JP2006341475A - Porous film and its production method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a porous film the thickness of which is controlled easily and which is excellent in mechanical characteristics including scratch resistance and used in an antireflection film etc., and the porous film obtained by the method. <P>SOLUTION: The porous film comprises a membrane (A) formed on a substrate. The hardness of the membrane (A) is at least 0.8 GPa and the volume density is 30-60%. The porous film is produced by a method in which a fine particle lamination film is prepared by alternately repeating a process for immersing it in a fine particle dispersion and a process for immersing it in a polymer solution having the ionicity of an opposite charge to the surface charge of the fine particles and a process for heating the fine particle lamination film at 450-600°C is included. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、太陽電池、カメラ、ビデオカメラ、CDプレーヤ、VDプレーヤ、液晶プロジェクション、テレビ等に使用される反射防止膜などに用いられる多孔質膜及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a porous film used for an antireflection film used in a solar cell, a camera, a video camera, a CD player, a VD player, a liquid crystal projection, a television, and the like, and a manufacturing method thereof.

表示パネル、ディスプレイなどの表示部材、レンズ、眼鏡などの光学部品、太陽電池パネルなど種々の製品に高い光透過性と低反射性能を有する膜、すなわち反射防止膜が広範に使用されている。また、薄膜トランジスタや単結晶薄膜シリコン太陽電池を作製するためのレーザアニール時やフォトレジスト工程においても反射防止膜が使用される。レーザアニールや露光などの加工技術及び太陽電池やレンズなどでは反射による光の多重干渉が大きな問題になるからである。   A film having high light transmittance and low reflection performance, that is, an antireflection film, is widely used in various products such as display panels, display members such as displays, optical components such as lenses and glasses, and solar battery panels. An antireflection film is also used during laser annealing or a photoresist process for manufacturing a thin film transistor or a single crystal thin film silicon solar cell. This is because multiple interference of light due to reflection becomes a serious problem in processing techniques such as laser annealing and exposure, and solar cells and lenses.

現在一般的に行われている反射防止膜の製造方法は、真空蒸着やスパッタ法のようなドライプロセス、あるいはゾルゲル法やパーフルオロ樹脂や部分フッ素化モノマーの重合体を用いた塗布法のようなウエットプロセスである。近年、価格面の要求からドライプロセスに代わるウエットプロセスの反射防止処理が主流となっている。   Current methods of manufacturing an antireflection film are generally dry processes such as vacuum deposition and sputtering, or sol-gel methods and coating methods using polymers of perfluorinated resins and partially fluorinated monomers. It is a wet process. In recent years, the antireflection treatment of the wet process replacing the dry process has become the mainstream due to the demand of price.

塗布タイプの反射防止膜形成用の主材料は、樹脂材料としては、パーフルオロ樹脂であるパーフルオロアリルビニルエーテルを環化重合したものやテトラフルオロエチレンとパーフルオロジメチルジオキソールとの共重合体があり、部分フッ素化樹脂としてはメタクリル酸あるいはメタクリル酸クロライドとフルオロアルキルアルコールの反応により合成されるモノマーを重合したフルオロアルキルメタクリレート樹脂があり、これらはフッ素系溶剤を用いて基材に塗布される。これらはフッ素含有量を増やせば、屈折率が下げられ、反射率も下がることが期待できるが、塗工時にはじきによるムラやヌケが発生しやすくなるという問題がある(「反射防止膜の特性と最適設計・膜作製技術」、2002、技術情報協会)。   The main materials for forming the coating type antireflection film include resin materials such as perfluoroallyl vinyl ether perfluoropolymer and a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorodimethyldioxole. A partially fluorinated resin is a fluoroalkyl methacrylate resin obtained by polymerizing a monomer synthesized by the reaction of methacrylic acid or methacrylic acid chloride and fluoroalkyl alcohol, and these are applied to a substrate using a fluorine-based solvent. If the fluorine content is increased, the refractive index can be lowered and the reflectance can be expected to decrease. However, there is a problem that unevenness and missing due to repellency are likely to occur during coating (see “Characteristics of antireflection film”). "Optimum design and film fabrication technology", 2002, Technical Information Association).

また、最近では可視光波長未満の超微粒子が透明材料の屈折率制御の観点から注目され実用化されている。価格、安定性、毒性、環境影響性、入手の容易さ、加工性などを加味すると、高屈折率材料では、酸化チタン、酸化セリウム、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニア、酸化ニオブなどがあり、低屈折率材料ではシリカやフッ化物が代表的なものとなる。これらをバインダー樹脂と混合して、塗布する方法がある(特開平04−202366号公報、特開2001−163906号公報、特開2001−167637号公報)。   Recently, ultrafine particles having a wavelength shorter than the visible light wavelength have been attracting attention and put into practical use from the viewpoint of controlling the refractive index of transparent materials. In consideration of price, stability, toxicity, environmental impact, availability, workability, etc., high refractive index materials include titanium oxide, cerium oxide, tin oxide, indium oxide, zinc oxide, zirconia oxide, niobium oxide, etc. As a low refractive index material, silica or fluoride is typical. There are methods in which these are mixed with a binder resin and applied (Japanese Patent Laid-Open Nos. 04-202366, 2001-163906, and 2001-167737).

高屈折率材料の種類の多さに比べ、低屈折率材料はフッ化物を除けばシリカの1.46〜1.48が一番小さい材料である。そこで、さらに屈折率が小さく安定な材料として、シリカを中空化した材料が開発されている(特開2001−233611号公報)。これは、1.34〜1.40程度の屈折率を有しており母体はシリカであるが、フッ化物やフッ素樹脂並みの屈折率を有している。これをバインダーに分散して用いることによりシリカ分散系でありながらフッ素樹脂並みの屈折率の膜を得ることが可能となる(特開平07−48527号公報)。   Compared with many kinds of high refractive index materials, the low refractive index material is the smallest material of 1.46 to 1.48 of silica except for fluoride. Therefore, a material in which silica is hollowed has been developed as a stable material having a smaller refractive index (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-233611). This has a refractive index of about 1.34 to 1.40 and the base is silica, but has a refractive index comparable to that of fluoride or fluororesin. By dispersing this in a binder, it is possible to obtain a film having a refractive index comparable to that of a fluororesin while being a silica dispersion (Japanese Patent Laid-Open No. 07-48527).

一方、塗布によって形成する反射防止膜は、単層でそれを実現しようとすると、[1/4×λ/層の屈折率](nm)なる計算式で与えられる膜厚を形成する必要がある。この式でのλは反射率が最小となる波長であり、通常は反射防止能をより効果的に人の視感度の中心である550nm付近に設定するため、反射防止膜は100nm前後となる。したがってウエットプロセスにおける最大の課題は、高い精度が要求される膜厚の制御である。   On the other hand, when an antireflection film formed by coating is to be realized with a single layer, it is necessary to form a film thickness given by a calculation formula [1/4 × λ / layer refractive index] (nm). . In this equation, λ is a wavelength at which the reflectivity is minimum, and the antireflection film is usually around 100 nm in order to set the antireflection ability to around 550 nm, which is the center of human visibility more effectively. Therefore, the greatest problem in the wet process is the film thickness control that requires high accuracy.

例えば図1に示すように、5nmの狂いが最小反射率波長で25nmのずれにつながり、この波長のずれにより、反射色が大きく変化するために、色むらを発生させて実用上大きな問題となる。このような理由から、所定膜厚に対して十分誤差がなく、より均一な塗工が要求されるため、例えばプラスチックフィルムのような柔軟な基材、曲面や凹凸を有する基材、薄いフィルム基材に連続的に塗工、製造することは非常に困難である。   For example, as shown in FIG. 1, a deviation of 5 nm leads to a shift of 25 nm at the minimum reflectance wavelength, and the reflected color changes greatly due to the shift of this wavelength. . For this reason, there is no sufficient error with respect to the predetermined film thickness, and more uniform coating is required. For example, a flexible substrate such as a plastic film, a substrate having curved surfaces or irregularities, a thin film substrate, etc. It is very difficult to apply and manufacture the material continuously.

さらにフッ素樹脂、または微粒子とバインダー樹脂の混合物を用いても、屈折率を下げるには限界があり、塗布性を満足させるためには、屈折率が1.40程度にならざるを得ない。そこで、反射率を下げるためには高屈折率層を含む、多層構造とすることが一般的である。ドライプロセスでは、真空蒸着法やスパッタ法を用いて、シリカとチタニアの光学的膜厚を多層積層することで、最低反射率波長は0%に近づけることが一般的に行われているが、光学設計した波長からずれた波長での反射率の上昇、すなわち波長依存性が発生して、着色の問題が発生する(図2)。   Further, even if a fluororesin or a mixture of fine particles and a binder resin is used, there is a limit to lowering the refractive index, and the refractive index must be about 1.40 in order to satisfy the coating property. Therefore, in order to reduce the reflectivity, a multilayer structure including a high refractive index layer is generally used. In the dry process, the minimum reflectance wavelength is generally approached to 0% by laminating multiple optical film thicknesses of silica and titania using vacuum deposition or sputtering. An increase in reflectance at a wavelength deviated from the designed wavelength, that is, wavelength dependency occurs, and a coloring problem occurs (FIG. 2).

また塗布法において多層構造にすると、下地の膜厚の均一性が厳しくなり、さらに上に積層する塗液が下地の層を侵さないものに限定されるという課題があり、現実的には2層までが限界とされている。したがって現在ウエット法で作製した反射防止膜はドライプロセスに比べて特性が劣る。   In addition, when a multi-layer structure is used in the coating method, there is a problem that the uniformity of the base film thickness becomes strict, and the coating liquid laminated thereon is limited to one that does not attack the base layer. Up to is the limit. Therefore, the antireflection film currently produced by the wet method has inferior characteristics as compared with the dry process.

単層の反射防止膜は、多層構造にするよりも、波長依存性も少ない、すなわち着色が少ないという特長があるため、紫外から可視光領域でも効率よく反射を防止する。したがって、この波長領域でフッ化物以下の屈折率をもつ理想的な材料とそれを均一に形成する製造方法が求められている。   A single-layer antireflection film has a feature that it has less wavelength dependency than a multi-layer structure, that is, less coloration, and thus efficiently prevents reflection in the ultraviolet to visible light region. Therefore, an ideal material having a refractive index equal to or lower than that of fluoride in this wavelength region and a manufacturing method for uniformly forming the material are required.

単層で反射率0%を達成するためには、次式を満たす反射防止膜の屈折率(n)が求められる。(Macleod, Thin−Film Optical Filters, Elsevier, New York, 1969、または 金原ら、応用物理学選書3 薄膜、裳華房、昭和59年)。
In order to achieve a reflectance of 0% with a single layer, the refractive index (n c ) of the antireflection film satisfying the following formula is required. (Macleod, Thin-Film Optical Filters, Elsevier, New York, 1969, or Kanehara et al., Applied Physics Book 3, Thin Film, Yukabo, 1984).

(nは反射防止膜の屈折率、nは基材の屈折率、nは雰囲気の屈折率)
例えば、ディスプレイに用いられる透明基材であるガラスやプラスチック基板の可視領域での屈折率は約1.52であり、空気の屈折率1との積の平方根をとった1.22から1.25程度の値が最も理想的な値となる。
(N c is the refractive index of the antireflection film, n s is the refractive index of the substrate, n 0 is the refractive index of the atmosphere)
For example, a glass or plastic substrate, which is a transparent substrate used in a display, has a refractive index in the visible region of about 1.52, and 1.22 to 1.25 taking the square root of the product with the refractive index 1 of air. The value of the degree is the most ideal value.

そのような屈折率を持つ膜は、たとえばシリカ膜中に含まれる気孔の濃度によって屈折率を制御した多孔質膜である。しかも、透明であるためには、空隙の孔の径が光を散乱させない100nm以下であることが求められる。   A film having such a refractive index is, for example, a porous film whose refractive index is controlled by the concentration of pores contained in the silica film. Moreover, in order to be transparent, it is required that the pore diameter of the gap is 100 nm or less that does not scatter light.

反射防止膜付きガラスの製造方法としては、従来法として例えば析出法によりガラス表面に二酸化ケイ素膜を形成する方法が知られている。ケイフッ化水素酸の水溶液にSiO粉末を飽和し、その後ホウ酸水溶液を添加した浸漬液にガラス基板を浸漬すれば、ガラス表面へのSiO膜の析出が始まる。 As a conventional method for producing a glass with an antireflection film, a method of forming a silicon dioxide film on the glass surface by, for example, a precipitation method is known. If the glass substrate is immersed in an immersion liquid in which an aqueous solution of silicofluoric acid is saturated with SiO 2 powder and then an aqueous boric acid solution is added, deposition of the SiO 2 film on the glass surface starts.

具体的には、ガラス板の両表面をケイフッ化水素酸のシリカ過飽和水溶液で処理して両表面に反射防止層を形成するにあたり、予め表面の異質ガラス層を除去することを特徴とする反射防止膜付きガラスの製造方法が知られている(特開昭57−166337号公報)。   Specifically, the anti-reflective film is characterized by removing the extraneous glass layer on the surface in advance when both surfaces of the glass plate are treated with a silica supersaturated aqueous solution of hydrofluoric acid to form an anti-reflective layer on both surfaces. A manufacturing method of glass with a film is known (Japanese Patent Laid-Open No. 57-166337).

また、他の反射防止膜付きガラスとしては、ガラス基板表面の空気側の最上層が、表面に数10〜数100nmの微小な凹凸もしくは径を数10〜数100nmの範囲にした細孔を有し、かつ屈折率を1.40〜1.60、膜厚を70〜130nmの範囲に制御したSiOもしくはSiOと他の酸化物との混合酸化物であり、さらに必要に応じて最上層の表面にポリフルオロアルキル基を含有するシラン化合物を被膜してなる反射防止膜付きガラスがある(特開平5−330856号公報)。 As another glass with an antireflection film, the uppermost layer on the air side of the glass substrate surface has fine irregularities of several tens to several hundreds of nm or pores having a diameter in the range of several tens to several hundreds of nm. And a mixed oxide of SiO 2 or SiO 2 and other oxides having a refractive index of 1.40 to 1.60 and a film thickness of 70 to 130 nm, and if necessary, an uppermost layer There is a glass with an antireflection film obtained by coating a silane compound containing a polyfluoroalkyl group on the surface (Japanese Patent Laid-Open No. 5-330856).

