JP2007160523A

JP2007160523A - 微細パターン成形用金型の製造方法、並びにこの金型を用いて成形した光学部品および面光源素子用光制御板

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Publication number: JP2007160523A
Application number: JP2005356025A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Nagasawa; 敦長澤; Katsuya Fujisawa; 克也藤澤; Toshiyuki Watanabe; 敏行渡辺
Original assignee: Kuraray Co Ltd; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Tokyo University of Agriculture
Current assignee: Kuraray Co Ltd; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Tokyo University of Agriculture
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2025-12-09
Also published as: JP4855768B2

Abstract

【課題】非対称形状や異形状のような所望の微細パターンの成形を可能とするとともに、該微細パターンが形成された製品を量産化した場合に、全体の製造時間の短縮化を可能とした該微細パターン成形用金型の製造方法、並びに該金型を用いて成形した光学部品および面光源素子用光制御板を提供する。
【解決手段】パルスレーザーの集光位置を制御し、該パルスレーザーが集光照射される位置の光硬化性樹脂のみを選択的に光重合する、二光子励起による光硬化性樹脂の三次元マイクロファブリケーションによって、所望の微細パターンが形成された微細造形物を作製し、この作製された微細造形物を原型として当該微細パターン成形用金型を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロレンズやシリンドリカルレンズ、プリズムレンズなどのような微細パターンが形成された製品を成形する微細パターン成形用金型の製造方法、並びに該製造方法で得られる微細パターン成形用金型を用いて成形した光学部品および面光源素子用光制御板に関する。

近年、微細パターンが形成された製品はさまざまな分野に利用されている。代表的な分野として画像表示装置が挙げられる。一般に、蛍光管やLED(発光ダイオード)、有機EL(エレクトロ・ルミネッセンス)、無機ELなどといった発光体を光源とした面光源素子を必要とするLCD(液晶ディスプレイ)のような画像表示装置は、偏光板、液晶セルの開口率、カラーフィルター、ディスプレイ表面での反射などの影響により光利用効率が大きく低下する。この光利用効率を改善するために、各種の微細パターンが使用される場合がある。微細パターンの例として、マイクロレンズを用いた液晶セルの開口率改善素子や面光源素子にプリズムレンズシートを追加することにより出射光に指向性を付与することなどが挙げられる。また、この微細パターンの使用は、画像表示装置だけでなくバイオ、メディカル用途への応用にも広がりつつある。

一方、従来から、微細パターンの作製方法として、ガラスやプラスチックなどの材料を切削研磨する方法や、該微細パターンのネガ型の形成された金型を使用し熱可塑性樹脂などで成形する方法などが採用されている。特に金型を使用し熱可塑性樹脂などで成形する方法は成形サイクルが非常に速く、大量製造に適した方法と言える。

金型の製造方法は、（１）金属板を直接切削研磨する方法と、（２）所望の微細パターンをあらかじめ形成した後、電鋳処理などにより該微細パターンのネガ型を作製する方法に大別される。（１）では金属板を直接切削するため微細パターンは切削バイトの形状に依存し任意の微細パターンを形成することは困難である。一方、（２）の微細パターンをあらかじめ形成するものとして以下の方法などが提案・実用化されている。

（２−１）レジストリフロー法：基板上にレジストを均一塗工した後、フォトマスクによる露光・現像でレジストをパターニングし、加熱してレジストを流動させることにより所望の微細パターンを作製する方法（例えば、非特許文献１）。
（２−２）レーザー直接描画法：レジスト上に紫外レーザーを走査・露光することで微細パターンを作製する方法（例えば、特許文献１）。

しかし、（２−１）の方法では、同形状の複数の微細パターンを作製することは容易であるが、レジストの流動現象（表面張力）を利用して微細パターンを形成するため、非対称形状や異形状の、特に曲面部分を含むような形状の複数の微細パターンを作製することは極めて困難である。また、（２−２）の方法では、非対称形状や異形状の複数の微細パターンを作製することは可能であるが、一般的なレジスト材料は、焦点深度が浅いために５μm以上の高さのある微細パターンを精密に作製することは困難である。

