JP2018024107A - 樹脂成形金型及び樹脂成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】下金型に塗布された溶融樹脂を上金型を閉じて押圧する際に、その下金型と上金型の金型表面の温度差を少なくすることにより、良好に転写成形された微細構造体を効率的に成形することができる樹脂成形金型及び樹脂成形方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る樹脂成形方法は、所定温度に設定された下金型及び上金型を用い、その下金型に塗布した溶融樹脂を前記上金型を閉じて押圧し、前記下金型及び上金型の押圧面が転写成形された微細構造体を成形する樹脂成形方法であって、前記上金型の押圧面の温度を前記溶融樹脂の塗布温度に基づいて加温した上で押圧することにより実施される。
【選択図】図１

Description

本発明は、下金型に塗布した溶融樹脂を上金型を閉じて押圧・冷却し、微細構造が転写成形された微細構造体を成形する樹脂成形金型に係り、特に上金型の温度制御に関する。

下金型に溶融樹脂を塗布した後、これをその下金型と上金型により押圧して微細構造が転写成形された微細構造体を成形する方法がある。この方法は、樹脂膜に微細な凹凸を有する微細構造体を好適に成形することができる。例えば、特許文献１に記載の成形体の製造方法によれば、厚さが50μm〜5mmの膜に、10nm〜1mmの幅または直径を有するとともに、10nm〜1mmの深さまたは高さを有する微細な凹凸形状を成形することができるとされる。

かかる微細構造体を成形するには、溶融樹脂の適切な温度制御と金型の温度制御が求められる。例えば、特許文献２に、一方の金型表面が鏡面を有し、他方の金型表面に微細な凹凸部を有する上金型および下金型を成形する熱可塑性樹脂のガラス転移温度付近あるいはガラス転移温度以上に昇温したのち、前記微細な凹凸部上に熱可塑性樹脂の樹脂層を設け、前記上金型および下金型を閉鎖して両金型間に圧力を加えて前記樹脂層に前記微細な凹凸部の形状を転写形成し、微細な凹凸部を有する成形体を成形する方法が記載されている。そして、実施例について、加熱ヒータを稼動して下金型を140℃に、上金型を140℃に加熱した後、ガラス転移温度が100℃付近のアクリル樹脂を、235℃に加熱して溶融し、縦、横、深さ、凹凸部の間隔がいずれも50μmであるNi製スタンパーの微細な凹凸部上に、塗布により厚さ130μmの樹脂層を形成した。続いて、加力発生器を用い、上金型と下金型とを嵌合させ、樹脂層を8MPaの圧力でプレスしたと記載されている。

また、特許文献３には、少なくとも一方の金型のキャビティ面に、高さ又は深さが50μm未満の微細凹凸が形成され、距離を置いて設けられた上金型と下金型を用い、その上金型と下金型との間に溶融したハロゲン不含有熱可塑性樹脂を供給し、該樹脂の温度がガラス転移温度（Tg）に対し、（Tg＋10℃）以上（Tg＋150℃）未満の範囲にある間にプレスすることを特徴とする光学用成形体の製造方法が記載されている。この製造方法において金型の予熱温度は、使用熱可塑性樹脂に応じて適宜選択されるが、上下金型のキャビティ表面温度が、熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Tg）に対し、通常、Tg〜（Tg＋200）℃の範囲であると記載されている。そして、実施例では、金型は、予めスチームを流通させて160℃に昇温した。加熱シリンダー内樹脂を225℃で溶融し、吐出口より72gを溶融樹脂供給用の容器上に吐出した。溶融樹脂は、直ちに開かれた上下金型の間に移動させ、アームの反転によって容器上から下金型キャビティ内に供給される。キャビティ主面上に供給された溶融樹脂の温度が100℃の状態で、上下金型をプレスしたと記載されている。

特開2006-056107号公報 特開2008-265001号公報 特開2003-211475号公報

下金型に溶融樹脂を塗布又は供給した後、これをその下金型と上金型により押圧して微細構造体を成形する方法は、特許文献２又は３に示すように、下金型及び上金型を所定温度に加熱した後、下金型に所定温度の溶融樹脂を塗布又は供給し、これを下金型と上金型で押圧して転写成形を行う。このとき、下金型と上金型は同等の温度に加熱される。そして、溶融樹脂の押圧は、引用文献３の製造方法のように所定温度になるのを待って行われる場合もあるが、生産性を勘案して速やかに行われるのが一般的である。

ところで近年、より薄くかつ高精密な微細構造体が求められており、転写成形時の上下金型の温度差が問題になっている。すなわち、下金型は高温の溶融樹脂の塗布又は供給により昇温するのに対して上金型は空冷状態にあるから、溶融樹脂の押圧が開始されるときには上下金型に温度差が生じ、この温度差により樹脂の流動性や濡れ性が下金型側と上金型側で異なるため良好な転写成形が困難になるという問題がある。また、微細構造体の成形時間が長くなるという問題がある。