さらにまた、この反射防止膜付きガラスにおいて、酸化物の原料溶液として平均分子量が異なる2種類の前駆体ゾル、例えば、平均分子量が数1000と数10万であるような前駆体ゾルを混合したコーティング溶液を被膜、加熱成形して薄膜とする際に前駆体ゾルの混合割合の制御によって表面に細孔を特異に発現させた反射防止膜付きガラスもある(特開平5−147976号公報)。   Furthermore, in this glass with an antireflection film, a coating in which two kinds of precursor sols having different average molecular weights as the oxide raw material solution, for example, precursor sols having an average molecular weight of several thousand and several hundred thousand are mixed. There is also a glass with an antireflection film in which pores are specifically expressed on the surface by controlling the mixing ratio of the precursor sol when the solution is coated and thermoformed into a thin film (Japanese Patent Laid-Open No. 5-147976).

一方、ナノメータースケールの薄膜を溶液から形成する方法として、交互積層法が提案されている。交互積層法は、G.Decherらによって1992年に発表された有機薄膜を形成する方法である(Thin Solid Films, 210/211, p831(1992))。この方法では、正電荷を有するポリマー電解質(ポリカチオン)と負電荷を有するポリマー電解質(ポリアニオン)の水溶液に、基材を交互に浸漬することで基板上に静電的引力によって吸着したポリカチオンとポリアニオンの組が積層して複合膜(交互積層膜)が得られるものである。   On the other hand, an alternate lamination method has been proposed as a method for forming a nanometer-scale thin film from a solution. The alternate lamination method is described in G.H. This is a method of forming an organic thin film published in 1992 by Decher et al. (Thin Solid Films, 210/211, p831 (1992)). In this method, a polycation adsorbed on a substrate by electrostatic attraction by alternately immersing the base material in an aqueous solution of a polymer electrolyte having a positive charge (polycation) and a polymer electrolyte having a negative charge (polyanion). A combination of polyanions is laminated to obtain a composite film (alternate laminated film).

交互積層法は積層する回数により、形成したい膜厚を調整することが可能である。例えば一回あたりの積層で10nm程度の膜成長が観測されれば、100nmを形成したい場合は十回の積層を繰り返せばよい。   In the alternate lamination method, the film thickness to be formed can be adjusted by the number of lamination. For example, if film growth of about 10 nm is observed in a single lamination, if it is desired to form 100 nm, the lamination may be repeated ten times.

交互積層法では、静電的な引力によって、基材上に形成された材料の電荷と、溶液中の反対電荷を有する材料が引き合うことにより膜成長するので、吸着が進行して電荷の中和が起こるとそれ以上の吸着が起こらなくなる。したがって、ある飽和点までに至れば、それ以上膜厚が増加することはない。一回あたりの吸着膜厚が薄いため、精度高い膜厚を、積層する回数によって制御することができるという優れた特長をもつので、ナノメータサイズの光学的な薄膜形成には適当な成膜方法と言える。さらに、真空設備も必要とせず、低コストで高精度な薄膜形成方法である。また、チューブ状の基材の内部や織物の繊維や発泡材の内部など、溶液が浸透する部分にはコーティングが可能という、他の方法にない特徴を持っている。   In the alternating layering method, the film is grown by attracting the charge of the material formed on the substrate and the material having the opposite charge in the solution by electrostatic attraction, so that the adsorption proceeds and the charge is neutralized. When this occurs, no further adsorption occurs. Therefore, when reaching a certain saturation point, the film thickness does not increase any more. Since the adsorption film thickness per one time is thin, it has an excellent feature that the film thickness with high accuracy can be controlled by the number of laminations. I can say that. Furthermore, it is a low-cost and highly accurate thin film forming method that does not require vacuum equipment. In addition, it has a feature not found in other methods, such as the inside of a tube-shaped substrate, the inside of a textile fiber or foam material, and the like, which can be coated on a portion where the solution penetrates.

M.Rubnerらによって、基板上にポリアクリル酸とポリアリルアミン塩酸塩との交互積層膜を作製した後、pHが調整された塩酸などの酸溶液に浸すことにより、静電吸着した結合部分を部分的に切断して空隙構造をつくるという報告があり(Langmuir 16、p5017−5023(2000))、これを応用した反射防止膜が提案されている(国際公開WO03/082481 A1(2003)、及びNature Materials, Vol1 p59−63(2002))。   M.M. Rubner et al. Produced an alternating laminated film of polyacrylic acid and polyallylamine hydrochloride on a substrate, and then immersed the substrate in an acid solution such as hydrochloric acid whose pH was adjusted to partially absorb the electrostatically adsorbed binding portion. There is a report that a void structure is formed by cutting (Langmuir 16, p5017-5023 (2000)), and an antireflection film using this structure has been proposed (International Publication WO 03/082481 A1 (2003), and Nature Materials, Vol1 p59-63 (2002)).

白鳥らは、このポリマー多孔質膜を型として用い、金属酸化物を化学溶液析出法によって多孔質膜中に析出させたのち、650℃で焼成してポリマー成分を除き、酸化物のみの多孔質膜を形成している(特開2003−301283号公報)。   Shiratori et al. Used this polymer porous membrane as a mold, and after depositing a metal oxide into the porous membrane by a chemical solution deposition method, the polymer component was removed by baking at 650 ° C. A film is formed (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-301283).

また、微粒子を積層することにより、多孔質膜を形成する方法が提案されている。Y.Lvovらは交互積層法を、微粒子に応用し、シリカやチタニア、セリアの各微粒子分散液を用いて、微粒子の表面電荷と反対電荷を有するポリマー電解質を交互積層法で積層する方法を報告している(Langmuir、Vol.13、(1997)p6195−6203)。この方法を用いると、負の表面電荷を有するシリカの微粒子とその反対電荷を持つポリカチオンであるポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド(PDDA)またはポリエチレンイミン(PEI)などとを交互に積層することで、シリカ微粒子とポリマー電解質が交互に積層された微粒子積層薄膜を形成することが可能である。   In addition, a method of forming a porous film by laminating fine particles has been proposed. Y. Lvov et al. Applied an alternate lamination method to fine particles, and reported a method of laminating a polymer electrolyte having a charge opposite to the surface charge of the fine particles by using an alternate lamination method using silica, titania, and ceria fine particle dispersions. (Langmuir, Vol. 13, (1997) p6195-6203). By using this method, silica fine particles having a negative surface charge and polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA) or polyethyleneimine (PEI), which are polycations having the opposite charge, are alternately laminated to form silica. It is possible to form a fine particle laminated thin film in which fine particles and a polymer electrolyte are alternately laminated.

ここで、屈折率が1.48のシリカ微粒子を積層して空隙を作り、単層で十分な反射防止膜が得られる屈折率である1.22〜1.30の薄膜を作るために必要なシリカ微粒子の体積密度は、ドルーデの理論から、下記のように近似的に求められる(薄膜・光デバイス 著者 吉田貞史、矢嶋弘義 出版社 1994年 東京大学出版会)。
Here, it is necessary for laminating silica fine particles having a refractive index of 1.48 to form voids, and to form a thin film having a refractive index of 1.22 to 1.30, which can provide a sufficient antireflection film with a single layer. The volume density of silica fine particles is approximately calculated from Drude's theory as follows (thin film / optical device authors Sadayoshi Yoshida, Hiroyoshi Yajima Publishing Co., Ltd., University of Tokyo, 1994).

ゆえに
therefore

(nは薄膜の屈折率、nSiO2はシリカ屈折率=1.48、nは空気屈折率=1、ρはシリカ微粒子の体積密度)
( Nc is the refractive index of the thin film, n SiO2 is the silica refractive index = 1.48, n 0 is the air refractive index = 1, and ρ is the volume density of the silica fine particles)

すなわち、41%〜58%となるようなシリカ微粒子の体積密度が必要である(図3)。しかし、これまでの多孔質膜では、気孔率(空隙率)を上げる、すなわちシリカの体積密度を下げることによってさらに機械的強度が低下するという問題があった。つまり、従来の交互積層法で形成された微粒子積層膜は、微粒子同士が主に水素結合のような弱い静電的引力によって吸着されているために、耐スクラッチ性に劣るという問題があった。
特開平04−202366号公報 特開2001−163906号公報 特開2001−167637号公報 特開2001−233611号公報 特開平07−48527号公報 特開昭57−166337号公報 特開平05−330856号公報 特開平05−147976号公報 国際公開WO03/082481号パンフレット 特開2003−301283号公報 「反射防止膜の特性と最適設計・膜作製技術」、2002年、技術情報協会 Macleod,「Thin−Film Optical Filters」,Elsevier, New York(1969) 金原ら、「応用物理学選書3 薄膜」、裳華房、(昭和59年)。 Thin Solid Films, 210/211, p831(1992) Langmuir 16、p5017−5023(2000) Nature Materials, Vol1 p59−63(2002) Langmuir、Vol.13、(1997)p6195−6203 吉田貞史、矢嶋弘義「薄膜・光デバイス」 東京大学出版会 1994年
That is, the volume density of silica fine particles is required to be 41% to 58% (FIG. 3). However, conventional porous membranes have a problem that the mechanical strength is further lowered by increasing the porosity (porosity), that is, by reducing the volume density of silica. In other words, the fine particle laminated film formed by the conventional alternating lamination method has a problem that the fine particles are adsorbed mainly by a weak electrostatic attraction such as a hydrogen bond, so that the scratch resistance is inferior.
Japanese Patent Laid-Open No. 04-202366 JP 2001-163906 A Japanese Patent Laid-Open No. 2001-167637 JP 2001-233611 A JP 07-48527 A JP-A-57-166337 Japanese Patent Laid-Open No. 05-330856 JP 05-147976 A International Publication WO03 / 082481 Pamphlet Japanese Patent Laid-Open No. 2003-301283 “Characteristics and Optimal Design / Film Fabrication Technology of Antireflection Film”, 2002 Macleod, “Thin-Film Optical Filters”, Elsevier, New York (1969) Kanehara et al., "Applied physics selection book 3 thin film", Hanafusa, (Showa 59). Thin Solid Films, 210/211, p831 (1992) Langmuir 16, p5017-5023 (2000) Nature Materials, Vol1 p59-63 (2002) Langmuir, Vol. 13, (1997) p6195-6203 Sadashi Yoshida, Hiroyoshi Yajima “Thin Films and Optical Devices” The University of Tokyo Press 1994

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、基材上にナノメートルサイズの空隙構造を有する薄膜の作製が、常温かつ湿式プロセスで行え、膜厚制御が容易であって、かつ耐スクラッチ性などの機械的特性に優れ、反射防止膜等に用いられる多孔質膜の製造方法を提供するとともに、当該方法により得られた多孔質膜を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and the production of a thin film having a nanometer-size void structure on a substrate can be performed at room temperature and in a wet process, the film thickness can be easily controlled, and An object of the present invention is to provide a method for producing a porous film excellent in mechanical properties such as scratch resistance and used for an antireflection film and the like, and to provide a porous film obtained by the method.

本発明者らは、上記目的を達成するため種々検討したところ、基材を微粒子分散液と、その微粒子の表面電荷と反対電荷のイオン性を有するポリマー溶液とに交互に浸漬する工程において、微粒子分散液中の微粒子の表面電位を制御して、所望の体積密度を有する微粒子積層膜を形成し、次いでこの微粒子積層膜を加熱処理することにより、耐スクラッチ性などの機械的特性に優れ、反射防止膜等に用いることができる多孔質膜が得られることを見いだし、本発明を完成した。   The inventors of the present invention have made various studies in order to achieve the above object. As a result, in the step of alternately immersing the base material in the fine particle dispersion and the polymer solution having the ionicity opposite to the surface charge of the fine particles, the fine particles By controlling the surface potential of the fine particles in the dispersion to form a fine particle laminate film having a desired volume density, and then heat-treating this fine particle laminate film, it has excellent mechanical properties such as scratch resistance and reflection. The inventors have found that a porous film that can be used for a prevention film or the like is obtained, and have completed the present invention.

すなわち、本発明は、基材上に形成された薄膜(A)を有してなる多孔質膜であって、該薄膜(A)の硬度が0.8GPa以上であり、体積密度が30〜60%である多孔質膜であり、好ましくは、前記薄膜(A)のヤング率が、16GPa以上である。これにより多孔質でありながら耐スクラッチ性に優れる機能性膜を提供できる。   That is, this invention is a porous film which has the thin film (A) formed on the base material, Comprising: The hardness of this thin film (A) is 0.8 GPa or more, and volume density is 30-60. %, And the Young's modulus of the thin film (A) is preferably 16 GPa or more. Thereby, it is possible to provide a functional film having excellent scratch resistance while being porous.

また、本発明の多孔質膜は、前記薄膜(A)が微粒子の集合体からなり、この薄膜(A)は微粒子積層膜を加熱処理して得られたものである。薄膜(A)中の微粒子の平均粒子径は10〜100nmであり、特に、反射防止膜などの光学機能膜として用いる場合には、多孔質膜に透明性が求められるため、散乱防止のため多孔質膜中の微粒子の平均粒子径が100nm以下であることが好ましい。   In the porous film of the present invention, the thin film (A) is an aggregate of fine particles, and the thin film (A) is obtained by heat-treating the fine particle laminated film. The average particle diameter of the fine particles in the thin film (A) is 10 to 100 nm, and particularly when used as an optical functional film such as an antireflection film, the porous film is required to be transparent. The average particle size of the fine particles in the membrane is preferably 100 nm or less.

