JP2002068761A - 熱間成形法によりガラス又は塑性物基板に微細構造を造る方法及びこれに付随する成形工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガラス又は塑性物基板に微細構造を造るた
め、生成されるべき微細構造のネガにより成形工具を構
造化し、構造化中に構造化された形成工具面を粘性ガラ
ス又は粘性塑性物基板に圧入し、次いで成形工具を構造
化されたガラス又は塑性物面から取り外す方法におい
て、成形工具による微細構造の形成中に、溶融ガラス又
は塑性物が成形工具のネガ構造化された面に出来るだけ
完全に埋まり、且つ成形工具が基板から取り外されると
き、形成された構造が破損されないようにする。 【解決手段】成形工具に、少なくとも一部が開気孔構造
の多孔質である母材を含む基体が用意され、これが形成
中の構造には低又は負圧で作用し、成形工具を取り外す
ときは構造に過圧力で作用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱間成形又は熱成形法
によりガラス又は塑性物基板に微細構造を造る方法、特
に造ろうとする微細構造のネガ[negative]により面が構
造化されている成形工具をガラス又は塑性物基板に押圧
し、次いで構造化の完了後の基板から成形工具を取り外
すようにした方法に関する。本発明はまた、この種の微
細構造を熱間成型法で造るのに用いられる成形工具に関
する。

【０００２】

【従来の技術】幾つかの新しい工学分野では、面が微細
構造を有するガラス又は塑性物基板が必要である。例え
ば、精密用途用の板ガラスであって、精度が尚一層高い
微細構造が付与された板ガラスが特にディスプレー装
置、照明システムや、光学及び医療工学用途、センサ技
術に用いられる。より新しいフラットスクリーンディス
プレー用ディスプレーパネル、所謂プラズマディスプレ
ーパネル（ＰＤＰ）又はプラズマアドレス液晶（ＰＡＬ
Ｃ）ディスプレーパネルは特に重要である。

【０００３】これ等の所謂チャネルプレートには、数個
の平行チャネルの形式の微細チャネル構造が形成され
る。この種のチャネルプレートの一部を図６に示す詳細
図で説明する。この図に見られるチャネル形状微細構造
は経済的であり、寸法を異にするディスプレー（対角が
５５インチのディスプレイスクリーンまで）の大規模製
造に用いられる。構造寸法はスクリーンフォーマットと
は独立して次の範囲に有る。ピッチＸ＝１５０〜６５０
μｍ、高さＹ＝１００〜２５０μｍ、幅Ｚ＝２０〜５０
μｍ。例えば４２”ハイビジョンＰＤＰディスプレーで
は、（１ピッチの）チャネルが長さ約５２０ｍｍに亘っ
て約５７６０個、即ち間隔Ｘ（所謂ピッチ）を約１６１
μｍ、高さＹを１５０μｍ、幅Ｚを３０μｍとして、こ
れ等が数μｍの公差で造られる。他の工学的用途でも問
題は同様である。

【０００４】微細構造を形成する幾つかの異なる方法が
知られている。一つの方法では、壁を数層次々と、スク
リーン印刷法で基板に設ける。この方法ではかなりの手
間が掛かり、高コストとなる。サンドブラスト又は研削
法で基板面を構造化する方法も有る。研削法では、共通
主軸上に複数の高精密研削ディスクがスペーシングリン
グで互いに軸中心に離間されて設けられた高精度多ディ
スク研削モジュールが用いられる。

【０００５】適宜に構造化された面をもつ成形工具を用
いて、所謂熱間成形法により塑性化ガラス又は塑性物に
微細構造を形成することも知られている。これを行うに
は、溶融体又は可塑体から直接ガラス材料に行う所謂プ
ロトタイプ熱間成形法でも、ＤＥ１９７１３３１２Ａ１
に記載されているように個体基板を用いるコンバージョ
ン熱間成形法でも良い。後者にあっては、成形工程の直
前に基板面を溶融する形成工具の構造化面を局部加熱す
る。

【０００６】成形工具の面を成形するには、基板に形成
しようとする所定構造のネガに従って工具面を成形し、
基板にこの構造が成形されるようにしなければならな
い。図６のチャネル構造に対応するネガ面を、ＰＡＬＣ
チャネルプレートの記載具体例に対応して図５に示す。

