JP2005101233A - 金型の製造方法、金型、および成形品 - Google Patents

Abstract

【課題】 高価な設備が必要で、かつ、加工に時間がかかる薄膜技術を用いず、しかも大量生産可能な転写技術によってナノオーダーの凹凸パターンを形成可能なナノプリント用金型の製造方法、この方法で製造された金型、およびこの金型を用いて製造した成形品を提供すること。
【解決手段】 金型素材２０に対して、刃先３３がＶ字形状のバイト３２を用い、フライカット方式により、回折格子を形成するためのＶ字溝２６を備えた成形面２５を形成する。このようにして製作した金型１０を用いて回折格子を形成する場合には、金型内での樹脂成形やエンボス加工を行い、成形面２５の凹凸形状を成形素材に転写する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、１μｍ以下の凹凸がストライプ状に多数形成されたフォトニック結晶などの成形品を製造するためのナノプリント用金型の製造方法、この方法で製造された金型、およびこの金型を用いて製造した成形品に関するものである。

光の波長と同程度の周期な屈折率分布をもつ光材料であるフォトニック結晶は、光の伝播や発生を自在に制御できる新たな光ナノ材料として、大きな注目を浴びている。一方、有機半導体を用いた発光素子は、柔軟性と色素材料の選択枝の多さに着目され、そのうち、有機ＬＥＤ素子（ＯＬＥＤ）については、すでにディスプレイの分野に応用されている。このような有機発光素子は、図１４（Ａ）に示すように、無機ＬＥＤ素子の電子輸送層１０１および正孔輸送層１０２を有機材料で置き換えた構造を有しており、ＩＴＯなどからなる透明電極１０３と、Ｍｇ−Ａｇ合金などからなる背面電極１０４との間に電界を加えることにより、ガラス基板１０５の側から光を出射する。

また、レーザ素子の分野においては、上記の有機発光素子を用いた有機レーザ素子の開発が進められている。

ここで、無機薄膜レーザでは、共振器として結晶のへき開面を利用したファブリー・ペロ共振器を用いることができるが、有機材料を用いた場合には、綺麗なへき開面を形成することが困難である場合が多い。このため、図１４（Ｂ）に示すように、回折格子２００を素子内に組み込んだ分布帰還形の共振器３００が必要となり、この共振器３００における回折格子２００の格子周期は、レーザ発振波長のオーダーで設計される。従って、可視光で設計した場合、格子周期は、1μｍ以下となる。また、図１５に示すように、電流励起形の有機薄膜レーザ素子４００も検討されており、この種のレーザ素子４００においても、格子周期が発振波長以下の回折格子２００を素子内に組み込んだ共振器３００が必要である。このような微細構造を備えた回折格子２００を形成するにあたって、Ｘ線リソグラフィや電子線描画などといった薄膜技術（半導体プロセス）を利用することが考えられる。

このため、従来は、共振器３００を製造するのに高価な設備が必要であり、加工に時間がかかり、かつ、大量生産できないという問題点がある。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、高価な設備が必要で、加工に時間がかかり、かつ、大量生産できない薄膜技術を用いなくても、転写技術によってナノオーダーの凹凸パターンを形成可能なナノプリント用金型の製造方法、この方法で製造された金型、およびこの金型を用いて製造した成形品を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、幅寸法が１μｍ以下の凹凸がストライプ状に多数形成された成形品を製造するためのナノプリント用金型の製造方法であって、Ｖ字形状の刃先を備えたバイトで素材の表面を切削して、前記凹凸を形成するための断面Ｖ字状の溝を多数、形成することを特徴とする。

本発明において、前記成形品は、例えば、フォトニック結晶である。

本発明において、前記フォトニック結晶としては、前記凹凸として、レーザ用のブラッグ反射共振器用の回折格子を形成することが好ましい。ここで、前記ブラッグ反射共振器は、例えば、分布帰還形共振器である。

本発明において、前記レーザは、有機薄膜レーザであることが好ましい。

本発明において、前記バイトで前記素材の表面を切削して前記断面Ｖ字状の溝を形成する際、前記多数の溝のうち、最も端に位置する溝、あるいはそれにより形成された断面Ｖ字状の突起では、その外側斜面をそのまま延長した延長斜面を形成することが好ましい。

本発明において、前記断面Ｖ字状の溝の形成領域は、全体として凸部として形成されている構成を採用することができる。

本発明において、前記素材における前記バイトによる加工領域は、その周辺領域から突き出した段部の上面であり、前記断面Ｖ字状の溝は、前記段部の幅方向における両端縁に届いていることが好ましい。