また、本発明は、上記のような多孔質膜の製造方法の発明であり、当該製造方法は、基材上に、微粒子とポリマーとを交互に積層することを特徴とする多孔質膜の製造方法であって、微粒子分散液に浸漬する工程と、その微粒子の表面電荷と反対電荷のイオン性を有するポリマー溶液に浸漬する工程とを交互に繰り返すことにより、微粒子積層膜を調製し、次いで、この微粒子積層膜を450〜600℃で加熱する工程を含む多孔質膜の製造方法である。このように450〜600℃で一定時間熱処理をすることにより、微粒子積層膜中に含有する水やポリマーが除去され、微粒子間に分子間力、クーロン引力、共有結合ができるために耐スクラッチ性などの良好な機械的特性が得られる。   Further, the present invention is an invention of a method for producing a porous membrane as described above, and the production method comprises producing a porous membrane characterized in that fine particles and a polymer are alternately laminated on a substrate. A method comprising the steps of immersing in a fine particle dispersion and alternately immersing in a polymer solution having an ionicity opposite to the surface charge of the fine particles to prepare a fine particle laminated film, This is a method for producing a porous film including a step of heating the fine particle laminated film at 450 to 600 ° C. By performing heat treatment at 450 to 600 ° C. for a certain time in this way, water and polymer contained in the fine particle laminated film are removed, and intermolecular force, Coulomb attractive force, and covalent bond can be formed between the fine particles, so that scratch resistance is provided. Good mechanical properties can be obtained.

さらに、この製造方法において、前記微粒子分散液に含まれる微粒子の平均一次粒子径は、10〜100nmであることが好ましく、特に、透明性を得るためには光が散乱しない100nm以下の範囲の微粒子径を用いることが好ましい。また、前記微粒子分散液に含まれる微粒子が、図4に示すような数珠状に連なった形状の微粒子であるとより好ましい。数珠状になっていると、立体的な障害により、他の数珠状微粒子や反対電荷を有するポリマーが空間を占めることができず、その結果、より空隙率の高い低屈折率膜が容易に形成できるからである。微粒子としては、多孔質膜の用途に応じて選択され、例えば、反射防止膜のときはシリカ、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、フッ化アルミニウム、フッ化ナトリウムなどの屈折率が小さい化合物が用いられる。   Furthermore, in this production method, the average primary particle diameter of the fine particles contained in the fine particle dispersion is preferably 10 to 100 nm, and in particular, fine particles in a range of 100 nm or less in which light is not scattered in order to obtain transparency. It is preferable to use a diameter. Moreover, it is more preferable that the fine particles contained in the fine particle dispersion are fine particles having a bead shape as shown in FIG. If it is beaded, other beaded fine particles and polymers with opposite charges cannot occupy space due to steric hindrance, and as a result, a low refractive index film with higher porosity can be easily formed. Because it can. The fine particles are selected according to the use of the porous film. For example, in the case of an antireflection film, a compound having a small refractive index such as silica, lithium fluoride, magnesium fluoride, aluminum fluoride, sodium fluoride is used. .

本発明の多孔質膜は、耐スクラッチ性などの機械的特性に優れるものである。また、本発明の多孔質膜の製造方法は、交互積層法で形成した微粒子積層膜を、熱処理するだけで、耐スクラッチ性に優れた多孔質膜付き基板を製造できるため、常温かつ湿式プロセスで行え、ナノメートルレベルの膜厚制御が可能であり、量産性に優れる製造方法である。さらに、積層条件や積層回数を変えることにより、微粒子積層膜の体積密度や膜厚を任意に制御できるため、反射率のスペクトルのような光学的特性を制御することも容易である。   The porous membrane of the present invention is excellent in mechanical properties such as scratch resistance. In addition, the method for producing a porous film of the present invention can produce a substrate with a porous film excellent in scratch resistance by simply heat-treating the fine particle laminated film formed by the alternating lamination method. It is possible to control the film thickness at the nanometer level, and it is a manufacturing method with excellent mass productivity. Furthermore, since the volume density and film thickness of the fine particle laminated film can be arbitrarily controlled by changing the lamination conditions and the number of laminations, it is easy to control the optical characteristics such as the reflectance spectrum.

本発明者らは、微粒子分散液と反対電荷を有するポリマー電解質溶液に、交互に浸漬することによって基材上に静電的引力によって形成される微粒子とポリマー電解質との交互積層膜である微粒子積層膜において、微粒子積層膜を形成後に所定の温度で熱処理することにより、光学特性を維持したまま、耐スクラッチ性などの機械的特性を向上させるという発明に至った。また、本発明の微粒子積層膜を加熱処理して得られる薄膜(A)は薄膜中で微粒子が占める体積密度が30〜60%のものであり、このような体積密度を有する薄膜(A)ひいては微粒子積層膜を形成するには、微粒子とポリマーとを相互に積層する工程において、使用する微粒子分散液における微粒子の分散状態を制御する必要がある。以下、本発明の製造方法、使用する材料について順次説明する。   The inventors of the present invention have developed a fine particle laminate which is an alternating laminated film of fine particles and polymer electrolyte formed by electrostatic attraction on a substrate by alternately dipping in a polymer electrolyte solution having an opposite charge to the fine particle dispersion. The film was heat-treated at a predetermined temperature after the fine particle laminated film was formed, thereby leading to an invention to improve mechanical characteristics such as scratch resistance while maintaining optical characteristics. Further, the thin film (A) obtained by heat-treating the fine particle laminated film of the present invention has a volume density of 30 to 60% occupied by the fine particles in the thin film, and the thin film (A) having such a volume density and thus In order to form the fine particle laminated film, it is necessary to control the dispersion state of the fine particles in the fine particle dispersion used in the step of laminating the fine particles and the polymer. Hereafter, the manufacturing method of this invention and the material to be used are demonstrated sequentially.

(1)電気二重層
液体中に分散している粒子の多くは、プラスまたはマイナスに帯電している。電気的に中性を保とうとして粒子表面の液体中には、粒子とは逆の符号を持つイオンが集まってくる。そのようなイオン群が、粒子表面を取り巻いて球殻状に集まり、荷電を持った層を、反対荷電を持った層が取り巻くことになる。このような状態は、「電気二重層」と表現される。
(1) Electric double layer Most of the particles dispersed in the liquid are positively or negatively charged. In order to maintain neutrality electrically, ions having a sign opposite to that of the particles gather in the liquid on the particle surface. Such an ion group surrounds the particle surface and gathers in a spherical shell shape, and a layer having a charge is surrounded by a layer having an opposite charge. Such a state is expressed as “electric double layer”.

液体中のイオン層のイオン分布は熱運動のために攪乱されている。そのため、表面近傍では反対荷電の濃度が高く、遠ざかるにつれて次第に低下する。粒子と同荷電のイオンは、逆の分布を示し、粒子から充分に離れた領域では、プラスのイオンの荷電とマイナスのイオンの荷電が相殺して、電気的中性が保たれる。上記のコンデンサー型の二重層に対して、液体中において現実に見られるものは、「拡散電気二重層」と呼ばれ、反対荷電のイオン分布が、表面から離れるにつれて、次第にぼやけてゆくような電気二重層である。   The ion distribution of the ion layer in the liquid is disturbed due to thermal motion. Therefore, the concentration of the opposite charge is high near the surface, and gradually decreases as the distance increases. The ion having the same charge as the particle exhibits an opposite distribution, and in a region sufficiently away from the particle, the charge of the positive ion and the charge of the negative ion cancel each other, and the electrical neutrality is maintained. In contrast to the capacitor-type double layer, what is actually seen in the liquid is called a “diffusion electric double layer”, in which the oppositely charged ion distribution gradually becomes blurred as it moves away from the surface. It is a double layer.

内側の粒子表面のイオン分布は、「拡散層」と呼ばれる。また微粒子表面から直ちに、拡散層が始まっているとは限らず、一部のイオンが強く表面に引き寄せられて、固定されている場合が多く、この層を「固定層」と呼ぶ。   The ion distribution on the inner particle surface is called the “diffusion layer”. In addition, the diffusion layer does not always start immediately from the surface of the fine particles, and some ions are strongly attracted to the surface and are often fixed, and this layer is called a “fixed layer”.

液体中に分散された粒子は、多くの場合に荷電を持ち、そして、粒子の分散状態の安定性は、しばしば荷電状態によって、左右される。粒子は、「固定層」そして「拡散層」の内側の一部を伴って移動すると推定でき、この移動が起こる面を「滑り面」と呼んでいる。   Particles dispersed in a liquid often have a charge, and the stability of the dispersed state of the particle often depends on the charged state. It can be assumed that the particles move with a “fixed layer” and a part inside the “diffusion layer”, and the surface where this movement occurs is called the “sliding surface”.

粒子から充分に離れて電気的に中性である領域の電位をゼロと定義すると、「ゼータ電位」は、このゼロ点を基準として測った場合の、「滑り面」の電位と定義されている。微粒子の場合、ゼータ電位の絶対値が増加すれば、粒子間の反発力が強くなり粒子の安定性は高くなる。逆に、ゼータ電位がゼロに近くなると、粒子は凝集しやすくなる。そこで、ゼータ電位は分散された粒子の分散安定性の指標として用いられる(北原文雄、古澤邦夫、尾崎正孝、大島広行、「Zeta Potentialゼータ電位:微粒子界面の物理化学」、サイエンティスト社、1995)。   When the potential of a region that is sufficiently far away from the particle and is electrically neutral is defined as zero, the “zeta potential” is defined as the potential of the “sliding surface” when measured based on this zero point. . In the case of fine particles, if the absolute value of the zeta potential increases, the repulsive force between the particles becomes stronger and the stability of the particles becomes higher. Conversely, when the zeta potential is close to zero, the particles tend to aggregate. Therefore, the zeta potential is used as an index of dispersion stability of dispersed particles (Fumio Kitahara, Kunio Furusawa, Masataka Ozaki, Hiroyuki Oshima, “Zeta Potential Zeta Potential: Physical Chemistry of Fine Particle Interface”, Scientist, 1995).

(2)ゼータ電位の測定方法
帯電した粒子が分散している系に、外部から電場をかけると、粒子は電極に向かって泳動するが、その速度は粒子の荷電に比例するため、その粒子の泳動速度を測定することによりゼータ電位が求められる。
(2) Zeta potential measurement method When an external electric field is applied to a system in which charged particles are dispersed, the particles migrate toward the electrode, but the velocity is proportional to the charge of the particles. The zeta potential is determined by measuring the migration speed.

例えば、電気泳動光散乱測定法は別名レーザードップラー法と呼ばれ、「光や音波が動いている物体に当たり反射または散乱すると、光や音波の周波数が物体の速度に比例して変化する」というドップラー効果を利用して粒子の泳動速度を求めている。電気泳動している粒子にレーザー光を照射すると粒子からの散乱光は、ドップラー効果により周波数がシフトする。シフト量は粒子の泳動速度に比例することから、このシフト量を測定することにより粒子の泳動速度がわかる。   For example, the electrophoretic light scattering measurement method is also known as the laser Doppler method, and it is a Doppler that "the frequency of light or sound waves changes in proportion to the speed of the object when light or sound waves are reflected or scattered by moving objects." The migration speed of particles is obtained using the effect. When laser light is irradiated onto the electrophoretic particles, the frequency of the scattered light from the particles shifts due to the Doppler effect. Since the shift amount is proportional to the migration speed of the particles, the migration speed of the particles can be determined by measuring the shift amount.

実際に、屈折率(n)の媒体(液)に分散した試料に、波長(λ)のレーザー光を照射し、散乱角(θ)で検出する場合の、泳動速度(V)とドップラーシフト量(Δν)の関係は次式で表される。
Actually, when a sample dispersed in a medium (liquid) having a refractive index (n) is irradiated with laser light having a wavelength (λ) and detected by a scattering angle (θ), the migration speed (V) and the Doppler shift amount The relationship (Δν) is expressed by the following equation.

[n:媒体(液)の屈折率、θ:検出角度]
ここで得られた泳動速度(V)と電場(E)から電気移動度(U)が求められる。
[N: refractive index of medium (liquid), θ: detection angle]
The electric mobility (U) is obtained from the migration speed (V) and the electric field (E) obtained here.

電気移動度(U)からゼータ電位(ζ)へは、次式のSmoluchowskiの式を用いて求められる。
The electric mobility (U) to the zeta potential (ζ) can be obtained by using the following Smoluchowski equation.

[η:媒体(液)の粘度、ε:媒体(液)の誘電率]
このようにして、泳動している粒子からの散乱光を観測することによって、ゼータ電位が求められる。このようにして求められるゼータ電位は微粒子の表面電位を反映するものであるため、ゼータ電位を大きくすると、微粒子間の静電的な斥力により分散性が良くなる一方、交互積層法で用いる場合は、それと反対電荷を有する基材が存在すると、表面との引力が大きくなるため空隙率の高い膜が形成されにくくなり、すなわち充填の状態が緻密な膜となってしまうために、本発明の目的には好ましくない。したがって、ゼータ電位の絶対値を低く制御することで基材表面に微粒子が緻密に充填されて積層されるのを防ぐことができ、より具体的には、1〜45mVの範囲内に抑えることが好ましい。さらに低く、1mVより低くすると媒体(液)の微粒子分散性が悪くなり、沈殿が起こり、さらに電荷が0に近づくために基材との引力が発生せず、吸着も起こらないため好ましくない。
[Η: viscosity of medium (liquid), ε: dielectric constant of medium (liquid)]
In this way, the zeta potential is determined by observing scattered light from the migrating particles. Since the zeta potential obtained in this way reflects the surface potential of the fine particles, increasing the zeta potential improves the dispersibility due to electrostatic repulsion between the fine particles. In the presence of a substrate having a charge opposite to that, the attractive force with the surface increases, so that it is difficult to form a film with a high porosity, that is, the state of filling becomes a dense film. Is not preferred. Therefore, by controlling the absolute value of the zeta potential to be low, it is possible to prevent fine particles from being densely packed and stacked on the surface of the substrate, and more specifically, to suppress within a range of 1 to 45 mV. preferable. Further, if it is lower than 1 mV, the fine particle dispersibility of the medium (liquid) is deteriorated, precipitation occurs, and since the electric charge approaches 0, no attractive force is generated with the base material and adsorption is not preferable.

