JP2007022064A - 疏水性表面を有する高分子基材製造用鋳型の製造方法 - Google Patents

疏水性表面を有する高分子基材製造用鋳型の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】簡単な工程で疏水性高分子基材を大量生産することのできる疏水性高分子基材製造用鋳型の製造方法を提供すること。
【解決手段】疏水性高分子基材製造用鋳型の製造方法は、基板に接着強化層を形成し、接着強化層に第1導電層を形成し、第1導電層に、一定のパターンが形成された疏水性表面を有する疏水性テンプレートを接着させ、疏水性テンプレートに第2導電層を形成してテンプレート接合体を製造し、テンプレート接合体を使用して金属メッキを施し、テンプレート接合体表面に金属メッキ層を形成し、金属メッキ層が形成されたテンプレート接合体から第1導電層、第2導電層、接着強化層及び疏水性テンプレートを除去する工程を含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、疏水性表面を有する高分子基材製造用鋳型の製造方法に係り、特に、簡単な工程で大面積及び大量生産可能な疏水性表面を有する高分子基材製造用鋳型の製造方法に関するものである。
一般的に、高分子材料などのある物質の表面に対する液体の濡れ性は、表面の接触角を測定することによって定量的に測定することができる。
この濡れ性とは、固体表面と液体分子との間の相互作用(固体面上での液体の吸着現象)であって、付着力(固体と液体との間の付着力)と凝集力(液体分子間の結合力)の相互競争現象をいう。液体分子間の凝集力より固体と液体との間の付着力が小さければ、濡れ性が低くなり、液体分子間の凝集力より固体と液体との間の付着力が大きければ、濡れ性が高くなる。
液体が水である場合、濡れ性が高ければ親水性と称し、濡れ性が低ければ疏水性と称する。主に、接触角が90゜以上の表面である場合を疏水性表面といい、接触角が150゜以上である場合を超疏水性表面という。このような表面の疏水性は、主に表面自体が有する化学的な性質と、表面上に存在するマイクロ/ナノサイズの構造物の表面の性質とによって決定される。このような疏水性表面を有する基材は、自己清浄化又は曇り防止、流体による表面摩擦の減少などに卓越した効果があるので、このような効果が要求される産業分野において広く使用されている。
1997年W.BathlottとC.Neinhuisによって自然系に繁茂している植物の葉の中で、超疏水性特性を持つ植物の葉の種類と、その植物の葉に認められる多様な表面形状、またその形状によって発生する多様な現象が報告されて以来、最近は、表面の構造的な特性を変化させて、このような疏水性を有する表面を製造しようとする多くの方法が紹介されている。ポリプロピレンエッチング、プラズマ強化化学気相蒸着(PECVD)、プラズマ重合、ポリブタジエンのプラズマ弗化、アルミニウムのマイクロウエーブ陽極酸化、アルキルケテンダイマーの凝結、ナノ構造化カーボンフィルム、ポリプロピレンコーティング、カーボンナノチューブアライニング、ポリビニルアルコールナノファイバー、多孔性ポリジメチルシロキサン表面、酸素プラズマ処理などがその代表的な例といえる。
しかし、このような疏水性表面を製造するための従来の方法は、ほとんど複雑な化学工程を通じて表面の形状を変えたり、物質自体が有する表面エネルギーを変化させて疏水性表面を製造する方法である。このように化学的な方法に依存した方式であるため、一般的に複雑な多様な工程を経るか、又は人体に有害な化学物質を扱わなければならない危険性を伴う。また、工程自体に多くの費用を要し、長時間が必要で、また大面積/大量生産が難しいという短所もある。さらに、いくつかの方法で製造した表面の場合には、大気に露出される場合ホコリにより汚染し易いために疏水性を失う場合もあり、他の化合物に対して非常に不安定な性質を見せるおそれもある。
そこで、本発明は、簡単な工程で疏水性高分子基材を大量生産することのできる疏水性高分子基材製造用鋳型の製造方法を提供することを目的とする。
