光学元件，其中，上述纤维状导电物质为从金属胡须、导电性氧化物胡须、碳纳米管(カ一ボンナノチュ一ブ)中选择的至少一种。

6.  根据权利要求1～5中任一项所记载的偏振光学元件，其中，更进一步地，上述各向异性的导电性部分形成的表面上可设有由兼具防止导电性部分剥离的电介体多层膜构成的反射防止膜。

7.  一种偏振光学元件的连续制造方法中，包括下述的(1)～(3)三个工艺步骤，形成由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构，该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度比偏振的入射光的波长要短，长方向的长度比偏振的入射光的波长要长，该步骤包括：
(1)将透明的高分子薄膜连续地供给步骤；
(2)在上述透明的高分子薄膜上，涂覆纤维状的导电性物质以及含有热硬化性树脂、光硬化树脂或化学交联性硬化剂的混合液，且使得薄膜通过压缩辊之间，使得纤维状导电性物质沿着一个方向定向；
(3)使得含有上述热硬化性树脂、光硬化树脂或化学交联性硬化剂的混合液硬化而固定上述纤维状导电性物质的定向。

8.  根据权利要求7所记载的偏振光学元件的连续制造方法，其中，该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度范围可为偏振的入射光的波长的1/20-1/2，长方向的长度可为该入射光的波长的2倍以上。

9.  根据权利要求8所记载的偏振光学元件的连续制造方法，其中，偏振的入射光为可见光，该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度设置为20-350nm的范围，长度方向的长度设置为800nm以上。

10.  根据权利要求8所记载的偏振光学元件的连续制造方法，其中，上述偏振的入射光为红外光，该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度设置为35nm-1μm的范围，长度方向的长度设置为10μm以上。

11.  根据权利要求7所记载的偏振光学元件的连续制造方法，其中，上述纤维状导电物质为从金属胡须、导电性氧化物胡须、碳纳米管(カ一ボンナノチュ一ブ)中选择的至少一种。

12.  根据权利要求7～11中任一项所记载的偏振光学元件的连续制造方法，其中，更进一步地，上述各向异性的导电性部分形成的表面上可设有由兼具防止导电性部分剥离的电介体多层膜构成的反射防止膜。