本発明において、前記断面Ｖ字状の溝の形成領域は、全体として凹部として形成されている構成を採用してもよい。

この場合も、前記素材における前記バイトによる加工領域として、その周辺領域から突き出した段部の上面を切削してもよい。その場合、前記断面Ｖ字状の溝は、前記段部の幅方向における両端縁に届いていることが好ましい。

本発明に係る方法で製造された金型によれば、薄膜レーザ用のブラッグ反射共振器用の回折格子として機能するフォトニック結晶を安価に製造することができる。

本発明では、Ｖ字形状の刃先を備えたバイトで素材の表面を切削して、凹凸を形成するための断面Ｖ字状の溝を多数、形成して、幅寸法が１μｍ以下の凹凸がストライプ状に多数形成された成形品を製造するためのナノプリント用金型の製造する。このため、薄膜技術と違って、高価な設備が不要であり、かつ、加工時間を短縮することができる。さらに、製造された金型によれば、薄膜レーザ用のブラッグ反射共振器用の回折格子として機能するフォトニック結晶などを安価にしかも大量に製造することができる。

図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明では、幅寸法が１μｍ以下の凹凸がストライプ状に多数形成された成形品を製造するためのナノプリント用金型の一例として、薄膜レーザ用のブラッグ反射共振器のうち、分布帰還形共振器の回折格子を構成するフォトニック結晶を成形により製造するための金型に本発明に適用した例を説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明が適用される分布帰還形共振器の説明図である。図２（Ａ）、（Ｂ）は、図１に示す回折格子を形成するための金型の斜視図、および断面図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は、この種の金型の良品を示す説明図、および不具合品の説明図である。図４（Ａ）、（Ｂ）は、刃先がＶ字形状のバイトを用いた加工例の説明図、および刃先が矩形のバイトを用いた加工例の説明図である。図５（Ａ）、（Ｂ）は、本発明に係る金型を製造するための素材の説明図、およびバイトの説明図である。図６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、図５（Ａ）に示す素材を図５（Ｂ）に示すバイトで加工して金型を製造するときの説明図である。図７は、本発明を適用した金型を用いてインプリント成形する様子を示す説明図である。図８は、本発明を適用した金型の第１の使用方法を示す説明図である。図９は、本発明を適用した金型の第２の使用方法を示す説明図である。図１０は、本発明を適用した金型の第３の使用方法を示す説明図である。

図１に示すように、有機発光素子を用いたレーザ素子の分布帰還形共振器３００では、クラッド層として機能する有機膜５００（成形品）の表面に、ストライプ状の断面Ｖ字状のＶ字突起２０１（凸部）と、ストライプ状の断面Ｖ字状のＶ字溝２０２（凹部）とが、例えば３００ｎｍピッチで交互に配列された回折格子２００が形成され、この回折格子２００が形成されている側の面に有機色素を含有する活性層３５０が形成されている。このため、図１４（Ａ）、（Ｂ）を参照して示すように、活性層３５０の側から励起した光を入射させると、回折格子２００によって特定波長光の反射、増幅が起こり、特定波長のレーザ光が出射される。

このような回折格子２００を金型成形により製造することを目的に、本形態では、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す金型１０を製作する。

ここに示す金型１０では、素材２０の上端面に段部２１が周囲から突き出すように形成され、この段部２１の上面に、回折格子２００を形成するためのストライプ状の断面Ｖ字状のＶ字突起２６と、ストライプ状の断面Ｖ字状のＶ字溝２７が、例えば３００ｎｍピッチで交互に配列された成形面２５が形成されている。また、Ｖ字突起２７の頂部は最も高い位置にあり、成形面２５（Ｖ字溝２６の形成領域）は、全体として凸部として形成されている。また、成形面２５において、Ｖ字溝２６は、段部２１の幅方向における両端縁に届いている。このため、成形面のＶ字溝２６が延びている方向Ａにおける両側、およびＶ字溝２６が配列している方向Ｂにおける両側には、垂直面２１１、２１２が形成されている。