前記課題を達成するために、本発明は、基板に接着強化層を形成し、前記接着強化層に第1導電層を形成し、前記第1導電層に、一定のパターンが形成された疏水性表面を有する疏水性テンプレートを接着させ、前記疏水性テンプレートに第2導電層を形成して、テンプレート接合体を製造し、前記テンプレート接合体を使用して金属電気メッキを実施し、テンプレート接合体表面に金属メッキ層を形成し、前記疏水性テンプレートを前記金属メッキ層から除去する工程を含む疏水性表面を有する高分子基材製造用鋳型の製造方法を提供することを特徴とする。
本発明の製造方法で製造された鋳型は、ニッケルが有する耐久性により、長時間、反復して使用可能であり、製造されたニッケル鋳型は、UVナノインプリントリソグラフィーだけでなく、ホットエンボシング(加熱押圧成形)、射出成形などの方法などにも使用可能である。また、この鋳型を使用して製造された高分子基材は、耐久性の優れた光硬化性樹脂を利用したので、劣悪な外部条件下でも長時間大きな変形や性質変化なしで使用が可能である。そして、本発明で製造したフィルムは、疏水性による自己清浄化効果が要求される厨房器具/建築/塗料/タイル事業、流動抵抗の減少が重要視される航空/船舶/自動車産業などに応用可能である。その他にも、マイクロチップ分野にも適用可能である。
一般的に、疏水性表面を有する高分子基材を製造する方法は、化学工程を通じて表面の形状を変えたり、物質自体が有する表面エネルギーを変化させて疏水性表面を製造する方法である。このような化学工程を通じた方法は、一般的に複雑な多様な工程を経るか、又は人体に有害な化学物質を扱わなければならない危険性を伴う。また、工程自体に多くの費用を要し、長時間が必要となる。さらに、製造された疏水性表面が大気に露出される場合、ホコリにより汚染し易いために疏水性を失う場合もあり、他の化合物に対して非常に不安定な性質を見せるおそれもある。
本発明ではこのような問題点を解決するために、化学的な工程を利用せずに疏水性表面を有する高分子基材を製造することができるように、鋳型を製造する方法を提供する。
本発明の鋳型を製造する方法を、図1を参照して説明する。
まず、基板1に接着強化層5を形成し、この接着強化層5上に第1導電層3を形成する(図1(a))。
前記接着強化層5は、前記基板1と前記第1導電層3との間の接着力を向上させる役割を果たすものであって、クロム又はチタンの接着強化物質を前記基板1に蒸着させて形成する。
前記基板1としては、シリコンウエハーのようなシリコン基板を使用することができる。
前記第1導電層3は、電気伝導性物質を前記基板1に蒸着して形成する。前記電気伝導性物質としては、金、銅、又はニッケルを使用することができ、前記蒸着工程はスパッタリングにより実施できる。
前記第1導電層3及び前記接着強化層5は、適切な厚さ、例えば、第1導電層3は約800Å、接着強化層5は約200Åに形成させることができる。
前記第1導電層3に一定のパターンが形成された疏水性テンプレート7を接着させて、前記第1導電層3を部分的に疏水性テンプレートで覆う(図1(b)及び図1(c))。前記疏水性表面を有するテンプレートとしては、疏水性表面を有する植物を用いることができ、その代表的な例としては、竹の葉、カゼクサ(風草)、銀カエデの葉、又はユリの木の葉などを使用することができるが、これに限られるわけではない。前記テンプレート7を接着する工程は、エポキシ系バインダーを使用して実施して、接着層8を形成することができる。
次に、前記疏水性テンプレート7は電気伝導性がないため、前記疏水性テンプレート7上、及び前記第1導電層3上に再び第2導電層9を形成する。前記第2導電層9は、金又は炭素イオンコーティング工程で形成する。この時、前記第2導電層の厚さは、疏水性テンプレート7の形状を良好に実現でき、メッキが良好に実施できる程度の厚さで、適当に調節して形成するのが好ましい。
前述の工程で一体化された基板1、接着強化層5、第1導電層3、疏水性テンプレート7、及び第2導電層9の全てを一括してテンプレート接合体10と称する。