13.  一种反射光学元件，其中，该元件是由上述权利要求1-6中任一项记载的偏振光学元件构成的两个薄膜以各自的导电性物质正交这样的设置方式设置而成。

14.  根据权利要求13所记载的反射光学元件，其能够反射可见光、红外光、毫米波以及微波。

15.  根据权利要求13所记载的反射光学元件，其中，可见光能够透过，而红外光、毫米波以及微波被反射。

偏振光学元件及其制造方法 和使用该元件的反射光学元件
技术领域
本发明涉及偏振光学元件及其制造方法和使用该元件的反射光学元件，尤其涉及一种采用滚压技术制造的从可见光范围至红外线范围均可使用的格栅型偏振光学元件及其连续制造方法以及使用该偏振光学元件的反射光学元件。
背景技术
截至目前为止，人们知道3种薄膜状的偏振光学元件的制作方法。第1种方法如下述专利文献1所公开的那样，即将碘元素这样的二色性色素掺杂到延伸的聚乙烯醇(PVA)薄膜中的方法。在该方法中，将吸附着碘元素络合物等的二色性物质的PVA的薄膜通过旋转的滚筒之间，一边加热一边沿着轴向延伸，使PVA分子定向的同时使得碘元素络合物也定向。在该结构的薄膜状的偏振光学元件中，因为振动面正交于薄膜延伸方向的光是可以透过的，但是振动面平行于薄膜延伸方向的光被吸收而消失，所以，如果将两个该薄膜状的偏振光学元件重叠设置，那么因整个振动面的光被吸收而变得黑暗。因为由该第1种方法制造的偏振光学元件价格便宜、消光比好，而且可制造任意大小的薄膜状的偏振光学元件，所以，在目前的液晶显示装置等中广泛地使用，但是，使用范围几乎限于可见光范围。
第2种薄膜状的偏振光学元件的制作方法如下述专利文献2所公开的那样，即将两种的高分子或无机微粒子分散到高分子中，沿着轴向延伸处理，例如在延伸方向使得混合的物质的折射率保持一致，而在垂直方向上产生尽量大的折射率差Δn。即使与上述方法相反，即在延伸方向使得折射率差Δn变大而在垂直方向上的折射率差Δn＝0这种设置也是可以的。在任意场合中，理想的状况是将一个方向上的折射率差Δn尽量大而为0.5以上，将另一方向上的折射率差Δn设置为0，但是，探究该条件是极其困难的事情。因此，在由该第二种方法制成的偏振光学元件中，可制成小面积的偏振光学元件，但是，即使局部上延伸倍率较小而变得不同时，该部分的折射率差Δn与其他部分的折射率差Δn就变得不同，所以偏振功能变弱。另外，为获得预定的偏振性能，因具有某程度厚度是必要的，所以，很难获得薄膜化的高性能的偏振光学元件。
另外，第3种薄膜状的偏振光学元件的制作方法是这样的，即通过将细金属丝的间隔设为偏振的波长以下而获得偏振性。由该方法制作的偏振光学元件被称为格栅型偏振光学元件。细金属丝的间隔d设为比光的波长λ要足够小的间隔，具体地以d＜λ/2这一间隔等间距地设置的场合中，表示出作为光学偏振元件的作用。该形式的偏振光学元件具有如下功能，即振动面与金属线的长度方向相同的光予以反射，振动面与该金属线的垂直方向相同的光予以透过。因此，该格栅型的偏振光学元件与上述第1种的薄膜状的偏振光学元件的动作原理完全不同，将两个格栅型偏振光学元件以正交的方式重叠设置时，因为可反射整个振动面上的入射光，所以实质上起到镜子的作用。该格栅型地偏振光学元件虽然可提高光的透过率，但是需要将导电性的细金属丝及其间隔设置在偏振的波长以下。因此，目前使用在波长较长的红外线等中，在可见光的偏振上不适合，所以，几乎不使用。
作为这样的格栅型偏振光学元件的一个例子，在下述的专利文献3中公开了上述格栅型偏振光学元件的制造方法，即在电介体中或电介体表面上将金属以格子状的方式分布而成结构的格栅型偏振光学元件中，将金属以格子状方式填充在两个电介体之间且一体化后，将上述金属格子整体沿着直线方向上加热延伸或压延而制造得到上述格栅型的偏振光学元件。
然而，在下述专利文献3中公开的格栅型的偏振光学元件的制造方法中，因为需要加热到金属伸展所需要的温度，所以以高分子物质作为电介体的场合，在该温度时高分子物质已经变为融液状态或已经分离，这样，不能制作偏振光学元件，另外，大面积化实际上也是困难的。
另外，下述的专利文献4中公开了一种格栅型的偏振光学元件，其中通过透明而柔软的基板上形成金属膜，在金属膜的融点以下时延伸基板和金属膜，这样，形成由具有各向异性的形状的金属部分和电介体部分构成的结构。