本発明はこのような従来の問題点に鑑み、下金型に塗布された溶融樹脂を上金型を閉じて押圧する際に、その下金型と上金型の金型表面の温度差を少なくすることにより、良好に転写成形された微細構造体を効率的に成形することができる樹脂成形金型及び樹脂成形方法を提供することを目的とする。

本発明に係る樹脂成形金型は、下金型に塗布した溶融樹脂を上金型を閉じて押圧し、前記下金型の押圧面Lと前記上金型の押圧面Uが転写成形された微細構造体を成形する樹脂成形金型であって、前記下金型は金型温度制御手段Lを有し、前記上金型は、金型温度制御手段Uと、前記押圧面Uを前記溶融樹脂の押圧開始時までに前記金型温度制御手段Uにより設定された温度T_Uから付加温度ΔT_U分を加熱する加温手段を有してなる。

上記発明において、上金型の押圧面Uを有する表面部分は、厚さが0.5mmから10mmの金属層とその直下の厚さが0.01mmから0.1mmのポリイミド樹脂製フィルムが設けられた蓄熱層からなるものとすることができる。

また、上金型は、ベース金型とこれに装着される薄金型からなり、前記薄金型は、溶融樹脂の押圧面Uに平行な面内に媒体が流動する線状の往路と復路が交互に等間隔に配設されるとともに、その往路と復路の中間部に電磁気的に加熱される線状の加熱体が配設され、前記媒体は、媒体供給管から往路を通り、前記薄金型の側面外部に設けられた折返し路を介して復路を通り、媒体排水管に戻って前記薄金型内を循環するようになっているものとすることができる。

本発明に係る樹脂成形方法は、所定温度に設定された下金型及び上金型を用い、その下金型に塗布した溶融樹脂を前記上金型を閉じて押圧し、前記下金型及び上金型の押圧面が転写成形された微細構造体を成形する樹脂成形方法であって、前記上金型の押圧面の温度を前記溶融樹脂の塗布温度に基づいて加温した上で押圧することにより実施される。

本発明に係る成形金型は、下金型に塗布された溶融樹脂を上金型を閉じて押圧する際に下金型と上金型の金型表面の温度差を少なくすることができるようになっている。このため、本発明によれば、良好に転写成形された微細構造体を効率的に成形することができる。

本発明に係る樹脂成形金型の模式図である。 本発明に係る樹脂成形金型において、上金型が図１の例と異なる形態の樹脂成形金型の上金型部分の模式図である。図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のAA断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。本発明に係る樹脂成形方法は、所定温度に設定された下金型及び上金型を用い、その下金型に塗布した溶融樹脂を前記上金型を閉じて押圧し、前記下金型及び上金型の押圧面が転写成形された微細構造体を成形する樹脂成形方法である。そして、溶融樹脂を押圧する際に、前記上金型の押圧面の温度を前記溶融樹脂の塗布温度に基づいて加温した上で押圧することを特徴とする樹脂成形方法である。なお、上記押圧面は、一般的には微細な凹凸を有するが、鏡面であることもある。

下金型に塗布した溶融樹脂を上金型を閉じて押圧・冷却し、微細構造が転写成形された微細構造体を成形する場合、例えば、アクリル樹脂の微細構造体を成形する場合は、下金型及び上金型が140℃に設定された成形金型に、235℃に加熱・溶融したアクリル樹脂が下金型に塗布される。かかる場合に、下金型に上金型を閉じて塗布された溶融樹脂を押圧するときは、下金型の表面（押圧面）温度は、140〜150℃、上金型の押圧面の温度は120〜140℃になっている。このような場合に、本樹脂成形方法は、下金型に塗布する溶融樹脂の温度に基づいて上金型の押圧面を加温した上で押圧する。かかる場合の加温する温度は、できるだけ高温であるのが好ましいが、一般的に金型に使用される離型剤、離型膜の耐熱性を考慮すると200℃程度の金型温度が好ましい。しかしながら、上金型の押圧面の温度を180〜200℃、又は下金型の押圧面と上金型の押圧面の温度差を-20〜＋10℃(温度差は、下金型が上金型よりも高温のときに正とする)とすることができる。なお、上記加温する温度は、成形にかかる樹脂の種類、塗布される溶融樹脂の温度に基づいて最適に定められる。

本樹脂成形方法は、図１に示す成形金型により好適に実施することができる。図１に示す成形金型は、下金型10に塗布した溶融樹脂50を上金型20を閉じて押圧し、下金型10の押圧面Lと上金型20の押圧面Uが転写成形された微細構造体を成形する樹脂成形金型である。そして、下金型10は金型温度制御手段Lを有し、上金型20は、金型温度制御手段Uと、押圧面Uを溶融樹脂の押圧開始時までに金型温度制御手段Uにより設定された温度T_Uからさらに付加温度ΔT_U分加熱する加温手段30を有している。すなわち、下金型10及び上金型20は、従来の成形金型と同様に、下金型10又は上金型20をそれぞれ設定された所定温度に加熱又は冷却することができる金型温度制御手段L又は金型温度制御手段Uを有する。そして、上金型20は、その押圧面Uを溶融樹脂の押圧開始時までに金型温度制御手段Uにより設定された温度T_Uから付加温度ΔT_U分をさらに加熱することができる加温手段30を有している。この加温手段30は、例えば赤外線輻射加熱方法、接触電熱加熱方法を使用することができる。