前記テンプレート接合体10を使用して金属メッキ工程を実施し、前記第2導電層表面の全体的に金属メッキ層20を形成する(図1(d))。前記金属メッキ工程で、金属としてはニッケル、銅、銀、金、亜鉛錫−鉛合金などを使用することができるが、これに限られるわけではない。
次に、金属メッキ層20が形成されたテンプレート接合体10から前記テンプレート接合体10を除去して、前記金属メッキ層20とテンプレート接合体10とを分離する(図1(e))。
前記除去工程は、まず、基板1を除去するための強塩基溶液に、金属メッキ層20が形成された接合体10を浸漬させて基板を除去する。前記強塩基溶液としてはKOH溶液を使用することができ、この工程は約70℃の温度で実施する。
基板を除去した後、第1導電層3、疏水性テンプレート7、第2導電層9、及び金属メッキ層20を含むテンプレート接合体から、前記接着強化層5と第1導電層3及び第2導電層9を除去する。前記除去工程は次の二つの工程を含む。
まず、前記テンプレート接合体を接着強化層エッチング溶液に含浸させ、接着強化層5を除去する。前記接着強化層エッチング溶液は、過塩素酸及び硝酸セリウムアンモニウムを含む溶液を使用することができる。
次に、第1導電層3及び第2導電層9を除去するために、導電剤剥離溶液に浸漬する。前記導電剤剥離溶液としては、塩酸、硝酸、及び水の混合物(約240ml:120ml:400mlの比率)又はKI、I2、及び水の混合物(約4g:1g:40mlの比率)を使用することができる。
次に、前記接着強化層5、第1導電層3、及び第2導電層9が除去された生成物をテンプレート除去溶液に浸漬し、テンプレート7を除去する。前記テンプレート除去溶液としては、KOH溶液を使用することができる。この工程は55乃至65℃で実施する。この工程により疏水性表面が刻まれ、疏水性表面を容易に製造することができる金属鋳型が製造される(図1(e))。製造された金属鋳型の表面形状を3500倍拡大して図2に示しており、6500倍拡大して図3に示した。図2及び図3に示したように、製造された金属鋳型の表面には疏水性表面が刻まれている。
以下では、金属メッキ工程について、添付された図4を参照してさらに詳細に説明する。図4は、メッキ工程で鋳型を形成することのできる金属電鋳法(electroforming)に関するものであって、本発明で金属、特にニッケル電鋳法で実施するのが好ましい。しかし、金属メッキ工程が必ずしもこれに限られるわけではない。
ニッケル電鋳法工程は、図1に示したテンプレート接合体10をカソード電極として、ニッケル金属をアノード電極としてニッケルメッキ溶液で実施する。このニッケルメッキ溶液は、スルファミン酸ニッケル(nickel sulfamate、Ni(SO3NH22300乃至500g/l、塩化ニッケル(NiCl2・6H2O)20乃至60g/l、及びホウ酸(H3BO3)20乃至80g/lを含む。
前記ニッケルメッキ工程は、50乃至55℃のニッケルメッキ溶液温度、3.7乃至4.3のpH条件下で実施する。また、電流密度は、0.37乃至1.20mA/dm2の電流密度条件下で実施し、メッキ工程の途中で、電流密度を段階別に増加させながらメッキ工程を実施することもでき、メッキ工程全体を単一の電流密度下で実施することもできる。
ニッケルメッキ工程をこの条件以外の条件で実施すると、繊細さ(解像度)の劣る鋳型が製造されたり、表面に起泡のような孔が形成されたり、又はメッキが全く行われないおそれがある。また、ニッケルメッキ溶液の温度が50℃より低いと、メッキ溶液の抵抗が大きくなり、電流がよく流れなくなるために、高電流部分が焦げるので好ましくなく、また、メッキ溶液の温度が55℃より高いと、使用可能な被メッキ体であるテンプレート接合体の材質上限界があるなどの問題が発生する。また、pHが4.3より高いと、Niの水酸化物が生成されてメッキを妨害し、pHが3.7より低いと、メッキ液中に含まれている成分が腐食するおそれがあるので好ましくない。
