成果報告書詳細
管理番号20110000001351
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 ナノテク・先端部材実用化研究開発/全可視光域用ナノロッド分散ガラス偏光子の研究開発
公開日2011/11/26
報告書年度2008 - 2010
委託先名岡本硝子株式会社 国立大学法人北海道大学 川副フロンティアテクノロジー株式会社
プロジェクト番号P05023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約本事業は、高度光制御技術、特に液晶プロジェクターの高輝度・高性能化に必須の耐光性、耐熱性に優れた吸収型の全可視光域用ガラス偏光子の開発を目的とする。 本事業では、金属微粒子を分散析出させた透明なガラスを高張力で延伸して金属微粒子を伸長、一軸配向し、これらの表面プラズモン共鳴吸収の異方性を利用する方法により目的の実現を目指した。金属種としては、紫外域でも負の誘電率を有し、紫外から可視の短波長域においても偏光性の発現が期待され、かつガラス中に金属微粒子として析出可能なタリウムと銀を選んで研究開発を行った。 タリウムを利用する方法では、イオン交換法によって市販の白板ガラスにタリウムイオンを導入し、これを水素ガス還元熱処理してガラス中に金属タリウムナノ粒子を析出させて延伸するプロセスを基本として、タリウムイオンの拡散挙動や還元熱処理における金属タリウムナノ粒子の粒径、数密度分布制御方法等について詳細に検討を行った。 しかしながら、深さ方向におけるイオンの濃度分布、粒子の粒径・数密度の制御、均一化が極めて困難で、このプロセスでは理想とする粒子分布状態の実現は不可と判断するに至った。粒径の不均一によって青色光帯から赤外域の広帯域で偏光性を有するガラス偏光子が得られたものの、偏光特性は透過率70%-消光比8dB @400~800nm(57.8%-7.9dB @430~500nm)に留まり、実用レベルの性能は得られなかった。 一方、銀を利用する方法では、溶融法によって銀イオン及び塩素イオンを均一に含有するホウ珪酸ガラスを作製し、熱処理によってガラス中に塩化銀ナノ粒子を均一に分散析出させ、還元熱処理して金属銀粒子としてからガラスを加熱延伸する新規製造法によりガラス偏光子を得た。この方法では、上述のタリウムを利用する方法に比べて、サイズ的にも数密度的にも金属銀ナノ粒子の均一な分布状態を容易に実現することができ、再現性も良好であった。さらに、熱処理条件の最適化による金属銀粒子の微細化と微細金属銀粒子の高張力延伸技術の確立によって、430~500nmの青色光領域において、例えば、透過率77.0%‐消光比24.4dB、73.9%‐27.3dB、78.3%‐22.5dBと、実用可能なレベルの優れた偏光特性が得られた。 事業目標である「波長領域400~800nmの範囲に於いて平均透過率70%以上、平均消光比25dB以上」に対しては、粒径がよく揃っているために400~800nmの全波長帯域に亘って偏光性を有する偏光子は達成できなかったが、金属銀粒径とアスペクト比の増大によって緑色光及び赤色光帯域に偏光帯域をシフトすることが可能であり、目標は実質的に達成することができた。 岡本硝子(株)では、赤色光領域及び緑色光領域用の高性能ガラス偏光子の製造・販売を既に行っているが、これらに本事業で開発に成功した430~500nmの青色光波長領域のガラス偏光子を加えて液晶プロジェクターの赤、緑、青(RGB)の全波長領域用ガラス偏光子のラインナップ化を計画している。青色光領域用ガラス偏光子の市場規模は60~70億円、さらにRGB全体では 200億円規模の市場と推定されており、今後、RGB用の吸収型固体偏光子の品揃いによる小型化・高輝度化の進展により更なる発展が期待される。 今後、更なる性能の向上、生産技術の確立に努め、顧客でもある大手液晶プロジェクターメーカーからの協力・支援を得て事業化を推進していく方針である。
英文要約The purpose of this project is the development of all visible absorptive glass polarizer with excellent optical and thermal durability. Such glass polarizer is a key device for optical modules such as multifunction liquid crystal (LCD) projector with high luminance. Glass polarizer is an optical glass in which nanometer size metal rods are unidirectionally distributed. The anisotropic optical absorption caused by the surface plasmon resonance at the surface of these embedded metal rods is responsible for generating the polarization properties. In this project, glasses containing mainly thallium and silver metal rods were investigated.  1. Glasses containing thallium: Thallium ions were introduced in B270 glass plates using the technique of ion exchange. These plates were then heat treated in hydrogen gas to form metallic particles of thallium. After that, they were drawn under applied load to transform the metallic particles of spherical form into rods and hence generating polarization properties. Various conditions of ion exchange and heat treatment in hydrogen gas were performed, but the desired particle size distribution of 10~30nm over a layer thickness of 150nm which is expected to generate high polarizing properties was not achieved. And the best polarizing properties achieved were around 70%-8dB @400~800nm(57.8%-7.9dB @450nm) in transmittance and extinction ratio, respectively. These properties are far below the target of 70%-25dB fixed by this project. 2. Glasses containing silver: Silver ion containing glasses were prepared from batches of borosilicate containing silver chloride using the melting process. The prepared glasses were then heat treated in air to form silver chloride crystals. After that, they were shaped into plates and underwent a process of reduction in hydrogen gas to reduce some part of their silver chloride particles into silver metallic particles. The plates were there after drawn to transform silver metallic particles of spherical form into rods. This new process of directly drawing silver metallic particles instead of silver chloride particles as it is in the conventional process generated polarizing properties of 77.0%-24.4dB, 73.9%-27.3dB, 78.3%-22.5dB as examples over the blue region range of 430~500nm. In regard of this blue region, the properties achieved are excellent and exceed the target of 70%-25dB set by this project.  The line up of this newly developed blue absorptive glass polarizer with the already developed and being marketed green and red absorptive glass polarizer will make absorptive glass polarizer to cover the whole RGB region of 430~680nm necessary in LCD projectors. And hence, an all visible region absorptive glass polarizer was successfully developed by using silver metal. And the use of silver will also solve the safety problems posed by thallium. Our next objective will be the development of the technology for mass production of this newly developed blue region glass polarizer.
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