【０００７】成形工程中、低粘性ガラス（又は塑性物）
が成形工具の構造に順応する。この目的に用いられる成
形工具の選択は折衷事項である。成形工具上の溶融液相
の濡れは、ガラス又は塑性物が作業中の成形工具上の構
造化面に出来るだけ完全に圧入されるように、大きくな
ければならない。他方、構造化されるべきガラス又は塑
性物は、所望のμｍ規模構造が成形されたら成形工具材
料から再分離出来なければならない、即ち、濡れは小さ
い方が良い。濡れ挙動が極めて良好な材料は良好なμｍ
規模構造を生ずるが、分離の際に粘着が生じ、形成され
た構造を壊してしまう。

【０００８】これと反対に、材料の濡れが悪いと、形成
されるμｍ規模構造は良くない。他方、分離の際形成さ
れるμｍ構造が壊れる確率は最小である。

【０００９】上記の要求条件を最適に満足する材料の組
み合わせ、即ち成形工具が基板に押入されるとき、成形
工具の負（ネガ）に構造化された面が完全に充填される
ことと、成形工具が構造から、即ち構造の成形後引き離
されるとき、生成された構造が壊れないことを保証する
材料の組み合わせは現在まで、見出されていない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ガラ
ス又は塑性物基板に微細構造を造る上記形式の方法であ
って、成形工具による微細構造の形成中に、溶融ガラス
又は塑性物が成形工具のネガ構造化されている面に出来
るだけ完全に埋まり、且つ成形工具が基板から取り外さ
れるとき、形成された構造が破損されないようにする方
法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】以下、より明瞭になるで
あろう上記及び他の目的は、熱間成形法によりガラス又
は塑性物基板[substrate]に微細構造を造る方法であっ
て、生成されるべき微細構造のネガに従って成形工具を
構造化し、構造化中の構造化された成形工具面を粘性ガ
ラス又は粘性塑性物基板に圧入し、次いで成形工具を構
造化されたガラス又は塑性物面から取り外す方法におい
て達せられる。本発明による方法に用いられる成形工具
には、少なくとも一部が開気孔構造の多孔質である母材
を含む基体[base body]が用意され、これが形成中の構
造には低又は負圧[an under-pressure]で作用し、成形
工具を取り外すときは構造に過圧力で作用する。

【００１２】熱間成形法によりガラス又は塑性物面に微
細構造を造る本発明の成形工具は、基体と、基体の片側
の面に設けられた作用層と、基体の反対側に有る他の面
から空気を供給又は引き出す手段を含んで成る。基体は
開気孔構造の多孔性母材から成り、作用層は、成形工具
により生成されるべき微細構造のネガに従って構造化さ
れ気体不透過性材料から成り作用層を通して開気孔構造
の母材に達する陥凹又は溝を形成しているものである。

【００１３】斯くして、本発明による方法では、成形工
具のネガ構造の陥凹又は溝には、低又は負圧、又は過圧
が、陥凹又は溝の底部を通して空気が吸送又は圧送され
ることで、発生される。

【００１４】空気の吸引、陥凹又は溝内の低圧、又は低
又は負圧が、陥凹又は溝をガラス又は塑性物材料で満た
すプロセスを補助する。また反対に、陥凹又は溝の底部
を空気が吹送、又は圧送されることによりガラス又は塑
性物基板からの成形工具の取り外しが補助される。

【００１５】本発明方法の好ましい実施態様によれば、
粘性ガラス又は塑性物基板がガラス又は塑性物材料の溶
融体から直接選ばれる。

【００１６】本発明方法の別の好ましい実施態様によれ
ば、固体のガラス又は塑性物基板が用意され、微細構造
が形成される前にこの固体ガラス又は塑性物基板が局部
加熱されて、基板の微細構造が形成されるべき領域を可
塑化する。

【００１７】本発明方法の別の好ましい実施態様によれ
ば、基板が固体形式で存在するとき、ガラス又は塑性物
材料を溶融するための追加のエネルギーが必要ではある
が、用途によっては基板材料の取り扱いを簡単にし、溶
融体とは独立させることが有利と考えられる。