製造された金属鋳型は、疏水性を有する植物の葉の表面に分布するマイクロ/ナノサイズ構造物の形態と反対の逆パターンを有する鋳型であって、この鋳型を使用し、UVナノインプリントリソグラフィ技術を利用して、植物の葉の表面構造自体とよく似た形態の疏水性表面を有する高分子基材を製造することができる。製造された鋳型は、UVナノインプリントリソグラフィー技術だけでなく、射出成形又はホットエンボシングのような技術にも容易に適用でき、何よりも短時間に多量のフィルムを格安に得られる技術にも拡張可能である。
この工程で製造された本発明の鋳型を使用して疏水性フィルムを製造する際に用いられるUVナノインプリントリソグラフィー工程に必要な装備の代表的な例を図5に示した。図5に示したように、UVナノインプリントリソグラフィー装備は、空圧を加えるシリンダー(Pneumatic cylinder)50、金属鋳型54を固定する真空チャック52、UVを通過させる透明な石英板60、高分子樹脂57が塗布されるガラス基板58、光硬化性樹脂を固化させるUVランプ66、反射板68、及びUV照射時間を調節するUVシャッター64で構成されている。
このUVナノインプリントリソグラフィー工程で使用される装備を使用して疏水性表面を有する高分子基材を製造する方法は、次の通りである。
透明な石英基板60に位置させたガラス基板58に光硬化性樹脂組成物を塗布して、光硬化性層57を形成する。前記光硬化性樹脂組成物は光硬化性樹脂及び開始剤を含む。
前記光硬化性樹脂としては、光(UV)によって硬化できるものであればいずれのものでも用いることができ、その代表的な例として、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、エチレングリコールジアクリレートのようなアクリレート系、ポリアミドなどを使用することができる。前記開始剤としては、1−クロロアントラキノンのようなアントラキノン系化合物又はエポキシド系を使用することができる。
また、前記硬化性樹脂組成物での光硬化性樹脂及び開始剤の混合比率は適切に調節することができ、特に、開始剤は、光硬化反応を開始させることができる程度の量のみを使用すれば良い。
前記光硬化性樹脂組成物の使用量は適切に調節することができ、使用されるテンプレートの面積が5×5cmである場合、1cm当り30乃至40mlが適当である。
次に、疏水性表面が刻まれた金属鋳型54を前記光硬化性樹脂層57に位置させ、圧力を加えながら紫外線を照射する。この工程により光硬化性樹脂が硬化されながら、疏水性表面のパターンを有するフィルムが製造される。
前記紫外線照射工程は150kPa以上の圧力下で実施するのが好ましく、150乃至500kPaの圧力下で実施するのがより好ましい。また、照射工程の間には一定の圧力が維持されるのが好ましい。また、使用する光硬化性樹脂の量及び使用する光硬化性樹脂の種類によって紫外線照射時間が決定される。しかし、平均的に1mlの光硬化性樹脂を完全に硬化するためには600秒以上の時間が必要で、より具体的には、600秒乃至30分が所要される。
このような工程で製造され疏水性を示す表面を有する高分子基材は、疏水性による自己清浄化効果が要求される厨房器具、衣類、建築、道路、タイル事業、流動抵抗の減少が重要視される航空、船舶、自動車事業などに応用可能である。
以下、本発明の好ましい実施例及び比較例を記載する。しかし、下記の実施例は本発明の好ましい一実施例に過ぎず、本発明が下記の実施例によって限定されるものではない。
(実施例1)
直径が4インチであるシリコンウエハー上に、クロムをスパッタリング蒸着して接着強化層を形成し、次いでこの接着強化層上に金をスパッタリング蒸着して、第1導電層を形成した。この時、前記第1導電層の厚さは約800Å、クロム接着強化層は約200Åであった。
前記第1導電層に竹の葉をエポキシ系バインダー(商品名:LOCTITE、PRISM401)で接着し、次いで、竹の葉上に金イオンコーティングを実施して第2導電層を形成し、テンプレート接合体を製造した。この時、前記第2導電層の厚さは約3Åであった。