然而，如果利用下述专利文献4中公开的格栅型偏振光学元件的制造方法，因为延伸透明而柔软的基板通过延伸而均匀地延伸，在该基板上的金属薄膜上也施加均匀的延伸力，所以，由金属膜形成的金属线不以波长级的间隔规则地并列。即使用如金这样的延展性良好的金属时，因为该金属与基板一起延伸而覆盖不相变的基板，一方面，使用不具有如铝这样的延展性好的金属时，因为产生不规则的裂纹，同时金属从基板上脱落，所以存在几乎不能得到偏振效果这样的问题。
另外，近年来，如专利文献5所公开的那样，提出在玻璃板上利用光致抗蚀膜而制作细沟，通过在该处蒸发金属，制成可见光域的偏振光学元件的方法，但是，在该方法中，制造过程复杂，价格变高，实践中不能实现5cm²以上的大面积化作业。
因此，在上述的格栅型的偏振光学元件的制造方法中，只能获得最大几平方厘米的偏振光学元件，不能获得具有该面积以上的大面积的薄膜状的格栅型的偏振光学元件。因此，人们强烈需要开发出这样一种大面积的薄膜状的格栅型的偏振光学元件及其便宜的制造方法，其具有从可见光范围到红外线范围使得偏振效果提高的、在使用波长的1/10的幅宽即从10nm至几微米的幅宽下具有使用波长的10倍以上的长度即从几百纳米至几百微米长度的导电体和电介体交互地配置的结构。
〖专利文献1〗特开平05-019247号公报(段落[0008])
〖专利文献2〗特开2002-022966号公报(专利请求的范围、段落[0033～0043])
〖专利文献3〗特开平9-090122号公报(专利请求的范围、段落[0011～0021]、图1)
〖专利文献4〗特开2001-074935号公报(专利请求的范围、段落[0011～0014]、图1、图2)
〖专利文献5〗特表2003-529680号公报(专利请求的范围)
发明内容
本发明的发明人为解决上述现有的格栅型偏振光学元件的制造上的问题，为了提供一种高性能的大面积的且制造成本低的格栅型偏振光学元件的连续制造方法而进行不断地研究，结果发现，利用极小直径和长度比该直径足够长的细微的导电性纤维时，利用滚压技术能够将具有光或电波的波长以下的幅宽的导电性细线以比光或电波的波长足够小的间隔并列地设置在高分子薄膜的表面，从而完成本发明。
即本发明的第1目的在于提供一种格栅型偏振光学元件，该元件可使用于从可见光范围到红外线范围的波长的光，且性能高、面积大且制造成本低。
另外，本发明的第2目的在于提供一种推动滚压延伸技术发展的上述格栅型偏振光学元件的连续制造方法。
更进一步地，本发明的第3目的在于提供一种将上述格栅型偏振光学元件复合化的在从可见光范围和红外线范围到毫米波、微波的范围较大的波长带域幅宽中的格栅型的反射光学元件。
本发明的第1目的是通过下述结构得以实现的。在透明的高分子薄膜上涂覆纤维状的导电性物质以及至少含有热硬化性树脂、光硬化树脂以及化学交联性硬化剂其中一种物质的混合液，使得纤维型导电物质一边定向一边硬化，固定上述的定向而获得该偏振光学元件，形成由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构，该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度比偏振的入射光的波长要短，长方向的长度比偏振的入射光的波长要长。
在该场合中，偏振特性是由作为主要成分的纤维状导电性物质的尺寸、浓度、分散状态、定向状态等确定的，所以，作为高分子薄膜、热硬化性树脂、光硬化树脂或化学交联性硬化剂，如果为透明的则适宜选择公知的上述物质来使用。
在上述的偏振光学元件中，该由上述各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度范围可为偏振的入射光的波长的1/20-1/2，长方向的长度可为该入射光的波长的2倍以上。在该场合中，该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度小于1/20时，因为上述各向异性的导电性部分的光不吸收而反射多，所以，因光透过率差而不好。另外，超过1/2时偏振特性变差。更进一步地，该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的长方向上的长度小于2倍时，偏振特性变差。另外，在制作时长方向上的长度限制理论上是不存在的，通过使用的偏振光学元件的尺寸来确定即可。