すなわち、従来の金型で微細パターンを作製する方法では、５μm以上の高さのある曲面部分をもつような形状の複数の微細パターンを作製することが困難であった。

他方、最近では微細パターンを形成する方法として、二光子励起による光硬化性樹脂の三次元マイクロファブリケーションが提案されている（例えば、特許文献２および３）。該三次元マイクロファブリケーションは、エネルギーの低い近赤外パルスレーザーを光源とし、光源を集光することによって光子密度が非常に高くなる焦点領域のみで光硬化性樹脂中の重合開始剤が二つの光子を吸収することにより励起され、光硬化性樹脂の重合が開始される。この理由から非常に高い三次元分解能を実現できる。ここで、三次元分解能は近赤外パルスレーザーのパワーや集光レンズの開口数NAなどに依存しており、それぞれのパラメータを最適化することにより、線幅を0.1μm以下とすることや、深さを0.5μm以下とすることも可能である。また、焦点の位置を制御することにより、光硬化性樹脂中に５μm以上の高さを有する微細造形物を精密に作製することも可能となる。一方、通常の光造形は一光子励起であり、エネルギーの高い紫外光などを光源とするため、光源の焦点以外の領域でも重合が開始するために分解能は低い。また、５μm以上の高さを有する微細造形物を作製する場合、光硬化性樹脂を積層しなければならず、それゆえに段差ができてしまう問題もある。したがって、二光子励起および一光子励起により微細パターンを作製する場合、二光子励起の方が三次元分解能の高い微細造形物を得ることができる。特に可視光波長程度の三次元分解能が要求される光学パターンを作製するためには、二光子励起による三次元マイクロファブリケーションの方が適している。

上述したとおり、二光子励起による光硬化性樹脂の三次元マイクロファブリケーションは三次元分解能が高い方法である反面、二光子吸収の発生確率が非常に低く、起こりにくい現象であるために加工に多大な時間を要するという課題がある。特許文献３には該三次元マイクロファブリケーションを利用したマイクロマシンの作製などが提案されているものの、加工時間の問題から大量に製造することは困難と考えられる。また、微細パターンが形成された製品が光硬化性樹脂材料に限定されるという問題もある。
Applied Optics,vol27,No.7,1281-1284(1988) 特開平５−２１７８３１号公報特開２００１−１５８０５０号公報特開２００３-１５９９号公報

本発明は、非対称形状や異形状のような所望の微細パターンの成形を可能とするとともに、該微細パターンが形成された製品を量産化した場合に、全体の製造時間の短縮化を可能とした該微細パターン成形用金型の製造方法、並びに該金型を用いて成形した光学部品および面光源素子用光制御板を提供することを目的とする。

本発明者らは、該三次元マイクロファブリケーションの高三次元分解能という特徴を活かし、三次元マイクロファブリケーションを微細パターンが形成された製品の量産に応用することを見出した。すなわち、単に三次元マイクロファブリケーションにより微細パターンが形成された製品を量産化すると製造時間が長くなるという課題を解決すべく鋭意検討を行い、三次元マイクロファブリケーションで作製した微細造形物を金型作製用の原型に用い、これを原型として製造された微細パターン成形用金型を用いて熱可塑性樹脂などで製品を成形すると、金型成形により成形サイクルの高速化、量産化が可能となることから、当該金型により光学部品や面光源素子用光制御板などの製品を成形すれば全体の製造時間の短縮化が可能であるという知見に基づき、本発明を完成した。

すなわち、本発明に係る微細パターン成形用金型の製造方法は、パルスレーザーの集光位置を制御し、該パルスレーザーが集光照射される位置の光硬化性樹脂のみを選択的に光重合する、二光子励起による光硬化性樹脂の三次元マイクロファブリケーションによって、所望の微細パターンが形成された微細造形物を作製し、この作製された微細造形物を原型として当該微細パターン成形用金型を製造することを特徴とする。
ここで、原型とは、製品を量産するための金属製の型枠である金型を作製するための元型をいう。