前記テンプレート接合体をカソード電極とし、ニッケル金属をアノード電極として、ニッケルメッキ溶液中でニッケル電鋳法を実施し、ニッケルメッキ層を形成した。前記ニッケルメッキ溶液としては、スルファミン酸ニッケル(Ni(SO3NH22320g/l、塩化ニッケル(NiCl2・6H2O)50g/l、及びホウ酸(H3BO3)35g/lを含む溶液を使用した。この時、ニッケル電気メッキ条件は、55℃のニッケルメッキ溶液で4.1のpHとした。また、アノード電流密度は、0.37mA/dm2で240分間、0.61mA/dm2で780分間、1.20mA/dm2で2340分間、最後は1.20mA/dm2で2400分間に調節した。
次に、ニッケルメッキ層が形成されたテンプレート接合体を70℃のKOH溶液に浸漬させてシリコンを除去した後、シリコンが除去されたテンプレート接合体を、過塩素酸及び硝酸セリウムアンモニウムを含む接着強化層エッチング溶液(商品名:CR-7SK、Cyantek Corporation)に含浸させて、接着強化層を除去した。次に、接着強化層が除去されたテンプレート接合体を、KI、I2、及び水の混合物(約4g:1g:40mlの比率)である導電剤剥離溶液に浸漬して、前記第1導電層及び第2導電層を除去した。また、シリコン、クロム、及び金が除去されたテンプレート接合体を60℃のKOH溶液に浸漬して竹の葉を除去し、ニッケル鋳型を製造した。
前記ニッケル鋳型を、真空チャンバー内で図5に示したUVナノインプリントリソグラフィー装備の真空チャック52に付着させた。石英板60上に位置したガラス基板58に、エポキシ光硬化性樹脂及びエポキシド開始剤を含む光硬化性樹脂組成物(Ventico社、RenShape SL5180)を塗布して、光硬化性樹脂層57を形成した。前記光硬化性樹脂組成物の塗布量は、前記ニッケル鋳型の単位面積当り(cm2)1mlとした。
次に、真空チャンバー内に空気及びホコリを除去し、空圧シリンダー50に圧力を加えた。この時、圧力が400kPa以上維持されるようにした。
前記圧力が維持された状態で、UVランプ66からUVを照射して、UVがUVシャッター64を経、前記石英板60を通過して、ガラス基板58に塗布された光硬化性樹脂層57に到達するようにした。この工程により光硬化性樹脂が硬化され、また、この時に光硬化性樹脂がニッケル鋳型に接しているので、ニッケル鋳型の疏水性構造を有する高分子基材が製造された。この時、UV照射は、光硬化性樹脂量が1mlである場合に660秒間実施し、UVランプは、SEM社のMRL1500UVランプを使用した。
UV照射が完了すれば、空圧シリンダーの圧力を解除し、ニッケル鋳型54から植物の葉の構造が摸写されたフィルムを分離して、疏水性表面を有する高分子フィルムを製造した。
(比較例1)
光硬化性樹脂組成物(Ventico社、RenShape SL5180)にUVを660秒間照射して高分子フィルムを製造した。
前記実施例1で使用した竹の葉の表面に分布したマイクロ/ナノサイズの複合構造物の2000倍電子顕微鏡写真を図6A、6000倍電子顕微鏡写真を図6Bに示した。また、この竹の葉に水を5マイクロリットル落として形成された水滴の姿を図7に示したが、測定した接触角は152度であった。
また、実施例1によって製造された竹の葉の形状が転写されたニッケル鋳型の電子顕微鏡写真を図8に、そして、前記ニッケル鋳型を使用して製造された高分子基材の表面の電子顕微鏡写真を図9に示した。
同時に、実施例1によって製造された疏水性表面を有する高分子基材に水を5マイクロリットル落として形成された水滴の姿を図10に示したが、測定した接触角は150度であって、竹の葉との接触角の差は約2度で値が類似しており、良好な疏水性を示すことが分かる。
また、比較例1によって製造された疏水性表面を有しない高分子基材に水を5マイクロリットル落として形成された水滴の姿を図11に示したが、測定した接触角は56度であった。
この結果によれば、単純に表面の構造的な特性変化によって接触角が94度も向上しており、その表面特性が疏水性に変化したことが分かる。