上金型20の押圧面Uの迅速な加温を行うためには、上金型20の押圧面Uを有する表面部分は、図１に示すように厚さが0.5mmから10mmの金属層20aとその直下の厚さが0.01mmから0.1mmのポリイミド樹脂製フィルムが設けられた蓄熱層20bからなるものとするのがよい。

また、上金型20は、図２に示すように、樹脂成形部分の薄金型21とこれを保持・固定するベース金型26からなるものとすることができる（図２（ａ））。このとき、薄金型21は以下に説明する構成にするのがよい。すなわち、図２（ｂ）に示すように、薄金型21は、薄金型本体22の側面部に取り付けられる連結ブロック23と、薄金型本体22の内面に冷却手段24と加熱手段25を有している。そして、薄金型21は、溶融樹脂の押圧面Uに平行な面内に媒体が流動する線状の往路241と復路243が交互に等間隔に配設されるとともに、電磁気的に加熱される線状の加熱体250がその往路241と復路243の中間部分にあって等間隔でそれらに平行に設けられた貫通孔22aに挿通され、前記媒体は、媒体供給管240から往路241を通り、薄金型21の側面外部に設けられた連結ブロック23の内部の折返し路235を介して復路243を通り、媒体排水管244に戻って前記薄金型内を循環するようになっている。これにより、上金型20の樹脂成形に係る薄金型21の厚さを20〜30mmにすることができ、薄金型21を迅速に加熱することができる。

連結ブロック23は、薄金型本体22に一体結合されたものであってもよいが、メンテナンス性を考慮すれば脱着可能であるのがよい。この連結ブロック23を設けることにより、薄金型本体22の全面に亘って媒体の直線状の流動路を形成することができる。また、連結ブロック23は熱容量の小さなもので足りる。

媒体は、水を使用することができる。往路241等の媒体流路は、薄金型本体22、連結ブロックに貫通孔を設けることによって形成することができ、また、その貫通孔に配管を挿通することによって形成することができる。

加熱体250は、シーズヒータを挿通させ、そのシーズヒータの回りを電熱促進剤で充填して形成することができる。加熱体250は並列結線にすることができ、薄金型21の加熱し難い部分の加熱速度を高めることができるように加熱体250を独自に制御できる配線にすることができる。また、加熱体250は、それ自体温度勾配を設けることができるものを使用することができる。

10 下金型
20 上金型
21 薄金型
22 薄金型本体
23 連結ブロック
235 折返し路
24 冷却手段
240 媒体供給管
241 往路
243 復路
244 媒体排水管
25 加熱手段
250 加熱体
26 ベース金型
30 加温手段
50 溶融樹脂

Claims (4)

1. 下金型に塗布した溶融樹脂を上金型を閉じて押圧し、前記下金型の押圧面Lと前記上金型の押圧面Uが転写成形された微細構造体を成形する樹脂成形金型であって、
   前記下金型は金型温度制御手段Lを有し、
   前記上金型は、金型温度制御手段Uと、前記押圧面Uを前記溶融樹脂の押圧開始時までに前記金型温度制御手段Uにより設定された温度T_Uから付加温度ΔT_U分を加熱する加温手段を有する樹脂成形金型。
2. 上金型の押圧面Uを有する表面部分は、厚さが0.5mmから10mmの金属層とその直下の厚さが0.01mmから0.1mmのポリイミド樹脂製フィルムが設けられた蓄熱層からなることを特徴とする請求項１に記載の樹脂成形金型。
3. 上金型は、ベース金型とこれに装着される薄金型からなり、
   前記薄金型は、溶融樹脂の押圧面Uに平行な面内に媒体が流動する線状の往路と復路が交互に等間隔に配設されるとともに、電磁気的に加熱される線状の加熱体がその往路と復路の中間部分にあって等間隔でそれらに平行に設けられた貫通孔に挿通され、
   前記媒体は、媒体供給管から往路を通り、前記薄金型の側面外部に設けられた折返し路を介して復路を通り、媒体排水管に戻って前記薄金型内を循環するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の樹脂成形金型。
4. 所定温度に設定された下金型及び上金型を用い、その下金型に塗布した溶融樹脂を前記上金型を閉じて押圧し、前記下金型及び上金型の押圧面が転写成形された微細構造体を成形する樹脂成形方法であって、
   前記上金型の押圧面の温度を前記溶融樹脂の塗布温度に基づいて加温した上で押圧する樹脂成形方法。

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