この構成によれば、三次元マイクロファブリケーションで微細造形物を作製し、この微細造形物を原型として当該微細パターン成形用金型を製造するので、５μm以上の高さの曲面部分をもつ所望の微細パターンの成形が当該金型により可能となるとともに、当該微細パターンが形成された製品を量産化する場合に、作製に時間がかかる微細造形物を原型とした金型を用いて製品を製造することにより、従来の三次元マイクロファブリケーションで直接製品を量産するのに比べて、全体の製造時間の短縮化が可能となり、また製品材料の多様化も可能となる。

好ましくは、前記三次元マイクロファブリケーションにより作製された微細造形物を原型として、電鋳処理により、当該微細パターン成形用金型を製造する。

また、好ましくは、前記した製造方法で得られる微細パターン成形用金型を用いて成形した製品が、前記微細パターンが形成された光学部品、または高さ５μm以上の曲面部分をそれぞれ含むマイクロレンズアレイまたはシリンドリカルレンズアレイを有する面光源素子用光制御板である。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図５は、微細パターン成形用金型の原型となる所望の微細パターンが形成された微細造形物を作製する、二光子励起による光硬化性樹脂の三次元マイクロファブリケーション装置の概略構成図を示す。

本装置は、チタンサファイヤレーザーなどの近赤外パルスレーザー１００を用い、シャッター１１１、NDフィルタ１１２、ビームエクスパンダ１１３、リレーレンズ１１４、ガルバノミラー１２１などの各種光学系を透過および反射させて、近赤外パルスレーザーをレンズ１２２に入射させる。なお、上記の光学系は必要に応じて複数個使用することもできるし、不必要であれば使用しないことも可能である。レンズ１２２に入射した近赤外パルスレーザーは集光され、集光位置のみで光硬化性樹脂１４０を重合することができる。また、該光硬化性樹脂１４０が塗布されたガラス１３０はＺ軸ステージ１３１に固定化されており、該Ｚ軸ステージを上下に移動し、該ガルバノミラー１２１を用いてレーザーをXY平面内で走査することにより、所望の微細造形物を作製することができる。該光硬化性樹脂１４０は近赤外パルスレーザーに対して透明であるため、５μm以上の高さの微細造形物も作製できる。また、ここには図示しないが、ガラス１３０を固定化するステージをXYZステージとすることで、ガルバノミラー１２１を用いずとも、所望の微細造形物を作製することもできる。上記説明では、近赤外レーザーの場合を例としたが、通常の照射で光硬化性樹脂が硬化しない波長であれば、可視光レーザーであってもよい。

三次元マイクロファブリケーションに用いる光硬化性樹脂は特に限定されない。ただし、効率良く二光子励起重合を行うためには、各種のアクリレートモノマーやエポキシモノマー、およびそれらに対応した光重合開始剤を配合した樹脂組成物に二光子吸収断面積の大きな色素を添加することが好ましい。二光子吸収断面積の大きな色素として、市販のローダミンBやエオシンY、またビススチリルベンゼン系の色素などが挙げられる。

また、三次元マイクロファブリケーションにより効率的に原型となる微細造形物を得るために、複数の微細造形物を同時に作製することも可能であり、そのために近赤外パルスレーザーをマイクロレンズアレイやピンホールアレイを用いて複数のレーザーに分割してもよいし、所望の微細造形物の外殻のみを硬化し、後述する現像処理後に未硬化の光硬化性樹脂を紫外線硬化してもよい。

作製した微細造形物には未硬化の光硬化性樹脂が付着しているため、現像液で現像処理を行う必要がある。現像液は硬化した光硬化性樹脂を浸蝕せずに、未硬化の光硬化性樹脂を洗い流せるものであればよい。

図１は、本発明の一実施形態にかかる微細パターン成形用金型の製造方法を示す側面図である。前記した二光子励起による光硬化性樹脂の三次元マイクロファブリケーションで得られた微細造形物２０を原型として微細パターン成形用金型を製造する方法は特に限定されないが、ここでは一例として電鋳処理による金型の製造方法について説明する。

まず、原型である微細造形物２０が電解槽２１に浸漬され陰極２２に配されるとともに、金、銀、銅、ニッケルなどの金属が陽極２３に配される。この状態で直流電流を印加することにより、陽極２３から金属イオンが溶出される。溶出した金属イオンは陰極２２に配された微細造形物２０上で金属として析出することで微細パターン成形用金型２４を製造することができる。