本発明の高分子基材製造用鋳型の製造過程を示した工程図である。 本発明の高分子基材製造用鋳型のマイクロ/ナノサイズの表面形状を示した写真である。 図2を拡大して示した写真である。 図1に示した製造過程で、ニッケルメッキ工程を示した図である。 本発明の鋳型を使用したUVナノインプリントリソグラフィー装備を示した図である。 竹の葉に存在するマイクロ/ナノサイズの倍率による表面形状を示した写真である。 図6Aを拡大して示した写真である。 竹の葉上での水滴の姿を示した写真である。 本発明の実施例1によって製造された竹の葉の形状が転写されたニッケル鋳型を示した写真である。 本発明の実施例1によって製造された竹の葉の形状が転写されたニッケル鋳型を使用して製造した高分子基材の表面形状である。 本発明の実施例1によって製造された、竹の葉の形状が転写されたニッケル鋳型を使用して製造した高分子基材での水滴の姿を示したCCDカメラ写真である。 比較例1で製造された高分子フィルムに形成された水滴の姿を示した電子顕微鏡写真である。
符号の説明
1 基板
3 第1導電層
5 接着強化層
7 疏水性テンプレート
8 接着層
9 第2導電層
10 テンプレート接合体
20 金属メッキ層
50 空圧シリンダー
52 真空チャック
54 金属鋳型
57 高分子樹脂
58 ガラス基板
60 石英板
64 シャッター
66 UVランプ
68 反射板

Claims (9)

  1. 基板に接着強化層を形成し、
    前記接着強化層に第1導電層を形成し、
    前記第1導電層に、一定のパターンが形成された疏水性表面を有するテンプレートを接着させ、
    前記テンプレートに第2導電層を形成して、テンプレート接合体を製造し、
    前記テンプレート接合体を使用して金属メッキを実施し、テンプレート接合体表面に金属メッキ層を形成し、
    前記金属メッキ層が形成されたテンプレート接合体から前記テンプレート接合体を除去して、テンプレート接合体と金属メッキ層を分離する、
    工程を含むことを特徴とする疏水性表面を有する高分子基材製造用鋳型の製造方法。
  2. 前記接着強化層は、クロム及びTiからなる群より選択される物質を蒸着して形成させることを特徴とする請求項1に記載の疏水性表面を有する高分子基材製造用鋳型の製造方法。
  3. 前記第1導電層は、金、銅、及びニッケルからなる群より選択される電導性物質をスパッタリングして形成させることを特徴とする請求項1に記載の疏水性表面を有する高分子基材製造用鋳型の製造方法。
  4. 前記第2導電層は、金又は炭素イオンコーティング工程で形成されるものであることを特徴とする請求項1に記載の疏水性表面を有する高分子基材製造用鋳型の製造方法。
  5. 前記疏水性テンプレートは、疏水性表面を有する植物の葉であることを特徴とする請求項1に記載の疏水性表面を有する高分子基材製造用鋳型の製造方法。
  6. 前記植物の葉は、竹、カゼクサ(イネ科の風草)、銀カエデ、トウカエデ(唐楓)、及びユリの木(もくれん科)からなる群より選択される植物の葉であることを特徴とする請求項5に記載の疏水性表面を有する高分子基材製造用鋳型の製造方法。
  7. 前記金属メッキはニッケルメッキであることを特徴とする請求項1に記載の疏水性表面を有する高分子基材製造用鋳型の製造方法。
  8. 前記ニッケルメッキは、スルファミン酸ニッケル200乃至330g/L、塩化ニッケル30乃至60g/L、及びホウ酸30乃至60g/Lを含むニッケルメッキ溶液を使用して実施することを特徴とする請求項7に記載の疏水性表面を有する高分子基材製造用鋳型の製造方法。
  9. 前記ニッケルメッキは、50乃至55℃の温度、3.8乃至4.5のpH、0.37乃至1.20mA/dm2の電流密度条件下で実施することを特徴とする請求項8に記載の疏水性表面を有する高分子基材製造用鋳型の製造方法。
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