【００１８】成形工具の或る種の実施態様では、基体全
体が開気孔構造の多孔性材料から成る。

【００１９】効率と技術的使用能力を高めるための代替
として、作業層に隣接又は近接する基体の一部のみが開
気孔構造の多孔性母材から成り、残部が気体不透過性と
なるように成形工具を形成することも出来る。

【００２０】本発明の好ましい実施態様の他の特徴によ
れば、多孔性母材の側壁を気体不透過性とする。この特
徴によれば、成形工具のネガ構造の陥凹又は溝に充分な
低又は負圧、又は過圧が供給され、即ち陥凹又は溝に作
用する結果、基板への微細構造の形成と基板からの成形
工具の取り外しが最適化される。

【００２１】成形工具を、特定用途に応じたプレスロー
ラ又はプレス工具で構成すると有利である。

【００２２】

【実施態様】本発明の目的、特徴及び作用、効果を以
下、添付図面を参照してその好適な具体例に関して詳細
に説明する。本発明による成形工具の基本構造を図１に
断面図で示す。図１に示す成形工具の具体例は多孔性母
材から成る基体１を有し、この母材には多数の開いた気
孔７を含む開気孔構造が備わる。従って、基体１は気体
透過性、通気性がある。この開気孔構造を用意するに
は、例えば焼結法を用いれば良い。多孔性母材は金属で
も良いが、実際上セラミックが好ましい。

【００２３】この方法に用いられる成形工具の種々異な
る形状は図１に示されていない。この形式の熱間成形法
では、回転対称ロール及び平面プレス工具、ダイ又はモ
ールド型が通常用いられる。構造化のためには、成形工
具の位置決め／圧締めをその形状に合わせるだけで良
い。

【００２４】作用層２、即ち成形工具の構造化面が基体
１に付加されている。作用層２は多孔質でなく、即ち開
気孔構造を有しない。構造は角形輪郭によって象徴的に
示されている。この構造の形状は、図６のチャネルプレ
ート用ガラス基板の構造化に関して図５で既に述べたも
のに対応する。

【００２５】作用層の材料として、Fe、Ni及びCo系高温
合金、例えばInconel（商標）、Incoloy（商標）、Nicr
ofer（商標）、Nimonic（商標）、Udimet（商標）、PM1
000、PM2000、Deloro alloys（商標）、Stellite（商
標）、Tribaloy（商標）、Hastelloy（商標）及びHayne
s（商標）；セラミック材料、例えばSi3N4、SiC、SiO
2、Al2O3、ZrO2、B4C、BN、BCN、WC、TiC、TiN、Ti2N、
TiB2、TiCN、TiAlN、AlN、AlON、CrN、CrON、ZrN及びTa
C；貴金属又は合金（Pt、Au、Ir、Rh、Os、Ru、Re）及
び耐熱金属（W、Hf、Ta、Hb、Mo）を挙げることが出来
る。

【００２６】作用層の付加、又はそのネガ微細構造化
は、種々異なる製造工程（プロセス）によることができ
る。結果として生ずる構造は構造化プロセスに関連し
て、次の主要求条件を満たすべきである。 −形成しようとする要求形状を正確にネガ（負）マップ
化又は表わす（大表面積≦１ｍ^２）。 −工具面の平坦度又は平面度が高く、面粗さが小さい
（ガラス又は塑性物基板に粗さが生ずるのを回避する）
こと。 −側面が、アンダーカットの無い平滑な面であること
（取り外しの容易さを保証）。

【００２７】次の方法はこれ等の主要求条件を満たし、
工具を構造化するのに好ましい。 −火花放電加工法：このストリップエロージョン法によ
り、大面積工具の処理が可能である。工具を構造化し
て、ディスク又はピン電極を生成する。 −研削加工法：工具の加工を適宜に構造化された研削デ
ィスクで行う。 −微細加工法：加工にダイヤモンド加工工具を用いる
が、加工可能な材料が極めて制限される（耐高温合金は
加工に適しない）。 −レーザ処理法：フェムト秒領域の極めて短いレーザパ
ルスを用いることにより、成型工具に構造を生じること
が出来る。 上記要求条件を満足する他の方法も考えられる。