この微細パターン成形用金型２４を用いて製品を成形する場合、成形に用いることができる材料としては熱可塑性樹脂や光硬化性樹脂などが挙げられ、従来の三次元マイクロファブリケーションで製造する製品の材料が光硬化性樹脂に限定されるのに比べて、本発明では製品の材料を幅広く選択できる。また、成形方法としては射出成形、押出成形、プレス成形、光硬化性樹脂による光重合成形などが挙げられる。これらの成形材料、成形方法は単なる例示にすぎず、これらに限定されるものではない。

本発明の微細パターン成形用金型および上記した成形材料、成形方法を使用することにより、各種光学部品の成形が可能となる。例えば微細パターンがシリンドリカルレンズであればレンチキュラーレンズシート、マイクロレンズアレイであればマイクロレンズアレイシート、プリズムレンズであればプリズムレンズシート、フレネルレンズであればフレネルレンズシートを得ることができるが、これらに限定されるものではない。

また、図２に示す面光源素子用光制御板への応用も可能である（例えば、米国特許第５３９６３５０号参照）。面状に光を発する面光源素子（バックライト）３０は、導光板３１に光制御板３２を貼合せることにより作製される。該光制御板３２には例えば高さ２０μmの略半球状の曲面部分をもつ複数のマイクロレンズアレイ３３が並設されてなり、粘接着剤３４を介して該導光板３１と該マイクロレンズアレイ３３が接着されている。該マイクロレンズアレイ３３が図３のように曲面部分４１のみからなる場合、貼合せの圧力や粘接着剤の弾性率などを最適化して接着部分４２を制御しなければならないため、導光板３１との貼合せは困難である。これに対して、該マイクロレンズアレイ３３の断面形状が図４のように平坦部分５１と曲面部分５２を有するものであれば、導光板３１と安定に貼合せることができる。

前述した従来のレジストリフロー法ではレジストの表面張力を利用するため、図４の曲面部分と平坦部分が形成された微細パターンの微細造形物を作製することは非常に難しいが、本発明の二光子励起による光硬化性樹脂の三次元マイクロファブリケーションでは、５μm以上の高さの曲面部分をもつ所望の微細パターンの微細造形物を容易に作製することができる。そして、これを原型として微細パターン成形用金型が製造され、この金型を用いて面光源素子用光制御板の製品が成形される。この製造された微細パターン成形用金型を用いることにより、前記微細パターンが形成された面光源素子用光制御板が容易に作製されるとともに、面光源素子用光制御板を量産化する場合、全体の製造時間の短縮化が可能となり、また製品材料として光硬化性樹脂だけでなく熱可塑性樹脂などを幅広く使用することができる。

（実施例１）
まず、微細パターン成形用金型の原型材料となる光硬化性樹脂を調製した。アクリレートモノマーとしてペンタエリスリトールトリアクリレート（M-309：東亞合成株式会社製）およびイソシアヌル酸エチレンオキサイド変性ジ・トリアクリレート（M-313：東亞合成株式会社製）を35重量部ずつ混合し、さらにローダミンB（関東化学株式会社製）を0.1重量部添加した。次にバインダーとしてポリ（スチレン-アクリロニトリル）共重合体（関東化学株式会社製）を29.9重量部加え、希釈溶媒として1,4-ジオキサンで粘度調製した。

次に、調製した光硬化性樹脂をスライドガラス上に100μmの厚みで塗布した。なお、光硬化性樹脂とスライドガラスとの密着性を向上するために3-アミノプロピルトリエトキシシラン（関東化学株式会社製）を用いてスライドガラスを事前に処理した。さらに、希釈溶媒である1,4-ジオキサンを完全に揮発させることで光硬化性樹脂膜を形成した。