このような構成の金型１０において、図３（Ａ）に示すように、Ｖ字溝２６およびＶ字突起２７は、いずれも等ピッチで形成され、かつ、それらの配列方向Ｂにおける端に位置するＶ字溝２６１およびＶ字突起２７１も、その他の領域に形成されたＶ字溝２６およびＶ字突起２７と同様な斜面を有している必要がある。これに対して、図３（Ｂ）に示すように、Ｖ字溝２６およびＶ字突起２７の配列方向Ｂにおける端に位置するＶ字溝２６１およびＶ字突起２７１であっても、斜面が欠けていると、それを用いて成形した回折格子２００でも、Ｖ字溝２０２およびＶ字突起２０１（図１を参照）の配列方向における端に位置するＶ字溝およびＶ字突起で斜面が欠けてしまうことになる。かといって、図４（Ａ）に示すように、平バイトなどで段部２１を形成した後、バイト３２のＶ字形状の刃先３３を段部２１の縁に合わせて、端に形成されるＶ字溝２６１およびＶ字突起２７１の形状を完全なものとするのは、機械の位置合わせ精度が、通常、１μｍ程度しかないことから不可能である。また、図４（Ｂ）に示すように、Ｖ字形状の刃先を備えたバイトでＶ字溝２６を形成した後、端部を平バイト３５で削り落として、端に位置するＶ字溝２６１およびＶ字突起２７１の形状を完全なものとするのも、機械の位置合わせ精度が、通常、１μｍ程度しかないことから不可能である。

そこで、本形態では、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、円柱状の本体の上面に矩形の段部２１を備える金型１０用の素材２０を準備する一方、シャンク３１の軸線Ｌに対して直角に突き出たバイト３２を備えるフライカット方式の工具３０を準備する。ここで、バイト３２は、単結晶ダイヤモンドからなり、角度が９０°のＶ字形状の刃先３３を有している。ここで、段部２１の長さ寸法は、必要な共振器の長さよりやや大きく、幅は必要最小限の寸法である。

そして、図６（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、シャンク３１を軸線Ｌ周りに回転させながら、素材２０と工具３０とを相対移動させて、まず、バイト３２の側面３４で段部２１の一方の角を深く、例えば、１μｍの深さまで切削する。

次に、シャンク３１と素材２０とを所定寸法だけ相対的に送り動作させた後、図６（Ｂ）に示すように、シャンク３１を軸線Ｌ周りに回転させながら素材２０と工具３０とを相対移動させてＶ字溝２６を形成し、このような動作を形成すべきＶ字溝２６の本数分だけ繰り返す。

しかる後には、図６（Ｃ）に示すように、段部２１の他方の角部において、再び、バイト３２を深く沈めて、段部２１の角部を深く、例えば、１μｍの深さまで研削する。

その結果、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、金型１０には、素材２０の段部２１の上面にＶ字溝２６とＶ字突起２７が交互に形成されるとともに、最も端に位置するＶ字溝２６１により形成されたＶ字突起２７１では、その外側斜面２７２をそのまま延長した延長斜面２７３が形成される。従って、本形態の金型１０では、いずれのＶ字溝２６およびＶ字突起２７も完全な形状に形成される。また、溝加工の長さは、段部２１の幅寸法分で済むので、加工時間を短縮でき、かつ、刃先の磨耗を防止できる。

ここで、金型１０の形状や寸法などにおいて不具合があった場合には、図６（Ｄ）に示すように、先に形成した成形面２５の上から素材２０の段部２５を再度、切削して、新たな成形面２５を形成する。

このようにして製造した金型１０を用いて、回折格子２００を備えた成形品をホットエンボス法により製造する場合には、図７に示すように、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化樹脂からなる成形素材５０を、加熱した金型１０の成形面２５でプレスする。その結果、成形素材５０には、金型１０の成形面に形成した多数のＶ字溝２６およびＶ字突起２７の形状が転写され、図１を参照して説明した回折格子２００を備えた有機膜５００（成形品６０）が形成される。

ここで、図８に示すように、成形面２５を成形素材５０に対して、金型１０のＶ字突起
２７の高さ寸法（Ｖ字溝２６の深さ寸法）に相当する分だけ食い込ませると、成形品６０には、Ｖ字溝２０２およびＶ字突起２０１が交互に並んだ回折格子２００が形成される。

これに対して、図９に示すように、成形面２５を成形素材５０に対して、金型１０のＶ字突起の高さ寸法（Ｖ字溝２６の深さ寸法）より浅く食い込ませると、成形品６０には、Ｖ字溝２０２および断面台形形状の突起２０４が交互に並んだ回折格子２００が形成される。

また、図１０に示すように、成形面２５を成形素材５０に対して、金型１０のＶ字突起２７の高さ寸法（Ｖ字溝２６の深さ寸法）より深く食い込ませると、成形品６０には、Ｖ字溝２０２よびＶ字突起２０１が交互に並んだ回折格子２００を備えた成形品６０が形成され、かつ、この成形品６０では、多数のＶ字溝２０２のうち、最も端に位置するＶ字溝２０２では、外側斜面２０６がそのまま延長された延長斜面２０７が形成される。