(3)表面電位の制御方法
表面電位を制御する方法は、ゼータ電位を制御することと等価と考えると、ゼータ電位に与える因子を考える必要がある。微粒子表面の拡散電気二重層の厚さを1/κで表すと、この厚さは表面電荷と対イオン(電解質イオン)の間の引力が、それをかき乱そうとする熱運動とつりあう距離である。ここで、κはDebye−Huckelのパラメータと呼ばれ、イオン価zの電解質の場合、
(3) Method for controlling surface potential If the method for controlling the surface potential is considered equivalent to controlling the zeta potential, it is necessary to consider the factors given to the zeta potential. When the thickness of the diffusion electric double layer on the surface of the fine particle is expressed by 1 / κ, this thickness is the distance that the attractive force between the surface charge and the counter ion (electrolyte ion) balances with the thermal motion trying to disturb it. is there. Here, κ is called a Debye-Huckel parameter, and in the case of an electrolyte with an ionic value z,

で表される。ここで(k)=Boltzmann定数、(ε)=真空の誘電率、(ε)=媒体(液)の比誘電率、(T)=絶対温度、(e)単位電荷である。(n)は電解質の数密度で単位は(m−3)である。(n)をアボガドロ数(N)で表すと、n=1000N×濃度(C)となる。この式から、分母に注目すると、電解質濃度、あるいは価数zを上げると拡散電気二重層の厚みが薄くなり、さらにこの式の分子に注目すると、温度Tを上げれば熱運動が活発になって拡散電気二重層は厚くなることを意味する。つまり電解質を加えることによって電気二重層の厚みが薄くなることを意味する。 It is represented by Here, (k) = Boltzmann constant, (ε 0 ) = dielectric constant of vacuum, (ε r ) = dielectric constant of medium (liquid), (T) = absolute temperature, and (e) unit charge. (N) is the number density of the electrolyte, and the unit is (m −3 ). When (n) is expressed by the Avogadro number (N A ), n = 1000 N A × concentration (C). From this equation, focusing on the denominator, increasing the electrolyte concentration or valence z decreases the thickness of the diffusion electric double layer, and further focusing on the numerator of this equation, the thermal motion becomes active as the temperature T is increased. It means that the diffusion electric double layer becomes thicker. That is, it means that the thickness of the electric double layer is reduced by adding the electrolyte.

表面電位と電気二重層との関係は、次のような関係式で関連付けられる。つまり、表面電荷密度σによって、媒体(液)中では電場σ/εεが生じる、したがって、電気二重層の厚み(1/κ)の距離を隔てると、電場×距離=(σ/εε)×(1/κ)=(σ/εεκ)の電位差ができる。このことから表面電位(φ)は次式で表される。
The relationship between the surface potential and the electric double layer is related by the following relational expression. That is, the electric field σ / ε r ε 0 is generated in the medium (liquid) by the surface charge density σ. Therefore, when the distance of the electric double layer thickness (1 / κ) is separated, the electric field × distance = (σ / ε A potential difference of r ε 0 ) × (1 / κ) = (σ / ε r ε 0 κ) is generated. From this, the surface potential (φ 0 ) is expressed by the following equation.

この式から、微粒子の表面電位とゼータ電位を下げるためには、分母のDebye−Huckelのパラメータ1/κを下げる(κを大きくする)、すなわち電気二重層を薄くする、さらに言い換えれば電解質濃度を上げることと、溶液の誘電率(ε)を上げ、分子の電荷密度を下げればよいことが分かる。 From this equation, in order to reduce the surface potential and zeta potential of the fine particles, the Debye-Huckel parameter 1 / κ is decreased (κ is increased), that is, the electric double layer is thinned, in other words, the electrolyte concentration is reduced. It can be seen that it is sufficient to increase the dielectric constant (ε r ) of the solution and decrease the charge density of the molecule.

水の誘電率(ε)より高い媒体(液)は一般的ではないため分散液の誘電率を上げることは困難である。したがって、表面電位を下げる方法としては、電解質を加える(電解質濃度を上げる)のが好ましい。電解質としては、水または水、アルコール混合溶媒などに溶解するものであれば限定されるものではないが、アルカリ金属およびアルカリ土類金属、四級アンモニウムイオンなどとハロゲン元素との塩、LiCl、KCl、NaCl、MgCl、CaClなどが用いられる。本発明では、電解質の濃度は0.01〜0.25M(=mol/リットル、以下同じ)程度とすることが好ましい。電解質を0.25Mより多く加えると、表面電位が下がりすぎて分散性が悪くなり、凝集などにより微粒子の沈殿が起こる。 Since a medium (liquid) higher than the dielectric constant (ε r ) of water is not common, it is difficult to increase the dielectric constant of the dispersion. Therefore, as a method for lowering the surface potential, it is preferable to add an electrolyte (increase the electrolyte concentration). The electrolyte is not limited as long as it dissolves in water or water, a mixed solvent of alcohol, etc., but salts of alkali metals and alkaline earth metals, quaternary ammonium ions and the like and halogen elements, LiCl, KCl , NaCl, MgCl 2 , CaCl 2 or the like is used. In the present invention, the concentration of the electrolyte is preferably about 0.01 to 0.25 M (= mol / liter, the same applies hereinafter). If the electrolyte is added more than 0.25M, the surface potential is too low and the dispersibility is deteriorated, so that fine particles are precipitated due to aggregation or the like.

また、表面電位は、pHによっても制御できる。なぜなら、粒子表面にある解離基の解離(イオン化)度はpHによって影響を受けるからである。例えば微粒子表面にカルボキシル基(−COOH)や表面水酸基(−OH)がある場合は、pHを上げるとイオン化してカルボキシレート陰イオン(−COO)または水酸化物イオン(−O)となるため、電荷密度σは上がる。一方、アミノ基(−NH)がある場合はpHを下げるとアンモニウムイオン(−NH )となり電荷密度が上がる。すなわち、高いpH領域、及び低いpH領域で電荷密度の上昇がある。したがって、本発明では微粒子分散液のpHを3〜9の範囲内にすることで、アニオン、カチオンいずれについても、電荷密度σの上昇が抑制され、結果として表面電位、さらにはゼータ電位を低く制御することができ、基材表面に微粒子が緻密に充填されて積層されるのを防ぐことができる。 The surface potential can also be controlled by pH. This is because the degree of dissociation (ionization) of the dissociating group on the particle surface is affected by pH. For example, when there are carboxyl groups (—COOH) or surface hydroxyl groups (—OH) on the surface of the fine particles, ionization occurs as carboxylate anions (—COO ) or hydroxide ions (—O ) when the pH is raised. Therefore, the charge density σ increases. On the other hand, when there is an amino group (—NH 2 ), when the pH is lowered, ammonium ions (—NH 3 + ) are formed and the charge density is increased. That is, there is an increase in charge density in the high pH region and the low pH region. Therefore, in the present invention, by setting the pH of the fine particle dispersion within the range of 3 to 9, the increase of the charge density σ is suppressed for both anions and cations, and as a result, the surface potential and further the zeta potential are controlled to be low. It is possible to prevent fine particles from being densely packed on the surface of the base material and stacking.

(4)微粒子材料
本発明に用いる微粒子分散液に分散されている微粒子は、多孔質膜の用途により選択されるが、一般的に、光学的に透明な微粒子であって、微粒子の粒子径が10nm以上、100nm以下であることが好ましい。10nm以下であると膜成長に時間がかかりすぎるし、100nm以上であると、膜厚の制御がしにくく、また光を散乱しやすくなる。また、粒子径のばらつきが10nm以下であることが好ましい。吸着した粒子の大きさのばらつきが、膜厚のばらつきに影響し、光学的なムラとなる可能性があるからである。
(4) Fine particle material The fine particles dispersed in the fine particle dispersion used in the present invention are selected depending on the use of the porous film. Generally, the fine particles are optically transparent fine particles having a fine particle size. It is preferably 10 nm or more and 100 nm or less. If it is 10 nm or less, it takes too much time to grow the film, and if it is 100 nm or more, it is difficult to control the film thickness and it becomes easy to scatter light. Moreover, it is preferable that the dispersion | variation in a particle diameter is 10 nm or less. This is because the variation in the size of the adsorbed particles may affect the variation in the film thickness, resulting in optical unevenness.

微粒子としては、無機系の微粒子を用いることができる。例えば、フッ化マグネシウム(MgF)、フッ化アルミニウム(AlF)、フッ化リチウム(LiF)、フッ化ナトリウム(NaF)、シリカ(SiO)、酸化アルミニウム(Al)、酸化ジルコニア(ZrO)、酸化チタン(TiO)、酸化ニオブ(Nb)、インジウムスズ酸化物(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO)、セリア(CeO)、酸化イットリウム(Y)、酸化ビスマス(Bi)、等が挙げられ、これらは単独で又は二種類以上を混合して使用することができる。 As the fine particles, inorganic fine particles can be used. For example, magnesium fluoride (MgF 2 ), aluminum fluoride (AlF 3 ), lithium fluoride (LiF), sodium fluoride (NaF), silica (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconia oxide ( ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), indium tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), ceria (CeO 2 ), yttrium oxide ( Y 2 O 3 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), and the like can be used, and these can be used alone or in admixture of two or more.

多孔質膜を低反射膜のように低屈折率の多孔質膜を目的とする場合には、上記の無機微粒子の中でも屈折率を下げられる点でバルクの屈折率が1.48と比較的低いシリカ(SiO)が好ましく、粒子径を10nmから100nmのように制御した水分散コロイダルシリカ(SiO)が最も好ましい。このような無機微粒子の市販品としては、例えば、スノーテックス、スノーテックスUP(日産化学工業社製)等が挙げられる。より高い空隙率を得るためには、基本となる微粒子が、多孔質となっている微粒子や、図4に示されるように数珠状に連なった粒子形状を含有するものがより好ましい。市販されているものとしては、スノーテックスPSないしスノーテックスUPシリーズ(日産化学工業社製)や、ファインカタロイドF120(触媒化成工業社製)で、パールネックレス状シリカゾルがある。 When the porous film is intended to be a porous film having a low refractive index such as a low reflection film, the bulk refractive index is relatively low at 1.48 in that the refractive index can be lowered among the above-mentioned inorganic fine particles. Silica (SiO 2 ) is preferable, and water-dispersed colloidal silica (SiO 2 ) having a particle diameter controlled to be 10 nm to 100 nm is most preferable. Examples of such commercially available inorganic fine particles include Snowtex and Snowtex UP (manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.). In order to obtain a higher porosity, it is more preferable that the basic fine particles include porous fine particles or particles having a bead-like shape as shown in FIG. Examples of commercially available products include Snowtex PS or Snowtex UP series (manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) and Fine Cataloid F120 (manufactured by Catalyst Chemical Industries, Ltd.), and pearl necklace-like silica sol.

さらに、上記のような無機微粒子は、粒子表面に存在する水酸基が脱水縮合することで結合し、耐スクラッチ性がより向上することができるという点でも好ましいものである。   Furthermore, the inorganic fine particles as described above are preferable in that the hydroxyl groups present on the particle surface are bonded by dehydration condensation, and the scratch resistance can be further improved.

(5)微粒子分散液
本発明で用いる微粒子分散液は、上述の微粒子が、水または、水と水溶性の有機溶媒のような混合溶媒である媒体(液)に分散されたものである。水溶性の有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、アセトン、ジメチルホルムアミド、アセトニトリルなどがあげられる。この微粒子分散液中の微粒子の表面電位を示すゼータ電位はその絶対値が1〜45mVの範囲に制御されていることが好ましく、ゼータ電位の制御は、前述のように微粒子分散液のpHの調整や微粒子分散液に電解質を添加することなどによって達成できる。
(5) Fine particle dispersion The fine particle dispersion used in the present invention is obtained by dispersing the above-mentioned fine particles in a medium (liquid) which is water or a mixed solvent such as water and a water-soluble organic solvent. Examples of the water-soluble organic solvent include methanol, ethanol, propanol, acetone, dimethylformamide, acetonitrile and the like. The absolute value of the zeta potential indicating the surface potential of the fine particles in the fine particle dispersion is preferably controlled in the range of 1 to 45 mV, and the zeta potential is controlled by adjusting the pH of the fine particle dispersion as described above. Or by adding an electrolyte to the fine particle dispersion.

また、微粒子分散液を調製する際に、分散性を改善するために、いわゆる分散剤を用いることができる。このような分散剤としては、界面活性剤やイオン性ポリマーあるいは非イオン性ポリマーなどを用いることができる。これらの分散剤の使用量は、用いる分散剤の種類によって異なるものであるが、一般に0.1%(重量)以下程度であることが好ましく、多すぎるとゲル化・分離を起こしたり、分散液中で微粒子が電気的に中性となり、積層膜が得られなくなる。   Further, when preparing the fine particle dispersion, a so-called dispersant can be used in order to improve dispersibility. As such a dispersant, a surfactant, an ionic polymer, a nonionic polymer, or the like can be used. The amount of these dispersants to be used varies depending on the type of the dispersant to be used, but generally it is preferably about 0.1% (weight) or less. Among them, the fine particles become electrically neutral, and a laminated film cannot be obtained.

また、微粒子分散液においては、微粒子分散液のpHは3〜9程度であることが好ましい。pHの調整は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ性水溶液または塩酸、硫酸などの酸性水溶液で、行うことができ、また、分散剤によってもpHを調整することができ、さらに、加える電解質(例えば、強酸と弱塩基や弱酸と強塩基の組み合わせの塩など)によってもpHを調整することができる。微粒子分散液のpHが9よりも大きいか、あるいは3未満であると、反対の電荷を持つポリマーが吸着された基材との静電的引力が強くなり、微粒子が緻密に充填された膜となるか、あるいは基材との静電的引力が働かない上に、分散液の微粒子同士の斥力が低下することにより凝集を起し、微粒子の凝集体が沈殿して微粒子が基材上に積層されないようになる傾向がある。   Further, in the fine particle dispersion, the pH of the fine particle dispersion is preferably about 3 to 9. The pH can be adjusted with an alkaline aqueous solution such as sodium hydroxide or potassium hydroxide, or an acidic aqueous solution such as hydrochloric acid or sulfuric acid. The pH can also be adjusted with a dispersing agent. For example, the pH can also be adjusted by a salt of a strong acid and a weak base or a combination of a weak acid and a strong base. When the pH of the fine particle dispersion is greater than 9 or less than 3, electrostatic attraction with the base material on which the polymer having the opposite charge is adsorbed becomes strong, and the film in which fine particles are densely packed In addition, electrostatic attraction with the substrate does not work, and the repulsive force between the fine particles of the dispersion decreases, causing agglomeration, and the fine particle agglomerates precipitate and the fine particles are laminated on the substrate. There is a tendency not to be.