光硬化性樹脂膜を形成したスライドガラスを図５の三次元マイクロファブリケーション装置に設置し、近赤外パルスレーザー（Tsunami：スペクトラ・フィジックス株式会社製）を集光照射し、光硬化性樹脂の硬化部分がかまぼこ状の高さ５μmのシリンドリカルレンズとなるようにレーザーをスキャンした。最後に該ガラス基板をN,N-ジメチルホルムアミド（関東化学株式会社製）溶媒中に浸漬させ、未硬化の光硬化性樹脂を現像除去することで、シリンドリカルレンズの原型を得ることができた。

次に三次元マイクロファブリケーションで得られたシリンドリカルレンズの原型に電鋳処理を施し、ニッケル製の金型を作製した。該金型を用いポリエチレンテレフタレートフィルム上に光重合成形することで、多数のシリンドリカルレンズアレイシートを複製することができた。

（実施例２）
実施例１と同様にスライドガラス上に光硬化性樹脂を塗布した後、図５の三次元マイクロファブリケーション装置に設置し、近赤外パルスレーザー（Tsunami：スペクトラ・フィジックス株式会社製）を集光照射し、光硬化性樹脂の硬化部分が高さ２０μm、幅２５μmの略半球状に複数形成されたマイクロレンズアレイとなるようにレーザーをスキャンした。最後に該ガラス基板をN,N-ジメチルホルムアミド（関東化学株式会社製）溶媒中に浸漬させ、未硬化の光硬化性樹脂を現像除去することで、マイクロレンズアレイの原型を得ることができた。

次に三次元マイクロファブリケーションで得られたマイクロレンズアレイの原型に電鋳処理を施し、ニッケル製の金型を作製した。該金型を用いポリエチレンテレフタレートフィルム上に光重合成形することで、マイクロレンズアレイの形成された光制御板を得ることができた。該光制御板におけるマイクロレンズアレイの頂部と、ポリメチルメタクリレート製の0.8mmt導光板（パラグラス：株式会社クラレ製）とを、UV硬化型接着剤を介して接着し、面光源素子とすることができた。さらに該面光源素子の側面にLED（NACW215：日亜化学工業製）を設置し、LEDに20mAの電流を印加したところ、面光源素子からの均一な発光を確認することができた。

本発明の一実施形態にかかる微細パターン成形用金型の製造方法を示す側面図である。面光源素子を示す斜視図である。マイクロレンズアレイの断面形状の一例を示す側面図である。マイクロレンズアレイの断面形状の他例を示す側面図である。二光子励起による光硬化性樹脂の三次元マイクロファブリケーション装置の概略構成図である。

符号の説明

２０：微細造形物
２１：電解槽
２２：陰極
２３：陽極
２４：微細パターン成形用金型
３０：面光源素子
３１：導光板
３２：光制御板
３３：マイクロレンズアレイ
３４：粘接着剤
４１：マイクロレンズアレイの曲面部分
４２：接着部分
５１：マイクロレンズアレイの平坦部分
５２：マイクロレンズアレイの曲面部分
１００：近赤外パルスレーザー
１１１：シャッター
１１２：NDフィルタ
１１３：ビームエクスパンダ
１１４：リレーレンズ
１２１：ガルバノミラー
１２２：レンズ
１３０：ガラス
１３１：Z軸ステージ
１４０：光硬化性樹脂

Claims

パルスレーザーの集光位置を制御し、該パルスレーザーが集光照射される位置の光硬化性樹脂のみを選択的に光重合する、二光子励起による光硬化性樹脂の三次元マイクロファブリケーションによって、所望の微細パターンが形成された微細造形物を作製し、この作製された微細造形物を原型として当該微細パターン成形用金型を製造することを特徴とする微細パターン成形用金型の製造方法。
前記三次元マイクロファブリケーションにより作製された微細造形物を原型として、電鋳処理により、当該微細パターン成形用金型を製造する請求項１に記載の微細パターン成形用金型の製造方法。
請求項１または２に記載の方法で得られる微細パターン成形用金型を用いて成形した製品である、前記微細パターンが形成された光学部品。
請求項１または２に記載の方法で得られる微細パターン成形用金型を用いて成形した製品である、高さ５μm以上の曲面部分をそれぞれ含むマイクロレンズアレイまたはシリンドリカルレンズアレイを有する面光源素子用光制御板。