【００２８】以下に記載の方法による熱間成形工程に、
このような構造化作用層が備わる多孔質成形工具を用い
ることが出来る。成形工具が粘性ガラス又は塑性物材料
に圧入され、μｍ構造が形成される間に、成形工具の開
いた気孔を通して空気が吸引され、構造化壁間の間隙又
は空間（溝又は陥凹１１）内のガラス又は塑性物との界
面において低又は負圧、又は部分真空が生じる。この吸
引作用のためガラス／塑性物溶融体３が溝又は陥凹１１
に引き込まれ、これがその構造化を補助する。本発明に
よる方法のこのステップを図２に示す。ポンプ４が少な
くとも一つ、好ましくは二つ、多孔質基体１に隣接する
室又は空間９に連結されて、必要な低又は負圧を提供す
る。ポンプ４に連絡しない基体の側壁１５は封止されて
いて気密となっているので、低又は負圧、即ち吸引作用
が溝１１内で完全に有効となるようにする。固化する溶
融体３に構造が形成された後、ガラス又は塑性物材料と
の界面に有る成形工具の開いた気孔７を通して空気が導
通される。これが、成形工具からガラス又は塑性物基板
の取り外し、即ち剥離を簡単化する。このステップを図
３に示す。図３で矢印で示されているように、加圧空気
が多孔質基体１を通して、即ちそれと隣接する室内に強
制的に流される。このとき、成形工具の側壁１５は上記
のように封止されていて、気密となっている。

【００２９】図４に示す成形工具の具体例では、図１〜
図３の具体例でのように基体１の全体が多孔質材料から
成っていない。図４の具体例の基体１は一部のみが多孔
質母材から成っている。この母材は無孔材１ａと、作用
層２に隣接して開気孔構造の有る多孔層１ｂとから成
る。作用層２に低又は負圧を加えるためには、ダクト５
を多孔層１ｂと無孔材１ａの間に設けて、用いることが
出来、これにより図２及び図３に付き既述のように、成
形工具の取り外し、又は成形工具による形成を行う。

【００３０】成形工具の「負の（ネガ）構造」又は「成
形しようとする微細構造のネガに対応する成形工具の構
造化面」とは、理想的には成形工具の面が、形成された
微細構造の近傍の基板面に全ての点でフィットして、成
形工具面と基板面との間に間隙又は空間が全くないよう
に、即ち対向面が互いに全ての点で接触するようにする
ことを意味する。また、成形工具の「負の（ネガ）構
造」又は「成形しようとする微細構造のネガに対応する
成形工具の構造化面」とは、成形工具が粘性ガラス又は
塑性物基板面に圧入されるとき、所望の微細構造が形成
されるように成形工具面が形成されることを意味する。

【００３１】以上、本発明は熱間又は熱成形法によりガ
ラス又は塑性物基板に微細構造を造る方法に具現される
ものとして例示且つ記載されたが、本発明の精神を如何
ようにも逸脱することなく為せる、その種々の修正及び
変更が可能であるから、指摘された詳細に発明が限定さ
れることを意図するものではない。更なる分析なく、以
上は本発明の要旨を、他者が現在の知識を適用すること
により、本発明の一般的又は特定の側面の実質的特徴
を、従来技術の観点から相応に構成する特徴を省略する
ことなく、それを種々の応用に適合出来る程度まで充分
に示すものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による成形工具の第１の実施態様の概略
的、且つ理想化した縦断面図であり、この実施態様の成
形工具はその基体全体を形成する多孔性母材と、基体に
設けられた構造化作用層を備える。

【図２】ポンプ装置の一部を含む図１に示す成形工具の
概略的、且つ理想化した縦断面図であり、成形工具が基
板に当接して、構造化作用層に形成された陥凹に加わる
低圧により補助されて、構造化面を形成する状態で示さ
れている。

【図３】図２に示す成形工具とポンプ装置の概略的、且
つ理想化した縦断面図であり、構造化作用層に形成され
た陥凹に加わる過圧により補助されて、構造から取り外
し中の成形工具の状態を示す。