また、微粒子分散液中に占める微粒子の割合は、通常0.01〜10%(重量)程度が好ましく、微粒子の分散は公知の方法によって行うことができる。   The proportion of fine particles in the fine particle dispersion is usually preferably about 0.01 to 10% (weight), and the fine particles can be dispersed by a known method.

(6)イオン性ポリマー溶液
この発明で使用するイオン性ポリマー溶液は、微粒子の表面電荷と反対または同種の電荷のイオン性ポリマーを、水または水と水溶性の有機溶媒の混合溶媒に溶解したものである。使用できる水溶性の有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、アセトン、ジメチルホルムアミド、アセトニトリルなどがあげられる。このイオン性ポリマー溶液は微粒子積層膜の形成や下地層の形成などに用いられる。
(6) Ionic polymer solution The ionic polymer solution used in the present invention is obtained by dissolving an ionic polymer having a charge opposite to or similar to the surface charge of fine particles in water or a mixed solvent of water and a water-soluble organic solvent. It is. Examples of water-soluble organic solvents that can be used include methanol, ethanol, propanol, acetone, dimethylformamide, acetonitrile, and the like. This ionic polymer solution is used for forming a fine particle laminated film, forming an underlayer, and the like.

イオン性ポリマーとしては、荷電を有する官能基を主鎖または側鎖に持つ高分子を用いることができる。この場合、ポリアニオンとしては、一般的に、スルホン酸、硫酸、カルボン酸など負電荷を帯びることのできる官能基を有するものであり、たとえば、ポリスチレンスルホン酸(PSS)、ポリビニル硫酸(PVS)、デキストラン硫酸、コンドロイチン硫酸、ポリアクリル酸(PAA)、ポリメタクリル酸(PMA)、ポリマレイン酸、ポリフマル酸などが用いられる。また、ポリカチオンとしては、一般に、4級アンモニウム基、アミノ基などの正荷電を帯びることのできる官能基を有するもの、たとえば、ポリエチレンイミン(PEI)、ポリアリルアミン塩酸塩(PAH)、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド(PDDA)、ポリビニルピリジン(PVP)、ポリリジン、ポリアクリルアミドおよびそれらを少なくとも1種以上を含む共重合体などを用いることができる。これらのイオン性ポリマーは、いずれも水溶性あるいは水と有機溶媒との混合液に可溶なものであり、イオン性ポリマーの分子量としては、用いるイオン性ポリマーの種類により一概には定めることができないが、一般に、20,000〜200,000程度のものが好ましい。なお、溶液中のイオン性ポリマーの濃度は、一般に、0.01〜10%(重量)程度が好ましい。また、イオン性ポリマー溶液のpHは、特に限定されない。   As the ionic polymer, a polymer having a charged functional group in the main chain or side chain can be used. In this case, the polyanion generally has a negatively charged functional group such as sulfonic acid, sulfuric acid, and carboxylic acid. For example, polystyrene sulfonic acid (PSS), polyvinyl sulfate (PVS), dextran, and the like. Sulfuric acid, chondroitin sulfate, polyacrylic acid (PAA), polymethacrylic acid (PMA), polymaleic acid, polyfumaric acid and the like are used. The polycation generally has a positively charged functional group such as a quaternary ammonium group or amino group, such as polyethyleneimine (PEI), polyallylamine hydrochloride (PAH), polydiallyldimethyl. Ammonium chloride (PDDA), polyvinyl pyridine (PVP), polylysine, polyacrylamide, and a copolymer containing at least one of them can be used. All of these ionic polymers are water-soluble or soluble in a mixture of water and an organic solvent, and the molecular weight of the ionic polymer cannot be generally determined depending on the type of ionic polymer used. However, generally about 20,000-200,000 is preferable. In general, the concentration of the ionic polymer in the solution is preferably about 0.01 to 10% (weight). Further, the pH of the ionic polymer solution is not particularly limited.

(7)基材
基材としてはガラス、シリコンなどの半導体、金属、無機酸化物等、極端に疎水性、撥水性のものまたは表面にそのような膜がコートしてあるもの以外であれば全ての固体基材に適応できる。形状はシート、板、曲面を有する形状、筒状、糸状、繊維、発泡材など浸漬して水が入り込むことができるものであれば限定されない。この低屈折率膜を反射防止膜として機能させるためには透明基材が望ましい。LCDディスプレイに用いる偏光板に反射防止機能を付与することもでき、シリコン太陽電池のカバーガラスの反射防止膜としても用いることができる。集光性を得るためにレンズ形状が形成されている基材も含まれる。
(7) Substrate As the substrate, all other than glass, silicon and other semiconductors, metals, inorganic oxides, etc., which are extremely hydrophobic, water-repellent or those whose surface is coated with such a film It can be applied to any solid substrate. The shape is not limited as long as it can be immersed in water, such as a sheet, a plate, a curved surface, a cylinder, a thread, a fiber, and a foamed material. In order for this low refractive index film to function as an antireflection film, a transparent substrate is desirable. An antireflection function can be imparted to the polarizing plate used in the LCD display, and it can also be used as an antireflection film for a cover glass of a silicon solar cell. The base material in which the lens shape is formed in order to acquire a condensing property is also included.

本発明の微粒子積層膜はこのような基材上に形成されるものであるが、このような透明基材に形成された反射防止膜(微粒子積層膜)の反対側の基材面に粘着剤層が形成されており、被着体としてのディスプレイ表面のガラス基板などに貼り付けて、反射防止膜が空気と面するよう用いることもできる。   The fine particle laminated film of the present invention is formed on such a substrate, and the pressure-sensitive adhesive is formed on the substrate surface opposite to the antireflection film (fine particle laminated film) formed on such a transparent substrate. A layer is formed, and it can be attached to a glass substrate or the like on the surface of a display as an adherend so that the antireflection film faces the air.

(8)微粒子積層膜の作製方法
まず、前述のような基材をそのまま用いるか、またはそれらの表面にコロナ放電処理、グロー放電処理、プラズマ処理、紫外線照射、オゾン処理、アルカリや酸などによる化学的エッチング処理、シランカップリング処理などによって極性を有する官能基を導入して基材の表面電荷をマイナスもしくはプラスにする。
(8) Method for producing fine particle laminated film First, the base materials as described above are used as they are, or the surfaces thereof are subjected to corona discharge treatment, glow discharge treatment, plasma treatment, ultraviolet irradiation, ozone treatment, chemistry with alkali or acid, etc. The surface charge of the base material is made negative or positive by introducing a functional group having a polarity by a chemical etching process, a silane coupling process or the like.

また、基材表面へ電荷を効率よく導入する方法としては、強電解質ポリマーであるポリカチオン系のPDDAやPEIとポリアニオン系のPSSの交互積層膜を形成することによっても可能である(Advanced Material.13,51−54(2001))。すなわち、このような表面に荷電を有する固体基板を2種類のポリマーイオン溶液(ポリカチオンとポリアニオン)に交互に浸し、ポリマーイオンの薄膜を固体基板上に作製する。表面電荷がマイナスであれば、はじめにカチオン性の溶液に浸漬し、次いで、アニオン性の溶液に浸漬し、必要に応じこれを交互に続けて交互積層膜を形成する。用いるポリマーイオン溶液の濃度、pHの条件および浸漬時間、繰り返し数などの製造条件は、積層したい膜厚によって前記(6)と同様にして適時調整する。また、反対電荷を有する溶液に浸漬する前に溶媒のみのリンスによって余剰の溶液を洗い流すことが好ましい。このような基材に微粒子積層膜を形成するための下地層となるポリマーイオンの交互積層膜としては、1〜5nm程度の膜厚であり、積層回数(カチオンとアニオンの組み合わせを1回とする)は、2〜5回程度であることが好ましく、これにより、その後に積層する微粒子積層膜の均一性の向上が図られる。   In addition, as a method for efficiently introducing a charge onto the substrate surface, it is possible to form an alternating laminated film of polycation PDDA or PEI which is a strong electrolyte polymer and polyanion PSS (Advanced Material. 13, 51-54 (2001)). That is, a solid substrate having a charge on such a surface is alternately immersed in two types of polymer ion solutions (polycation and polyanion) to produce a thin film of polymer ions on the solid substrate. If the surface charge is negative, it is first immersed in a cationic solution, then immersed in an anionic solution, and this is continued alternately to form an alternate laminated film. The concentration of the polymer ion solution to be used, pH conditions, and the manufacturing conditions such as the immersion time and the number of repetitions are adjusted in a timely manner in the same manner as in (6) above depending on the film thickness to be laminated. Moreover, it is preferable to wash away the excess solution by rinsing with only the solvent before immersing in the solution having the opposite charge. The alternating film of polymer ions serving as an underlayer for forming the fine particle laminated film on such a substrate has a film thickness of about 1 to 5 nm, and the number of times of lamination (the combination of cation and anion is one time) ) Is preferably about 2 to 5 times, and this improves the uniformity of the fine particle laminated film laminated thereafter.

次いで、このような表面に荷電を有する固体基板を、微粒子分散液と微粒子の表面電荷と反対の電荷を有するポリマーイオン溶液(ポリカチオンあるいはポリアニオン)に交互に浸し、微粒子積層膜の薄膜を固体基板上に作製する。基材の表面電荷が、微粒子の表面電荷と反対の電荷であるときは、微粒子分散液への浸漬から始め、微粒子の表面電荷と同種の時は、イオン性ポリマー溶液への浸漬から始め、必要とする膜厚を得るまで微粒子分散液とイオン性ポリマー溶液への浸漬を繰り返す。最後の浸漬は通常、イオン性ポリマー溶液への浸漬とし、微粒子の吸着を確実なものとする。浸漬時間は用いる微粒子やイオン性ポリマーの種類、積層したい膜厚によって適宜調整する。   Next, such a solid substrate having a charge on the surface is alternately immersed in a fine particle dispersion and a polymer ion solution (polycation or polyanion) having a charge opposite to the surface charge of the fine particles, and the thin film of the fine particle laminated film is solid substrate. Prepare on. If the surface charge of the substrate is opposite to the surface charge of the fine particles, start with immersion in the fine particle dispersion, and if the same as the surface charge of the fine particles, start with immersion in the ionic polymer solution. The immersion in the fine particle dispersion and the ionic polymer solution is repeated until the film thickness is obtained. The final immersion is usually immersed in an ionic polymer solution to ensure the adsorption of the fine particles. The immersion time is appropriately adjusted according to the type of fine particles and ionic polymer used and the film thickness to be laminated.

微粒子分散液あるいはイオン性ポリマー溶液に浸漬後、反対電荷を有する微粒子分散液あるいはイオン性ポリマー溶液に浸漬する前に媒体(液)あるいは溶媒のみのリンスによって余剰の媒体(液)や溶液を洗い流すことが好ましい。このようなリンスに用いるものとしては、水、アルコール、アセトンなどがあるが、通常、過剰なイオンの除去の点から、比抵抗値が18MΩ・cm以上のイオン交換水(いわゆる超純水)が用いられる。静電的に吸着しているために、このリンスの工程で剥離することはない。また、反対電荷の媒体(液)または溶液に、吸着していないポリマーイオンまたは微粒子を持ち込むことを防ぐためにリンスを行ってもよい。これをしない場合は、持ち込みによって媒体(液)や溶液内でカチオン、アニオンが混ざり、微粒子の凝集や沈殿を起こすことがある。また、各溶液に浸漬する前に乾燥を行っても良い。乾燥方法は熱風、ドライエアや窒素などをエアナイフで吹き付ける方法や電熱炉、赤外線炉を通すなど、公知の方法を用いることができる。   After immersing in the fine particle dispersion or ionic polymer solution, wash away excess medium (liquid) or solution by rinsing with the medium (liquid) or solvent only before immersing in the fine particle dispersion or ionic polymer solution having the opposite charge. Is preferred. Examples of such rinsing include water, alcohol, and acetone. Usually, ion-exchanged water (so-called ultrapure water) having a specific resistance of 18 MΩ · cm or more is used from the viewpoint of removing excess ions. Used. Since it is electrostatically adsorbed, it does not peel off in this rinsing step. Further, rinsing may be performed in order to prevent polymer ions or fine particles that are not adsorbed from being brought into the oppositely charged medium (liquid) or solution. If this is not done, cations and anions may be mixed in the medium (liquid) or solution by bringing it in, which may cause aggregation or precipitation of fine particles. Moreover, you may dry before immersing in each solution. As a drying method, a known method such as a method of blowing hot air, dry air, nitrogen, or the like with an air knife, an electric heating furnace, or an infrared furnace can be used.

微粒子分散液またはイオン性ポリマー溶液に浸漬することにより、形成される膜厚は、例えば、積層膜を水晶振動子の上に形成し、その周波数の変化をモニターすることや、得られた積層膜をSEM(走査型電子顕微鏡)、TEM(透過型電子顕微鏡)やAFM(原子間力顕微鏡)などで観察することにより求めることができる。   The film thickness formed by immersing in the fine particle dispersion or the ionic polymer solution is, for example, that a laminated film is formed on a quartz resonator and the change in the frequency is monitored or the obtained laminated film is obtained. Can be determined by observing with an SEM (scanning electron microscope), TEM (transmission electron microscope), AFM (atomic force microscope), or the like.