［実施の形態２］
図１１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る金型の斜視図、および断面図である。図１２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図１２に示す金型を用いて成形した回折格子を備えた成形品の斜視図、この成形品の回折格子上に有機色素を含有する活性層（ガイド層）を形成した状態の斜視図、および有機色素を含有する活性層に励起光を入射した状態を示す斜視図である。

本形態の金型１０も、実施の形態１と同様、有機薄膜レーザ用のブラッグ反射共振器３００（分布帰還形共振器）用の回折格子２００（図１を参照）を形成するためのものであり、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、金型１０の素材２０の上端面では、段部２１が周囲から突き出すように形成され、この段部２１の上面に、回折格子２００を形成するためのストライプ状の断面Ｖ字状のＶ字突起２６と、ストライプ状の断面Ｖ字状のＶ字溝２７が交互に配列された成形面２５が形成されている。ここで、Ｖ字突起２７の頂部は、段部２１の上面からみて低い位置にあり、成形面２５（Ｖ字溝２６の形成領域）は、全体として凹部として形成されている。また、成形面２５において、Ｖ字溝２６は、段部２１の幅方向における両端縁に届いている。このため、成形面２５のＶ字溝２６が延びている方向Ａにおける両側、およびＶ字溝２６が配列している方向Ｂにおける両側には、垂直面２１１、２１２が形成されている。

このような構成の金型１０においても、実施の形態１と同様、Ｖ字溝２６およびＶ字突起２７は、いずれも等ピッチで形成され、かつ、それらの配列方向における端に位置するＶ字溝２６１およびＶ字突起２７１も、その他の領域に形成されたＶ字溝２６およびＶ字突起２７と同様な斜面を有している必要がある。このため、本形態の金型１０を製造する際には、実施の形態１と同様、図５（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明したように、円柱状の本体の上面に矩形の段部２１を備える金型用の素材２０を準備する一方、シャンク３１の軸線Ｌに対して直角に突き出たバイト３２を備えるフライカット方式の工具３０を準備する。ここで、バイト３２は、単結晶ダイヤモンドからなり、角度が９０°のＶ字形状の刃先３３を有している。

そして、本形態では、シャンク３１を軸線Ｌ周りに回転させながら、素材２０と工具３０とを相対移動させて、まず、バイト３２の側面３４を用いて段部２１の端からやや内側を切削した後、素材２０と工具３０とを相対移動させてＶ字溝２６を必要な本数だけ形成する。その結果、素材２０の段部２１の上面にＶ字溝２６とＶ字突起２７が交互に形成されるとともに、最も端に位置するＶ字溝２６１の外側斜面については、Ｖ字溝２６１の斜面２６２をそのまま延長した延長斜面２６３が形成されることになる。従って、本形態の金型１０では、いずれのＶ字溝２６およびＶ字突起２７も完全な形状に形成される。

このようにして製造した金型１０を用いて、回折格子２００を備えた成形品を製造する際には、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化樹脂からなる成形素材に金型１０の成形面２５の形状を転写する。その結果、図１２（Ａ）に示すように、成形素材５０には、金型１０の成形面に形成した多数のＶ字溝２６およびＶ字突起２７の形状が転写され、図１を参照して説明した回折格子２００を備えた成形品６０が形成される。従って、図１２（Ｂ）に示すように、回折格子２００の上面を覆うように、有機色素を含有する活性層３５０を形成すれば、有機薄膜レーザ用のブラッグ反射共振器３００（分布帰還形共振器）を構成できる。従って、図１２（Ｃ）に示すように、有機半導体から出射された励起光を活性層３５０に入射させると、回折格子２００のピッチに対応する波長のレーザ光が出射される。

ここで、金型１０の成形面２５は、図１１（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明したように、段部２１においてＶ字溝２６が配列している方向Ｂで凹部として形成されているので、Ｖ字溝２６およびＶ字突起２７が配列する方向は開放状態にあり、レーザ光の出射光路が自動的に確保される。また、Ｖ字溝２６が配列している方向における両側に垂直面２１１、２１２が形成されていたため、Ｖ字溝２６およびＶ字突起２７が延びている方向における両側に側壁２１０が形成される。従って、レーザ光の側方への漏れを防止できる。

［その他の実施の形態］
図２および図１１は、Ｖ字溝が一方向に形成された回折格子であったが、図１３に示すように、本発明を適用して、互いに交差する方向にＶ字溝を形成した碁盤目状の回折格子２００Ａを形成してもよい。この場合、一方方向（Ｘ方向）に延びる格子が共振器として機能し、それに交差する方向（Ｙ方向）に延びた格子が、光を閉じ込める機能を担うので、漏れ光を２次元で閉じ込める効果がさらに大きくなり、発光効率が良くなる。なお、図１３には、Ｖ字溝が互いに直交する方向に形成してあるが、６０°の角度で互いに交わる３方向のＶ字溝を備えた回折格子を構成してもよい。この場合には、３方向において閉じ込め効果があり、発光効率がさらに向上する。