偏振的入射光为可见光时，因为波长范围约为400-700nm，如果该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度设置为20-350nm的范围，长度方向的长度设置为800nm以上，则可获得偏振性能良好的偏振光学元件。
另外，偏振的入射光为红外光时，因为波长范围约为700nm以上，如果该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度设置为35nm-1μm的范围，长度方向的长度设置为10μm以上，则可获得偏振性能良好的偏振光学元件。
另外，上述纤维状导电物质最好为从金属胡须、导电性氧化物胡须、碳纳米管(カ一ボンナノチユ一ブ)中选择的至少一种。更进一步地，上述各向异性的导电性部分形成的表面上可设有由兼具防止导电性部分剥离的电介体多层膜构成的反射防止膜。
另外，本申请的第2目的是通过以下的结构予以实现的。即在本申请的偏振光学元件的连续制造方法中，其中，包括下述的(1)～(3)三个工艺步骤，形成由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构，该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度比偏振的入射光的波长要短，长方向的长度比偏振的入射光的波长要长。
将透明的高分子薄膜连续地供给步骤；
在上述透明的高分子薄膜上，涂覆纤维状的导电性物质以及含有热硬化性树脂、光硬化树脂或化学交联性硬化剂的混合液，且使得薄膜通过压缩辊之间，使得纤维状导电性物质沿着一个方向定向；
使得含有上述热硬化性树脂、光硬化树脂或化学交联性硬化剂的混合液硬化而固定上述纤维状导电性物质的定向。
在上述的偏振光学元件的连续制造方法中，该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度范围可为偏振的入射光的波长的1/20-1/2，长方向的长度可为该入射光的波长的2倍以上。在该场合中，该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度小于1/20时，因为上述各向异性的导电性部分的光不吸收而反射多，所以，因光透过率差而不好。另外，超过1/2时偏振特性变差。更进一步地，该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的长方向上的长度小于2倍时，偏振特性变差。另外，在制作时长方向上的长度限制理论上是不存在的，通过使用的偏振光学元件的尺寸来确定即可。
偏振的入射光为可见光时，因为波长范围约为400-700nm，如果该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度设置为20-350nm的范围，长度方向的长度设置为800nm以上，则可制造出偏振性能良好的偏振光学元件。
另外，偏振的入射光为红外光时，因为波长范围约为700nm以上，如果该由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的短方向上的长度设置为35nm-1μm的范围，长度方向的长度设置为10μm以上，则可制造出偏振性能良好的偏振光学元件。
另外，上述纤维状导电性物质最好为从金属胡须、导电性氧化物胡须、碳纳米管(カ一ボンナノチユ一ブ)中选择的至少一种。更进一步地，上述各向异性的导电性部分形成的表面上可设有由兼具防止导电性部分剥离的电介体多层膜构成的反射防止膜。
更进一步地，本发明的上述的第3目的是通过以下的结构予以实现的。即在本申请所记载的反射光学元件中，其中，该元件是由上述偏振光学元件构成的两个薄膜以各自的导电性物质垂直这样的设置方式设置而成。
在该场合中，本发明的格栅型偏振光学元件具有下述功能，即反射光，该光具有与导电性部分的长度方向相同的振动面，透过光，该光具有与其垂直方向相同振动面。因此，将两个格栅型偏振光学元件以垂直相交方式重叠设置时，可反射整个振动面上的入射光，因此实质上起到镜子的作用。
在该场合中，通过对本发明的格栅型偏振光学元件的由各向异性的导电性部分和高分子电介体部分构成的结构的尺寸予以选择，可使得可见光、红外光、毫米波以及微波被反射，或者使得可见光得以透过，而红外光、毫米波以及微波被反射。