図5は、微粒子分散液として、スノーテックスPS−Sの水分散液(STps−s)と、ポリマー溶液としてポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド(PDDA)とを用いて、水晶振動子上に微粒子積層膜を形成した時の、トータルの浸漬時間と周波数の変化量を示したグラフであり、上側の曲線は、電解質としてNaClを加えて塩化ナトリウム濃度を0.25モル/リットルとした場合であり、下側の曲線は電解質を添加しない場合(塩化ナトリウムイオンのような電解質濃度は0.01モル/リットル未満)の結果を示している。このグラフから、いずれの場合も微粒子分散液(STps−s)に浸漬した時に、大きな周波数の変化があり、その後飽和していること、またこれに続くポリマー溶液(PDDA)への浸漬では、大きな周波数の変化はないことがわかる。なお、SEM(走査型電子顕微鏡)などの結果から、周波数の変化は、1000Hzが膜厚20〜25nmに相当するものである。すなわち、図5においては、1回の微粒子分散液とイオン性ポリマー溶液との浸漬により、電解質を添加した場合には、30〜36nm程度、また電解質を添加しない場合には、15〜18nm程度の膜厚が得られ、電解質を添加すると形成される膜厚が、電解質を添加しない場合の約2倍程度大きくなることがわかる。すなわち、1回の微粒子分散液とイオン性ポリマー溶液との浸漬により得られる膜厚は、電解質の有無の他、用いる微粒子の大きさや分散液中における微粒子濃度などによって異なるものとなるが、一般に、10〜40nm程度の膜厚が得られることから、微粒子積層膜の膜厚は、浸漬時間と繰り返し数とで制御できることがわかる。なお、電解質を添加すると1回に形成される膜厚が増加することから、その分繰り返し数を減らすことができ、プロセスを簡略化できることはいうまでもないことである。   FIG. 5 shows a case where a fine particle laminated film is formed on a crystal resonator using a water dispersion (STps-s) of Snowtex PS-S as a fine particle dispersion and polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA) as a polymer solution. When formed, it is a graph showing the total immersion time and the amount of change in frequency. The upper curve is the case where NaCl is added as the electrolyte to adjust the sodium chloride concentration to 0.25 mol / liter. This curve shows the result when no electrolyte is added (concentration of electrolyte such as sodium chloride ion is less than 0.01 mol / liter). From this graph, in any case, when immersed in the fine particle dispersion (STps-s), there is a large change in frequency and then saturation, and in the subsequent immersion in the polymer solution (PDDA), there is a large amount. It can be seen that there is no change in frequency. From the results of SEM (scanning electron microscope) and the like, the change in frequency is such that 1000 Hz corresponds to a film thickness of 20 to 25 nm. That is, in FIG. 5, about 30 to 36 nm is obtained when the electrolyte is added by one immersion of the fine particle dispersion and the ionic polymer solution, and about 15 to 18 nm when the electrolyte is not added. It can be seen that the film thickness is obtained, and that the film thickness formed when the electrolyte is added is about twice as large as when the electrolyte is not added. That is, the film thickness obtained by immersing the fine particle dispersion once with the ionic polymer solution differs depending on the size of the fine particles used, the fine particle concentration in the dispersion, etc. in addition to the presence or absence of the electrolyte. Since a film thickness of about 10 to 40 nm is obtained, it can be seen that the film thickness of the fine particle laminated film can be controlled by the immersion time and the number of repetitions. In addition, since the film thickness formed at once will increase when electrolyte is added, it cannot be overemphasized that the number of repetitions can be reduced and the process can be simplified.

製造装置としてはディッパーと呼ばれる交互積層装置を用いても良い。上下左右に動作するロボットアームに基材を取り付け、プログラムされた時間に、基材をカチオン性溶液に漬け、続いてリンス液に漬け、続いてアニオン性溶液に漬け、またリンス液に漬ける。この工程を1サイクルとして、積層したい回数分を連続的に自動的に行うことができる。そのプログラムは2種類以上のカチオン性物質、アニオン性物質を用いた組み合わせをしてもよい。例えば、最初の2層分はポリジメチルジアリルアンモニウム塩化物とポリスチレンスルホン酸ナトリウムの組み合わせ、続く10層はポリジメチルジアリルアンモニウム塩化物とアニオン性シリカゾルの組み合わせを用いることができる。   As a manufacturing apparatus, an alternate stacking apparatus called a dipper may be used. A substrate is attached to a robot arm that moves vertically and horizontally, and at a programmed time, the substrate is immersed in a cationic solution, subsequently immersed in a rinse solution, subsequently immersed in an anionic solution, and then immersed in a rinse solution. This process is one cycle, and the number of times of lamination can be continuously and automatically performed. The program may be a combination of two or more kinds of cationic substances and anionic substances. For example, the first two layers can use a combination of polydimethyldiallylammonium chloride and sodium polystyrene sulfonate, and the next 10 layers can use a combination of polydimethyldiallylammonium chloride and anionic silica sol.

(9)熱処理
次いで、上記のようにして調製した微粒子積層膜を、450〜600℃の温度、好ましくは、500〜600℃、さらに好ましくは、550〜600℃で加熱処理を行う。加熱時間は10分〜2時間程度であり、好ましくは30分〜1時間である。もちろん、加熱温度と加熱時間との関係は、相対的なものであり、処理温度を低くした場合には、その分長い時間にわたって処理を続けることで目的を達成できることはいうまでもない。また、加熱処理の雰囲気に制限はなく、空気中のような酸化性の雰囲気、窒素中のような不活性な雰囲気、あるいは水素などを含む還元性雰囲気であっても差し支えない。加熱方法にも制限はなく、オーブン、誘導加熱装置、赤外線ヒータのような加熱手段ないしは加熱装置を用いて行うことができる。微粒子積層膜の加熱処理により微粒子積層膜中に含有する水やポリマーが除去されるとともに、微粒子間に分子間力、クーロン引力、共有結合が生じ、耐スクラッチ性などの機械的特性の向上が図られる。この工程により、微粒子積層膜は本願でいう薄膜(A)に転換される。加熱温度が450℃未満では微粒子間の縮合が起こらないために十分な膜硬度が得られず、また、600℃以上では微粒子が溶融、融着することにより、多孔質構造がなくなる傾向がある。図6に、加熱処理温度によるシリカ微粒子間の結合の様子を示した概念図を示した。
(9) Heat treatment Next, the fine particle multilayer film prepared as described above is subjected to a heat treatment at a temperature of 450 to 600 ° C, preferably 500 to 600 ° C, more preferably 550 to 600 ° C. The heating time is about 10 minutes to 2 hours, preferably 30 minutes to 1 hour. Of course, the relationship between the heating temperature and the heating time is relative, and when the processing temperature is lowered, it goes without saying that the object can be achieved by continuing the processing for a longer time. The atmosphere for the heat treatment is not limited, and may be an oxidizing atmosphere such as air, an inert atmosphere such as nitrogen, or a reducing atmosphere including hydrogen. There is no restriction | limiting also in the heating method, It can carry out using heating means thru | or a heating apparatus like an oven, an induction heating apparatus, and an infrared heater. The heat treatment of the fine particle laminate film removes water and polymer contained in the fine particle laminate film, and intermolecular force, Coulomb attractive force, and covalent bond occur between the fine particles, improving mechanical properties such as scratch resistance. It is done. By this step, the fine particle laminated film is converted into the thin film (A) in the present application. When the heating temperature is less than 450 ° C., condensation between the fine particles does not occur, so that sufficient film hardness cannot be obtained, and when the heating temperature is 600 ° C. or higher, the fine particles are melted and fused, so that the porous structure tends to disappear. In FIG. 6, the conceptual diagram which showed the mode of the coupling | bonding between the silica fine particles by heat processing temperature was shown.

(10)多孔質膜
このようにして微粒子積層膜を調製し、得られた微粒子積層膜を熱処理して多孔質膜を製造すると、すなわち微粒子積層膜から調製された薄膜(A)中で微粒子が占める体積密度が30〜60%程度の多孔質膜が得られる。また、薄膜(A)の硬度が0.8GPa以上の多孔質膜が得られる。さらに、薄膜(A)のヤング率が16GPa以上の多孔質膜が得られる。
(10) Porous film When the fine particle laminated film is prepared in this way and the resulting fine particle laminated film is heat-treated to produce a porous film, that is, the fine particles are contained in the thin film (A) prepared from the fine particle laminated film. A porous film having a volume density of about 30 to 60% is obtained. Moreover, the porous film whose thin film (A) has a hardness of 0.8 GPa or more is obtained. Further, a porous film having a Young's modulus of the thin film (A) of 16 GPa or more is obtained.

多孔質膜を反射防止膜として用いるため、微粒子としてシリカを用いた場合には、体積密度が30〜60%、好ましくは41〜58%の低屈折率薄膜とすることができ、これにより屈折率1.30以下の低屈折率の薄膜を得ることができる。上記の方法であると1.22〜1.30のものが作りやすい。屈折率としては、ガラスなどの基板上の反射防止機能付与の観点で1.22〜1.28が好ましく、1.22〜1.27がより好ましく、1.22〜1.26がさらに好ましく、1.22〜1.25が最も好ましいものであり、体積密度としては、同様な観点から41〜55%がより好ましく、41〜50%がさらに好ましいものとなる。   Since a porous film is used as an antireflection film, when silica is used as the fine particles, a low refractive index thin film having a volume density of 30 to 60%, preferably 41 to 58% can be obtained. A thin film having a low refractive index of 1.30 or less can be obtained. If it is said method, it is easy to make the thing of 1.22-1.30. The refractive index is preferably from 1.22 to 1.28, more preferably from 1.22 to 1.27, further preferably from 1.22 to 1.26, from the viewpoint of imparting an antireflection function on a substrate such as glass. From 1.22 to 1.25 is most preferable, and the volume density is more preferably 41 to 55% and further preferably 41 to 50% from the same viewpoint.

このような微粒子積層膜から得られた薄膜(A)は、薄膜(A)中で微粒子が密着することなく一定の空隙をおいて積層していることから、ここでいう体積密度とは、薄膜(A)中の空隙部の体積と微粒子自体が占める体積の合計に対する微粒子自体が占める体積をいい、微粒子自体が占める体積であるから、例えば、微粒子が多孔質の場合や中空の場合には、微粒子内の空隙部は、薄膜(A)中の空隙部の体積に算入される。図3は、シリカの場合の体積密度と屈折率との関係を示すグラフである。すなわち、本発明の薄膜(A)では、微粒子積層膜の調製において、微粒子分散液のpHなどで、分散微粒子のゼータ電位を調整することにより、微粒子の吸着量や吸着密度を制御し、微粒子の体積密度を所定の範囲にすることで、所望の屈折率を得ることができる。なお、好ましい体積密度は、用いる微粒子自体の屈折率により変化するものではあるが、低屈折率の反射防止膜を目的に、微粒子としてシリカを用いる場合については、41〜58%の体積密度の範囲が好ましいことは上述したとおりである。   Since the thin film (A) obtained from such a fine particle laminated film is laminated with a certain gap without the fine particles adhering in the thin film (A), the volume density here is the thin film. (A) The volume occupied by the fine particles themselves relative to the total volume of the voids and the volume occupied by the fine particles themselves is the volume occupied by the fine particles themselves. For example, when the fine particles are porous or hollow, The voids in the fine particles are included in the volume of the voids in the thin film (A). FIG. 3 is a graph showing the relationship between volume density and refractive index in the case of silica. That is, in the thin film (A) of the present invention, the amount of fine particles adsorbed and the density of adsorption are controlled by adjusting the zeta potential of the fine dispersed particles by adjusting the pH of the fine particle dispersion, etc. A desired refractive index can be obtained by setting the volume density within a predetermined range. The preferred volume density varies depending on the refractive index of the fine particles to be used. However, in the case of using silica as the fine particles for the purpose of an antireflection film having a low refractive index, the volume density ranges from 41 to 58%. Is preferable as described above.

微粒子積層膜中の体積密度は、例えば、水晶振動子を用いて、振動数の変化に基づく積層された微粒子の重量と、電子顕微鏡などにより測定される積層された膜厚との関係から計算によって大まかに求めることができる。また、薄膜(A)の膜厚が1μm程度のものであれば、通常の多孔質物質の細孔率や細孔分布を求めるようなガス吸着による方法によっても求めることができる。   The volume density in the fine particle laminated film is calculated from the relationship between the weight of the laminated fine particles based on the change in the frequency and the laminated film thickness measured by an electron microscope, for example, using a crystal resonator. Can be roughly determined. Further, if the thickness of the thin film (A) is about 1 μm, it can be obtained by a gas adsorption method for obtaining the porosity and pore distribution of a normal porous material.

しかしながら、本発明においては、薄膜(A)の厚さが全体として、10〜200nm程度であり、特に、反射防止膜として利用する場合には、膜厚は80〜120nm、単層での反射率を考慮すると、好ましくは90〜110nm程度のものであり、しかもイオン性ポリマーの積層により得られる膜厚が、1nm以下程度であって、微粒子の積層によって得られる膜厚(通常、10〜40nm)に比べて極めて薄いことから、このイオン性ポリマーを考慮することなく、微粒子積層膜の測定された屈折率と、微粒子を構成する物質自体(すなわち、バルク)の屈折率および空気の屈折率とから、ドルーデの理論の式(数2)により算出した値ρを体積密度として用いることにした。微粒子がシリカの場合については、図3に示してあるとおりであるが、シリカ以外の微粒子を用いる場合も同様にして求めることができる。   However, in the present invention, the thickness of the thin film (A) is about 10 to 200 nm as a whole, and particularly when used as an antireflection film, the film thickness is 80 to 120 nm, and the reflectance in a single layer. In consideration of the above, the film thickness is preferably about 90 to 110 nm, and the film thickness obtained by laminating the ionic polymer is about 1 nm or less, and the film thickness obtained by laminating fine particles (usually 10 to 40 nm) Therefore, without considering this ionic polymer, the measured refractive index of the fine particle laminated film, the refractive index of the substance constituting the fine particle itself (ie, bulk), and the refractive index of air The value ρ calculated by Drude's theoretical formula (Equation 2) was used as the volume density. The case where the fine particles are silica is as shown in FIG. 3, but the same can be obtained when fine particles other than silica are used.

また、この薄膜(A)は、特に、低屈折率の反射防止膜として用いる場合には、可視光が散乱しない空隙構造を有していることが必要となる。可視光が散乱しない空隙構造とは、面内にわたり、均一で可視光が散乱しないものであり、構造的にいえば、散乱の原因となる100nmを超える大きさの空隙部分や100nmを超える大きさの微粒子が存在していないことをいい、特性的にいえば、例えば、入射光の透過光と散乱光の割合を示すヘイズ値が、1%以下であることを示す。具体的には、JIS K7105もしくはJIS K7136のいずれかに準拠したヘイズ値が1%以下の透明基材上に製膜した薄膜(A)付きの基材のヘイズ値が2%以下であることが好ましい。   The thin film (A) needs to have a void structure that does not scatter visible light, particularly when used as an antireflection film having a low refractive index. A void structure that does not scatter visible light is one that is uniform and does not scatter visible light over the surface. Speaking structurally, a void portion having a size exceeding 100 nm or a size exceeding 100 nm causes scattering. In terms of characteristics, for example, the haze value indicating the ratio of transmitted light to scattered light and scattered light is 1% or less. Specifically, the haze value of the substrate with a thin film (A) formed on a transparent substrate having a haze value of 1% or less according to either JIS K7105 or JIS K7136 may be 2% or less. preferable.