【図４】基体の一部のみが多孔性母材を含むようにし
た、本発明による成形工具の第２の実施態様の概略的、
且つ理想化した縦断面図である。

【図５】チャネルプレートに形成されるべき対応構造の
ネガである公知の構造の作用層を有する公知の成形工具
の断面図である。

【図６】この公知のチャネルプレートの一実施例を示す
斜視図である。

【符号の説明】

１…成形工具基体、２…作用層、３…ガラス又は塑性物
材料の溶融体、４…ポンプ、５…ダクト、７…開いた気
孔、９…多孔質基体１に隣接する室又は空間、１１…溝
又は陥凹、１５…基体１の側壁、１ａ…無孔材、１ｂ…
多孔質層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シュテフェン ティール ドイツ、55286 ヴェルシュタット、シュ テルツァー−シュトラーセ 59ツェー (72)発明者 シュテファン ポストラッハ ドイツ、55126 マインツ、プファーレル −アウチ−シュトラーセ 34 Ｆターム(参考） 5C027 AA09 5C040 GA09 MA23

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱間成形法によりガラス又は塑性物基板
   に微細構造を造る方法であって、 ａ）少なくとも一部が開気孔構造の多孔質である母材を
   含む基体（１）を含んで成る成形工具を用意するステッ
   プと、 ｂ）基板に形成しようとする微細構造のネガに従って成
   形工具の面を構造化するステップと、 ｃ）ステップｂ）の構造化中に構造化された成形工具面
   を、粘性の有るガラス又は塑性物基板に押入するステッ
   プと、 ｄ）ステップｃ）の押入中に、基体１の開気孔構造に作
   用してガラス又は塑性物材料を成形工具面に引きつける
   ことにより、微細構造の形成を補助する低又は負圧を発
   生するステップと、 ｅ）ステップｃ）及びｄ）で基板に微細構造が形成され
   た後、成形工具を粘性ガラス又は塑性物材料から取り外
   すステップと、 ｆ）ステップｅ）の取り外し中に、基体の開気孔構造に
   作用して、取り外しを補助する過圧力を発生するステッ
   プとを含んで成る方法。
2. 【請求項２】 ガラス又は塑性物材料を溶融して溶融体
   を形成するステップと、前記粘性ガラス又は塑性物基板
   を上記溶融体から取り出すステップとを更に含んで成る
   請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 固体のガラス又は塑性物基板を用意する
   ステップと、微細構造の形成直前に成形工具を局部的に
   加熱するステップと、加熱中の成形工具を固体ガラス又
   は塑性物基板の微細化すべき領域に当てて、基板材料を
   塑性化し、粘性ガラス又は塑性物基板を形成するステッ
   プとを更に含んで成る請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 熱間成形法によりガラス又は塑性物基板
   に微細構造を造る成形工具であって、基体（１）と、基
   体の一方の側の面に設けられた作用層（２）と、基体
   （１）の作用層（２）が設けられた一方の側とは反対の
   側の面から空気を供給又は吸引する手段とを備えて成
   り、少なくとも一部が開気孔構造の多孔質である母材か
   ら上記基体（１）が成り、上記作用層（２）が気体不透
   過性材料から成り、該気体透過性材料が成形工具により
   形成しようとする微細構造のネガに従って構造化され
   て、作用層（２）を通して開気孔構造の母材に達する陥
   凹又は溝（１１）を形成して成る成形工具。
5. 【請求項５】 前記基体（１）が全体として前記開気孔
   構造の多孔性母材から成る請求項４に記載の成形工具。
6. 【請求項６】 前記基体（１）が気体不透過性側壁（１
   ５）を有して成る請求項５に記載の成形工具。
7. 【請求項７】 前記作用層（２）に隣する前記基体
   （１）の部分のみが前記開気孔構造の多孔性母材から成
   り、基体（１）の他の部分が気体不透過性である請求項
   ４に記載の成形工具。
8. 【請求項８】 前記作用層（２）に隣する基体（１）の
   前記部分が気体不透過性側壁（１５）を有して成る請求
   項７に記載の成形工具。
9. 【請求項９】 加圧ローラ又はプレス工具から成る請求
   項４に記載の成形工具。