利用本发明的上述结构可实现如下效果。即根据本发明的格栅型偏振光学元件，利用极小直径和长度比该直径足够长的细微的导电性纤维时，如以下的实施例详述的那样，利用滚压技术，可提供一种大面积的薄膜状的偏振性能良好的光透过率高的且可用于从可见光范围至红外光范围的格栅型偏振光学元件。特别地，根据本发明的偏振光学元件，更进一步地，因为上述各向异性的导电性部分形成的表面上设有由兼具防止导电性部分剥离的电介体多层膜构成的反射防止膜，从而可得到恶化被抑制的且光透过率提高的偏振光学元件。
更进一步地，根据本发明的偏振光学元件的连续制造方法，通过滚压法可将偏振光学元件连续地、简单且低价地制造成大面积的偏振光学元件。
更进一步地，根据本发明的反射光学元件，可获得大面积的薄膜状的可反射一定波长乃至电磁波的反射光学元件。因此，如果将该反射光学元件用于如汽车的前玻璃、侧玻璃等中时，那么即使有对面行驶来的车的远光，对于驾驶员来讲也不会刺眼。另外，如果用于建筑物的窗户上，因为可见光可以透过而红外光以及波长大于红外光的电磁波被反射，所以，不仅室内变得明亮，而且可提高建筑物的隔热性。
附图说明
图1为实施例1中使用的偏振光学元件的连续制造装置的示意图；
图2为实施例2中使用的偏振光学元件的连续制造装置的示意图；
图3为实施例3中使用的偏振光学元件的连续制造装置的示意图。
具体实施方式
下面，通过实施例对实施本发明的最佳的形态予以说明。另外，本发明不限于下述的实施例中所记载的内容，本发明的保护范围是以权利要求中记载的技术的范围为准。
〖实施例1〗
在实施例1中，使用图1所示的偏振光学元件的连续制造装置10，聚对苯二甲酸乙二醇(酯)(PET)薄膜的表面上固定ZnO胡须而制作薄膜状的偏振光学元件。首先，将来自PET薄膜的供给滚筒11的PET薄膜12通过滚筒13供给，利用T形模具将由聚乙稀醇、甲醛、金属处理后的ZnO胡须以及水组成的混合液以一定的厚度涂覆在该PET薄膜的表面上，然后，通过改变2轴滚筒的上部16和下部16’的圆周速度，施加剪断应力的同时进行涂覆。此时，ZnO胡须沿着薄膜的长度方向定向。然后，通过温度保持在预定的温度上的恒温槽17和滚筒18而干燥、硬化后由卷绕滚筒19卷绕，这样，可得到导电性的ZnO胡须定向于薄膜长度方向上的偏振光学元件。该偏振光学元件在红外光的波长1μm-10μm范围时偏振反射性非常高，使该偏振光学元件垂直相交而测定红外线的反射率时该值为99％。另外，在实施例1中，尽管在将含有导电性的ZnO胡须的混合液涂覆在PET薄膜上时采用T模具法，但是不限于此，也可采用刮刀法等公知的涂覆方法。
〖实施例2〗
在第2实施例中，利用在实施例1中所使用的图1所示的装置，制造在导电性物质的表面上设有反射防止膜的薄膜状偏振光学元件。图2中表示出实施例2中使用的偏振光学元件的连续制造装置20的结构。另外，在图2中，与图1中所示的结构相同的结构部分采用相同的附图标记表示，省略其详细的说明。首先，通过与实施例1同样而制造的恒温槽17以及滚筒18而被干燥、硬化的表面上，涂覆由导电性的ZnO胡须构成的导电性物质，将从低折射率和高折射率的高分子薄膜彼此相互多层层压后的反射防止薄膜的供给辊筒22供给的反射防止薄膜通过滚筒23层叠在已经附有上述导电性物质的PET薄膜21的面上，通过滚筒24而被粘接。该新添加的反射防止膜不仅具有防止光反射的作用，而且在滚筒24的作用下具有防止粘附到PET薄膜表面上的ZnO胡须脱落的作用。此后，通过在恒温槽25内的热处理作用，加强了粘接的牢固性。通过滚筒26由卷绕滚筒27卷绕。卷绕到该卷绕滚筒27上的薄膜状的偏振光学元件具有与实施例1中的偏振光学元件相同的偏振效果。
〖实施例3〗
在实施例3中，利用在图3中所示的偏振光学元件的连续制造装置，通过在聚碳酸酯薄膜上固定有碳纳米管而制造薄膜状的偏振光学元件。首先，将来自聚碳酸酯的供给辊31的聚碳酸酯薄膜32通过滚筒33供给到圆周速度各不相同的两个轴滚筒34、35。而且，将混合有市售的碳纳米管的光致抗蚀膜溶液36以液滴37的状态从上述的圆周速度不同的两个轴滚筒34、35的上部滴下，是加剪断应力的同时进行涂覆作业。此时，碳钠管沿着薄膜的长度方向定向。然后，用曝光装置38进行光照射固定上述的定向，用卷绕的滚筒39进行卷绕。如此获得的薄膜状的偏振光学元件的偏振度在可见光的波长420～700nm的范围为98％。