さらに、このような低屈折率である薄膜(A)の特徴は、反射率の波長依存性が少なく、100nm〜120nmの膜厚をガラス基板上に形成すると、可視光領域といわれる400nm〜800nmの全範囲で4%以下の表面反射率が得られる。微粒子積層膜中の粒子の集まり方は、粒子同士がほぼ点接触するように空隙を有しながら3次元的に積み重なっている。色は膜厚によって変化するが、100nm〜120nmの膜厚を平滑な透明ガラス基板上に形成すると、反射色は暗い紫色を示す。ヘイズ値は1.0%以下のものが得られる。   Further, the thin film (A) having such a low refractive index has a feature that the reflectance is less dependent on the wavelength, and when a film thickness of 100 nm to 120 nm is formed on a glass substrate, the visible light region is 400 nm to 800 nm. A surface reflectance of 4% or less is obtained over the entire range. The method of collecting particles in the fine particle laminated film is three-dimensionally stacked with voids so that the particles are almost in point contact. Although the color varies depending on the film thickness, when a film thickness of 100 nm to 120 nm is formed on a smooth transparent glass substrate, the reflected color shows dark purple. A haze value of 1.0% or less is obtained.

(11)多孔質膜の硬度の測定
多孔質膜である薄膜(A)のような、薄膜の硬度を測定するには、ナノインデンターを用いる。ダイヤモンドチップから成る三角錐(バーコビッチ型)の圧子を薄膜に膜厚以下の所望の深さまで押し込み、その後圧子を引き上げる。その際の圧子にかかる荷重を測定する。図7にバーコビッチ圧子と試料の接触の様子を示す。図8に弾性/塑性変形物質の典型的な荷重−変位曲線の熱溶融石英を例に示す。この荷重−変位曲線を以下に述べるように解析することで、薄膜の硬度とヤング率を求めることができる。
(11) Measurement of hardness of porous membrane To measure the hardness of a thin film such as the thin film (A) that is a porous film, a nanoindenter is used. A triangular pyramid (Berkovic) indenter made of diamond chips is pushed into the thin film to a desired depth below the film thickness, and then the indenter is pulled up. The load on the indenter at that time is measured. FIG. 7 shows the state of contact between the Barkovic indenter and the sample. FIG. 8 shows an example of hot-fused quartz having a typical load-displacement curve of an elastic / plastic deformable material. By analyzing the load-displacement curve as described below, the hardness and Young's modulus of the thin film can be obtained.

接触深さhは図7に示すように接触点の周辺表面の弾性へこみにより、全体の押込み深さhより浅くなるのが普通である。つまり、
Nip depth h c is the indentation elastic peripheral surface of the contact point as shown in FIG. 7, it is that the shallower than the overall indentation depth h t usual. That means

ここで、Pは最大加重、εは圧子形状に関係する定数で、バーコビッチでは0.75、Sは圧子と試料間の接触剛性(図8の除荷曲線の傾き)である。 Here, P is the maximum weight, ε is a constant related to the shape of the indenter, 0.75 for Barcovic, and S is the contact rigidity between the indenter and the sample (the slope of the unloading curve in FIG. 8).

次に、圧子と試料間の接触射影面積Aは押込み深さhと圧子の形状を考慮し、次式で与えられる。
Next, the contact projection area A between the indenter and the sample is given by the following equation in consideration of the indentation depth h c and the shape of the indenter.

ここで、f(h)は圧子の曲率により求められる補正項である。 Here, f (h c ) is a correction term obtained from the curvature of the indenter.

上式から求めた接触射影面積Aと最大荷重Pから、硬さHは次式で算出される。
From the contact projection area A and the maximum load P obtained from the above equation, the hardness H is calculated by the following equation.

次に、ヤング率は以下のようにして求めることができる。まず圧子と試料の剛性モジュラスEは、図8の荷重−変位曲線から決定される接触剛性Sと試料間の接触射影面積Aとから、次式により決定される。
Next, the Young's modulus can be obtained as follows. First, the stiffness modulus Er of the indenter and the sample is determined by the following equation from the contact stiffness S determined from the load-displacement curve of FIG.

そして、試料のモジュラス(ヤング率)Eは次式で算出される。
Then, samples of the modulus (Young's modulus) E s is calculated by the following equation.

ここで、Eは圧子のモジュラス、νは圧子のポアソン比、νは試料のポアソン比である。 Here, E i is the modulus of the indenter, ν i is the Poisson ratio of the indenter, and ν s is the Poisson ratio of the sample.

(12)オーバーコート膜
多孔質膜は、外部に直接触れない部分に用いる場合は良いが、例えば、ディスプレイなどの表面に用いる場合には、水や油脂成分などの汚れを防止するための防汚性やその他の機能性を持たせるために、オーバーコート層を形成して用いることもできる。オーバーコート層の厚さは、光学的に影響を与えないようにするためには20nm以下にする必要がある。代表的には、フッ素系ポリマーを溶液として塗布し40℃以上の温度で熱処理してコーティングする方法があげられる。フッ素系ポリマーとしては、例えば、テフロンSF(デュポン社製)等を用いることができ、溶媒としてはフッ素系溶媒、例えばフロリナートCF−75(3M社製)を使用でき、溶液の濃度としては、0.1〜5重量%が好ましい。また、その他のオーバーコート剤としては、アルコキシ基を持ったパーフルオロシラン類フッ素化合物などの表面コーティング剤がある。シラン化合物はゾルゲル反応と同じく、加水分解により脱水や脱アルコールによる重縮合が起きてネットワーク化する。微粒子にシリカを用いた場合は表面にシラノール基が存在するので、直接コートしても分子間結合をする。これらは最初にアルコキシ基が表面のシラノール基と反応して脱アルコールして固定化され、さらにその後空気中の水分などによって加水分解が進み、縮合によって三次元的に結合したシロキサン結合ができて強固さが増し、表面の摩擦や磨耗等の機械的な耐久性に優れた特性を持つ。また、表面にフッ素を主成分とする疎水基が存在するため高い撥水性を示すため好ましい。このようなコーティング剤の代表的なものとして、オプツールDSX(ダイキン社製)、デュラサーフDS5000(ハーベス社製)、ノベックEGC−1720(住友スリーエム社製)などがある。
(12) Overcoat film The porous film may be used in a portion that does not directly touch the outside. For example, when it is used on the surface of a display or the like, the antifouling is used to prevent dirt such as water and oil components. In order to give the property and other functionality, an overcoat layer can be formed and used. The thickness of the overcoat layer needs to be 20 nm or less so as not to affect optically. A typical example is a method in which a fluoropolymer is applied as a solution and heat-treated at a temperature of 40 ° C. or higher for coating. As the fluorine-based polymer, for example, Teflon SF (manufactured by DuPont) can be used, and as the solvent, a fluorine-based solvent such as Fluorinert CF-75 (manufactured by 3M) can be used, and the concentration of the solution is 0. .1 to 5% by weight is preferred. Other overcoat agents include surface coating agents such as perfluorosilanes fluorine compounds having alkoxy groups. As in the sol-gel reaction, the silane compound is networked by hydrolysis and polycondensation due to dehydration and dealcoholization. When silica is used for the fine particles, silanol groups are present on the surface, and therefore intermolecular bonding occurs even when directly coated. First, the alkoxy group reacts with the silanol group on the surface and is dealcoholized to be immobilized, and then the hydrolysis proceeds due to moisture in the air, resulting in the formation of a three-dimensionally bonded siloxane bond by condensation. And has excellent mechanical durability such as surface friction and wear. Moreover, since the hydrophobic group which has a fluorine as a main component exists on the surface, it shows high water repellency, and is preferable. Representative examples of such a coating agent include OPTOOL DSX (manufactured by Daikin), Durasurf DS5000 (manufactured by Harves), Novec EGC-1720 (manufactured by Sumitomo 3M), and the like.

オーバーコート膜の形成方法は、ロールコートやスピンコート、ディップコートなどのウエットプロセスや、蒸着法、スパッタ法などのドライプロセス、またそれらを組み合わせて用いることができる。   The overcoat film can be formed by a wet process such as roll coating, spin coating, or dip coating, a dry process such as vapor deposition or sputtering, or a combination thereof.

以下、本発明の多孔質膜について、シリカを用いた低屈折率薄膜である反射防止膜に用いられる多孔質膜について、実施例によりさらに詳しく説明する。   Hereinafter, the porous film of the present invention will be described in more detail with reference to examples of the porous film used for the antireflection film which is a low refractive index thin film using silica.

実施例1
材料として、ポリカチオンである、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロライド(PDDA、平均分子量100000、アルドリッチ社製)とポリアニオンであるポリスチレンスルホン酸ナトリウム(PSS、平均分子量70000、アルドリッチ社製)、微粒子分散液として、シリカ微粒子水分散液(ST−PS−S、日産化学工業社製、コロイダルシリカ、スノーテックスPS−S、パールネックレス状シリカゾル)を用いた。
Example 1
As a material, polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA, average molecular weight 100,000, manufactured by Aldrich) as a polycation and sodium polystyrene sulfonate (PSS, average molecular weight 70000, manufactured by Aldrich) as a polyanion, silica as a fine particle dispersion A fine particle aqueous dispersion (ST-PS-S, manufactured by Nissan Chemical Industries, colloidal silica, Snowtex PS-S, pearl necklace-like silica sol) was used.

ST−PS−Sは、分散性を保持するために、pHが10に調整されている。そこで、本実施例では、重量濃度を調整した後に、1モル/リットルの塩化水素水溶液を滴下して、pHを9に調整して用いる。   ST-PS-S has a pH adjusted to 10 in order to maintain dispersibility. Therefore, in this embodiment, after adjusting the weight concentration, a 1 mol / liter aqueous solution of hydrogen chloride is dropped to adjust the pH to 9.

まず、基材に電荷を効率よく付与するための下地層としてPDDAとPSSの交互積層膜を形成する。基材の片面をマスキングテープで覆い、基材のもう一方の面にのみ下地層と微粒子積層膜からなる交互積層膜を形成させる。溶液としては0.3重量%のPDDA水溶液と0.3重量%のPSS水溶液を調製する。次に、BK−5ガラス基板(マツナミ社製、25mm×75mm×0.7mm厚)を(ア)PDDA水溶液に5分間浸漬した後、リンス用の超純水(比抵抗18MΩ・cm)に3分間浸漬し、(イ)PSS水溶液に5分間浸漬し、リンス用の超純水に3分間浸漬した。(ア)と(イ)の工程を順番に行う工程を1サイクルとして、このサイクルを2回繰り返し、ガラス基板上にPDDAとPSSの交互積層膜を2層積層した。この工程によって、基板表面の電荷密度を均一にすることができ、ムラなく微粒子が吸着する効果がある。   First, an alternating layer film of PDDA and PSS is formed as a base layer for efficiently applying a charge to the substrate. One side of the substrate is covered with a masking tape, and an alternate laminated film composed of a base layer and a fine particle laminated film is formed only on the other side of the substrate. As a solution, a 0.3 wt% PDDA aqueous solution and a 0.3 wt% PSS aqueous solution are prepared. Next, a BK-5 glass substrate (manufactured by Matsunami Co., Ltd., 25 mm × 75 mm × 0.7 mm thickness) was immersed in (a) PDDA aqueous solution for 5 minutes, and then rinsed with ultrapure water (specific resistance 18 MΩ · cm) for rinsing. Immersion for 5 minutes, (i) Immersion in an aqueous solution of PSS for 5 minutes, and immersion in ultrapure water for rinsing for 3 minutes. The step of sequentially performing the steps (a) and (b) was taken as one cycle, and this cycle was repeated twice to laminate two layers of alternating layers of PDDA and PSS on the glass substrate. By this step, the charge density on the substrate surface can be made uniform, and there is an effect that fine particles are adsorbed without unevenness.

続いて、微粒子積層膜の成膜工程を説明する。溶液としては0.3重量%のPDDA水溶液と1重量%、pH=9のST−PS−S水溶液を調製する。微粒子水分散液のゼータ電位を測定したところ、−36mVであった。なお、ゼータ電位の測定は、DELSA 440SX(ベックマン・コールター社製)を用い、定電流値0.7〜1.0mAで行った。これらの液に交互に浸漬してPDDAとシリカ微粒子が交互に積層された微粒子積層膜を得る。その手順は、前述の下地層の最表面がPSSであるため、まず反対電荷のカチオンである(ウ)PDDA水溶液に1分間浸漬し、リンス用の超純水に3分間浸漬し、(エ)1重量%のシリカ微粒子水分散液ST−PS−Sに1分間浸漬した後、リンス用の超純水に3分間浸漬する。(ウ)と(エ)の工程を順番に行う工程を1サイクルとして、このサイクルを8回繰り返した。   Subsequently, a film forming process of the fine particle laminated film will be described. As a solution, a 0.3 wt% PDDA aqueous solution and a 1 wt% ST-PS-S aqueous solution having pH = 9 are prepared. The zeta potential of the fine particle aqueous dispersion was measured and found to be -36 mV. The zeta potential was measured using DELSA 440SX (manufactured by Beckman Coulter) at a constant current value of 0.7 to 1.0 mA. By alternately dipping in these solutions, a fine particle laminated film in which PDDA and silica fine particles are alternately laminated is obtained. Since the outermost surface of the above-mentioned underlayer is PSS, the procedure is as follows. First, immerse in an aqueous solution of PDDA, which is a cation of the opposite charge, for 1 minute, and immerse in ultrapure water for rinsing for 3 minutes. After immersing in 1 wt% silica fine particle aqueous dispersion ST-PS-S for 1 minute, it is immersed in rinsing ultrapure water for 3 minutes. The cycle of repeating steps (c) and (d) in this order was taken as one cycle, and this cycle was repeated 8 times.