なお、上記形態では、薄膜レーザ用のブラッグ反射共振器用の回折格子を製造する場合を例に説明したが、このような回折格子に限らず、光導波路の形成に本発明を適用してもよい。

本発明では、Ｖ字形状の刃先を備えたバイトで素材の表面を切削して、凹凸を形成するための断面Ｖ字状の溝を多数、形成して、幅寸法が１μｍ以下の凹凸がストライプ状に多数形成された成形品を製造するためのナノプリント用金型の製造する。このため、薄膜技術と違って、高価な設備が不要であり、かつ、加工時間を短縮することができる。しかも、製造された金型によれば、薄膜レーザ用のブラッグ反射共振器用の回折格子として機能するフォトニック結晶などを安価に大量に製造することができる。

本発明が適用される分布帰還形共振器の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る金型の斜視図、および断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、この種の金型の良品を示す説明図、および不具合品の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、刃先がＶ字形状のバイトを用いた加工例の説明図、および刃先が矩形のバイトを用いた加工例の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本発明に係る金型を製造するための素材の説明図、およびバイトの説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、図５（Ａ）に示す素材を図５（Ｂ）に示すバイトで加工して金型を製造するときの説明図である。 本発明を適用した金型を用いてインプリント成形する様子を示す説明図である。 本発明を適用した金型の第１の使用方法を示す説明図である。 本発明を適用した金型の第２の使用方法を示す説明図である。 本発明を適用した金型の第３の使用方法を示す説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る金型の斜視図、および断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図１２に示す金型を用いて成形した回折格子を備えた成形品の斜視図、この成形品の回折格子上に有機色素を含有する活性層（ガイド層）を形成した状態の斜視図、および有機色素を含有する活性層に励起光を入射した状態を示す斜視図である。 本発明のその他の実施の形態に係る金型の説明図である。 有機レーザ素子の説明図である。 別の有機レーザ素子の説明図である。

符号の説明

１０ 金型
２０ 素材
２６ Ｖ字溝
２７ Ｖ字突起
３２ バイト
３３ 刃先
２００ 回折格子
５０ 成形素材

Claims (12)

1. 幅寸法が１μｍ以下の凹凸がストライプ状に多数形成された成形品を製造するためのナノプリント用金型の製造方法であって、
   Ｖ字形状の刃先を備えたバイトで素材の表面を切削して、前記凹凸を形成するための断面Ｖ字状の溝を形成することを特徴とするナノプリント用金型の製造方法。
2. 請求項１において、前記成形品は、フォトニック結晶であることをことを特徴とするナノプリント用金型の製造方法。
3. 請求項２において、前記フォトニック結晶は、前記凹凸として、レーザ用のブラッグ反射共振器用の回折格子を備えていることを特徴とするナノプリント用金型の製造方法。
4. 請求項３において、前記レーザは、有機薄膜レーザであることを特徴とするナノプリント用金型の製造方法。
5. 請求項３または４において、前記ブラッグ反射共振器は、分布帰還形共振器であることを特徴とするナノプリント用金型の製造方法。
6. 請求項４または５において、前記バイトで前記素材の表面を切削して前記断面Ｖ字状の溝を形成する際、前記多数の溝のうち、最も端に位置する溝あるいはそれにより形成された断面Ｖ字状の突起には、その外側斜面をそのまま延長した延長斜面を形成することを特徴とするナノプリント用金型の製造方法。
7. 請求項６において、前記断面Ｖ字状の溝の形成領域は、全体として凸部として形成されていることを特徴とするナノプリント用金型の製造方法。
8. 請求項７において、前記素材における前記バイトによる加工領域は、その周辺領域から突き出した段部の上面であり、
   前記断面Ｖ字状の溝は、前記段部の幅方向における両端縁に届いていることを特徴とするナノプリント用金型の製造方法。
9. 請求項６において、前記断面Ｖ字状の溝の形成領域は、全体として凹部として形成されていることを特徴とするナノプリント用金型の製造方法。
10. 請求項９において、前記素材における前記バイトによる加工領域は、その周辺領域から突き出した段部の上面であり、
    前記断面Ｖ字状の溝は、前記段部の幅方向における両端縁に届いていることを特徴とするナノプリント用金型の製造方法。
11. 請求項１ないし１０のいずれかに規定する方法で製造された金型。
12. 請求項１１に規定する金型で製造されたことを特徴とする成形品。

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