次にマッフル炉(ヤマト科学社製FP31)を用いて得られた微粒子積層膜を600℃で加熱処理を行う。マッフル炉内の床面にまず厚さ0.5mmのステンレスからなるスライド立て(150mm×82mm×22mm)を置き、このスライト立ての上に厚さ3mmのステンレス板(150mm×200mm)を炉内床面と平行になるようにのせた。この厚さ3mmのステンレス板をマッフル炉内の床面に直接のせず、それらの間にスライドガラスを立てるためのスライド立てを挟むのは、ステンレス板とマッフル炉内の床面との熱伝導を妨げるためである。マッフル炉内温度が600℃になってから1時間経過した後に、微粒子積層膜が形成されたガラス基板をステンレス板の上に、微粒子積層膜面とステンレス板とが接触するようにのせた。その1時間後にこのガラス基板をマッフル炉から取り出し、速やかに空冷した。   Next, the fine particle laminated film obtained using the muffle furnace (FP31 manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd.) is subjected to heat treatment at 600 ° C. First, a slide stand (150 mm x 82 mm x 22 mm) made of stainless steel with a thickness of 0.5 mm is placed on the floor in the muffle furnace, and a stainless steel plate (150 mm x 200 mm) with a thickness of 3 mm is placed on the flute floor. It was placed parallel to the surface. This stainless steel plate with a thickness of 3 mm is not placed directly on the floor surface in the muffle furnace, but a slide stand for setting up the slide glass is sandwiched between them so that the heat conduction between the stainless steel plate and the floor surface in the muffle furnace is achieved. This is to prevent it. One hour after the muffle furnace temperature reached 600 ° C., the glass substrate on which the fine particle laminated film was formed was placed on the stainless steel plate so that the fine particle laminated film surface and the stainless steel plate were in contact with each other. One hour later, the glass substrate was taken out of the muffle furnace and quickly cooled with air.

このガラス基板の透過スペクトルを、可視紫外分光光度計(日立製作所社製)にて測定したところ、波長400〜800nmの範囲での最大の透過率は約95%となり、また、裏面からの反射を無視できるように裏面に黒いテープを貼り付けし、5°入射により可視紫外分光光度計(日立製作所社製)にて反射スペクトルを測定したところ、反射率(表面反射率)は0.2%であった。ただし、標準ミラーとしてはシリコンを用い、その反射率は文献値(D.E.Aspnes and J.B.Theeten, J.Electrochem.Soc. Vol.127, p1359 (1980))を用いた。サンプルの標準ミラーに対する相対反射率からサンプルの絶対反射率を計算している。使用した基材のガラス基板の波長400〜800nmの範囲での透過率は91%であり、表面反射率は4%であることから、ガラス基板上に優れた特性の反射防止膜が形成されたことになる。   When the transmission spectrum of this glass substrate was measured with a visible ultraviolet spectrophotometer (manufactured by Hitachi, Ltd.), the maximum transmittance in the wavelength range of 400 to 800 nm was about 95%, and reflection from the back surface was also observed. Black tape was pasted on the back so that it could be ignored, and the reflection spectrum was measured with a visible ultraviolet spectrophotometer (manufactured by Hitachi, Ltd.) at 5 ° incidence. The reflectance (surface reflectance) was 0.2%. there were. However, silicon was used as the standard mirror, and literature values (DE Aspens and JB Theeten, J. Electrochem. Soc. Vol. 127, p1359 (1980)) were used. The absolute reflectance of the sample is calculated from the relative reflectance of the sample with respect to the standard mirror. Since the transmittance of the glass substrate of the base material used was 91% in the wavelength range of 400 to 800 nm and the surface reflectance was 4%, an antireflection film having excellent characteristics was formed on the glass substrate. It will be.

また、500gのおもりの底面に平滑なガラス基板(25mm×75mm×0.7mm厚)を接着剤で固定し、このガラス基板のおもりとは反対側の面と、薄膜(A)が形成されたガラスを薄膜(A)とは反対側の面とを貼りあわせた。次いで、おもりに固定された薄膜(A)付きガラスを、平滑な面上に固定したスチールウール(日本スチールウール社製、#0000)の上に、薄膜(A)がスチールウールと向い合うように置き、おもりに固定された薄膜(A)付きガラスを1cmの距離で20往復させた。この作業により、薄膜(A)は500gの荷重でスチールウールによって研磨されたことになる。このスチールウール研磨された薄膜(A)の表面を金属顕微鏡等により20倍の倍率で観察および写真撮影し、剥離せずかつ傷つかずに残留した膜の面積の撮影面積に対する割合(100×残留した膜の面積÷撮影した面積)を「残膜率」として求めた。薄膜(A)はスチールウール研磨をしても剥離せず、かつ傷もつかないため、残膜率は100%であり、優れた耐スクラッチ性を示した。   In addition, a smooth glass substrate (25 mm × 75 mm × 0.7 mm thickness) was fixed to the bottom of the 500 g weight with an adhesive, and a surface opposite to the weight of the glass substrate and a thin film (A) were formed. The glass was bonded to the surface opposite to the thin film (A). Next, the glass with the thin film (A) fixed to the weight is placed on the steel wool (# 0000, manufactured by Nippon Steel Wool Co., Ltd.) fixed on the smooth surface so that the thin film (A) faces the steel wool. The glass with the thin film (A) fixed on the weight was reciprocated 20 times at a distance of 1 cm. By this operation, the thin film (A) was polished with steel wool with a load of 500 g. The surface of the steel wool-polished thin film (A) was observed and photographed at a magnification of 20 times with a metal microscope or the like, and the ratio of the area of the film that remained without being peeled and damaged (100 × residual) The area of the film divided by the area taken was determined as the “remaining film ratio”. The thin film (A) does not peel off even when polished with steel wool and does not have scratches. Therefore, the residual film ratio was 100%, and excellent scratch resistance was exhibited.

次に、膜の硬度及びヤング率をナノインデンター(東陽テクニカ社製)で前述のようにして測定した。測定点は10点とし、押し込み速度は5nm/秒、押し込み限界深さは100nmとした。得られた硬度は0.88GPa、ヤング率は16GPaであった。   Next, the hardness and Young's modulus of the film were measured as described above using a nanoindenter (manufactured by Toyo Technica). The number of measurement points was 10, the indentation speed was 5 nm / second, and the indentation limit depth was 100 nm. The hardness obtained was 0.88 GPa and the Young's modulus was 16 GPa.

さらに、同様の工程で、ガラス基板の代わりにシリコンウエハを基材として用い、得られた薄膜(A)をエリプソメータ(DVA−36LA、溝尻光学社製、光源633nm)によって屈折率と膜厚を測定した。その結果、屈折率が1.26〜1.27、膜厚が110nmであった。屈折率から求めた体積密度は49〜51%となった。なお、上記エリプソメータによる屈折率と膜厚は、反射光のP偏光成分とS偏光成分の振幅比とその位相差から、DVA−36LA装置付属のプログラムによるシュミレーションにより求めた。   Furthermore, in the same process, a silicon wafer is used as a base material instead of a glass substrate, and the refractive index and film thickness of the obtained thin film (A) are measured with an ellipsometer (DVA-36LA, manufactured by Mizoji Optical Co., Ltd., light source 633 nm). did. As a result, the refractive index was 1.26 to 1.27, and the film thickness was 110 nm. The volume density determined from the refractive index was 49 to 51%. The refractive index and film thickness obtained by the ellipsometer were obtained from the amplitude ratio of the P-polarized component and the S-polarized component of the reflected light and the phase difference thereof by simulation using a program attached to the DVA-36LA apparatus.

実験例1
実施例1と同様にして微粒子積層膜を調製し、微粒子積層膜を加熱処理しなかったもの、および微粒子積層膜の加熱温度を250、400、450、500および550℃として、1時間加熱処理を行い、得られた薄膜(A)について、実施例1と同様にして「残膜率」を求めた。結果を図9に示した。
Experimental example 1
In the same manner as in Example 1, a fine particle laminated film was prepared, and the fine particle laminated film was not heat-treated, and the fine particle laminated film was heated at 250, 400, 450, 500, and 550 ° C. for 1 hour. The thin film (A) thus obtained was subjected to “remaining film ratio” in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG.

加熱処理をしなかったものおよび250℃で熱処理したものは、いずれも残膜率が20%以下であった。また、これらのものを実施例1と同条件にて、ナノインデンターで測定したときの、硬度はともに0.17GPa、ヤング率はともに5GPaであった。   In the case where the heat treatment was not performed and the case where the heat treatment was performed at 250 ° C., the remaining film ratio was 20% or less. Further, when these were measured with a nanoindenter under the same conditions as in Example 1, the hardness was 0.17 GPa and the Young's modulus was 5 GPa.

図1は、シミュレーションで得られたガラス上に形成された屈折率1.30の反射防止膜の膜厚を変化させた時の、波長と反射スペクトルとの関係を示すグラフである。図中、点線は膜厚が105nm、太実線は膜厚が110nm、実線は膜厚が115nmの場合をそれぞれ示している。FIG. 1 is a graph showing the relationship between wavelength and reflection spectrum when the thickness of an antireflection film having a refractive index of 1.30 formed on glass obtained by simulation is changed. In the drawing, the dotted line indicates the case where the film thickness is 105 nm, the thick solid line indicates the film thickness of 110 nm, and the solid line indicates the case where the film thickness is 115 nm. 図2は、シミュレーションで得られたガラス上に形成された多層の反射防止膜と単層の反射防止膜における、波長と反射スペクトルとの関係を示すグラフである。図中、実線は屈折率が1.30の多孔質シリカ膜を単層で設けた反射防止膜の場合であり、破線は屈折率が2.2のチタニアと屈折率が1.48のシリカとを、チタニア/シリカ/チタニア/シリカの順にガラス上に形成した4層構造の反射防止膜の場合である。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the wavelength and the reflection spectrum in a multilayer antireflection film and a single-layer antireflection film formed on glass obtained by simulation. In the figure, the solid line is the case of an antireflection film in which a porous silica film having a refractive index of 1.30 is provided as a single layer, and the broken line is a titania having a refractive index of 2.2 and silica having a refractive index of 1.48. Is a four-layer structure antireflection film formed on glass in the order of titania / silica / titania / silica. 図3は、計算から求めた屈折率とシリカの体積密度との関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the refractive index obtained from the calculation and the volume density of silica. 図4は、数珠状に連なった微粒子の状態を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a state of fine particles arranged in a bead shape. 図5は、水晶振動子上に微粒子分散液とイオン性ポリマー溶液とに交互に浸漬し、微粒子積層膜を形成したときの、浸漬時間に対する水晶振動子の周波数の変化、すなわち形成される膜厚の変化との関係を示すグラフである。FIG. 5 shows a change in the frequency of the crystal resonator with respect to the immersion time when the fine particle dispersion film and the ionic polymer solution are alternately immersed on the crystal resonator to form a fine particle laminated film, that is, the formed film thickness. It is a graph which shows the relationship with a change of. 図6は、加熱処理温度によるシリカ微粒子間の結合の様子を示した概念図である。FIG. 6 is a conceptual diagram showing a state of bonding between silica fine particles according to the heat treatment temperature. 図7は、バーコビッチ圧子と試料の接触の様子を示す概念図である。FIG. 7 is a conceptual diagram showing a state of contact between the Berkovich indenter and the sample. 図8は、熱溶融石英を例として示した、弾性/塑性変形物質の典型的な荷重−変位曲線を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing a typical load-displacement curve of an elastic / plastic deformable material, taking hot fused quartz as an example. 図9は、微粒子積層膜の加熱処理温度(1時間)と残膜率との関係を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the relationship between the heat treatment temperature (1 hour) of the fine particle laminated film and the remaining film rate.

Claims (7)

基材上に形成された薄膜(A)を有してなる多孔質膜であって、該薄膜(A)の硬度が0.8GPa以上であり、体積密度が30〜60%である多孔質膜。   A porous film having a thin film (A) formed on a substrate, wherein the thin film (A) has a hardness of 0.8 GPa or more and a volume density of 30 to 60% . 前記薄膜(A)のヤング率が、16GPa以上である請求項1記載の多孔質膜。   The porous film according to claim 1, wherein the thin film (A) has a Young's modulus of 16 GPa or more. 前記薄膜(A)が、微粒子の集合体からなる請求項1または請求項2記載の多孔質膜。   The porous film according to claim 1, wherein the thin film (A) comprises an aggregate of fine particles. 前記薄膜(A)中の微粒子の平均粒子径が、10〜100nmである請求項3記載の多孔質膜。   The porous film according to claim 3, wherein the average particle diameter of the fine particles in the thin film (A) is 10 to 100 nm. 基材上に、微粒子とポリマーとを交互に積層することを特徴とする多孔質膜の製造方法であって、該製造方法は、微粒子分散液に浸漬する工程と、その微粒子の表面電荷と反対電荷のイオン性を有するポリマー溶液に浸漬する工程とを交互に繰り返すことにより、微粒子積層膜を調製し、次いで、この微粒子積層膜を450〜600℃で加熱する工程を含む請求項1〜4のいずれかに記載の多孔質膜の製造方法。   A method for producing a porous membrane characterized by alternately laminating fine particles and a polymer on a substrate, the production method being opposite to the step of immersing in a fine particle dispersion and the surface charge of the fine particles The process of preparing the fine particle laminated film by alternately repeating the step of immersing in the polymer solution having charge ionicity, and then heating the fine particle laminated film at 450 to 600 ° C. The manufacturing method of the porous membrane in any one. 前記微粒子分散液中の微粒子の平均一次粒子径が、10〜100nmである請求項5記載の多孔質膜の製造方法。   The method for producing a porous film according to claim 5, wherein the average primary particle diameter of the fine particles in the fine particle dispersion is 10 to 100 nm. 前記微粒子分散液中の微粒子が、数珠状に連なった微粒子である請求項5記載の多孔質膜の製造方法。
6. The method for producing a porous film according to claim 5, wherein the fine particles in the fine particle dispersion are fine particles arranged in a bead shape.
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