JP2020049562A

JP2020049562A - 凹凸体製造方法及び凹凸体

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Publication number: JP2020049562A
Application number: JP2018178900A
Authority: JP
Inventors: 義孝中西; Yoshitaka Nakanishi; 雄太中島; Yuta Nakajima
Original assignee: Kumamoto University NUC
Current assignee: Kumamoto University NUC
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2038-09-25
Also published as: JP7274690B2

Abstract

【課題】本発明は、汚れが付着しにくい表面を有する構造体を製造する方法等を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の第１の観点は、表面に凹凸形状を有する凹凸体を製造する凹凸体製造方法であって、基板の上に、マスク層を成形するマスク工程と、前記マスク層に覆われていない非マスク部表面及び前記マスク層に覆われたマスク層表面に対して垂直方向から粒子を衝突させ、前記マスク層がなくなるまで研磨する研磨工程とを含む凹凸体製造方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、表面に凹凸形状を有する凹凸体を製造する凹凸体製造方法等に関するものである。

近年、タッチパネル式のスマートフォンやタブレット型パソコン等の電子機器が普及している。タッチパネルを構成するガラスやプラスチック等の光透過性を有する基材に、ユーザーが手を触れると、指紋や皮脂等の生体由来の汚れ（以下、「指紋成分」と表記する。）が付着してしまう。

そこで、基材表面に、指紋成分を毛細管力で集める凹型の穴を設けることにより、指紋が目立ちにくく、かつ、拭き取りやすくする技術が考えられている（特許文献１）。

特開２０１３-１０６８４号公報

しかしながら、従来技術においては、毛細管力により凹型の穴に指紋成分を集めて汚れを目立たなくしているだけで、基材表面への汚れの付着は防止できていない。

本発明は係る事情によりなされたものであって、汚れが付着しにくい表面を有する構造体を製造する方法等を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点は、表面に凹凸形状を有する凹凸体を製造する凹凸体製造方法であって、基板の上に、マスク層を成形するマスク工程と、前記マスク層に覆われていない非マスク部表面及び前記マスク層に覆われたマスク層表面に対して垂直方向から粒子を衝突させ、前記マスク層がなくなるまで研磨する研磨工程とを含む凹凸体製造方法である。

本発明の第２の観点は、第１の観点の凹凸体製造方法であって、前記研磨工程において、マイクロスラリージェットを用いて研磨を行う。

本発明の第３の観点は、第１又は第２の観点の凹凸体製造方法であって、前記マスク工程において、同一の厚みの前記マスク層を均等な間隔で成形する。

本発明の第４の観点は、第３の観点の凹凸体製造方法であって、前記マスク工程において、前記マスク層の間隔は１μｍから３００μｍであり、前記マスク層の面積は０．７μｍ^２から３２,０００μｍ^２であるマスク層を成形する。

本発明の第５の観点は、表面に凹凸形状を有する凹凸体であって、前記表面に複数の凸部を備え、前記凸部は中央に１点の頂点を有する曲面形状であり、前記凸部の直径は１μｍから２００μｍであり、前記凸部の高さは０．１５μｍから１０μｍであり、前記凸部の間隔は１μｍから１００μｍであり、前記凹凸形状の切断面であって、複数の前記頂点を通る切断面の端面が、隣り合う前記凸部が連なった波状の凹凸形状を有する、凹凸体である。

本発明の各観点によれば、滑らかな曲面を有する凹凸体を製造できるため、例えば手指が触れても、凹凸体と手指の接触面積が小さく、凹凸体への指紋成分の付着を抑制することが可能になる。また、基材に防汚性を付与するだけでなく、基材の濡れ性及び光学的特性を変更することが可能になる。

一般に、マスク処理後の機械的除去工程においては、マスク層により覆われたマスク部は削られることなく、マスク層により覆われていない非マスク部のみが削られるため、マスク部と非マスク部の間に角がある凹凸形状が成形される。しかし、本発明の各観点によれば、マスク層がなくなるまで垂直方向から粒子を衝突させるため、マスク部が端から徐々に削られていき、マスク部と非マスク部の間に角ができず、容易にμｍレベルの滑らかな曲面を有する凹凸体を製造できる。

本発明の第２の観点によれば、凹凸体の表面をさらに滑らかな曲面に成形することができ、また、様々な材質の凹凸体を製造することが可能になる。マイクロスラリージェットで用いる硬質粒子（砥粒）のサイズは１μｍ程度と小さく、サンドブラストやウエットブラストに比べ、１粒子あたりの除去量は小さい。しかし、マイクロスラリージェットでは微小粒子を大量に投射して試験片を精密に削る（破壊）現象を使っているため、硬質材料はセラミックスから金属材料まで、さらに軟質材料はプラスチックからゴムまで幅広い材料の表面を機械的に除去できる。また、サンドブラストやウエットブラストでは１粒子あたりの除去量が大きく、異なる材料を同時に除去しようとすると、どちらか一方が急速になくなってしまう現象が発現しやすい。マイクロスラリージェットでは、１粒子あたりの除去量は小さいため、マスク層と基材表面のどちらか一方のみが急速に除去されてしまうことを防止できる。

本発明の第３の観点によれば、均一な凹凸形状を有する凹凸体を製造することが可能になる。

本発明の第４の観点によれば、さらに高い防汚性を有する凹凸体を製造することが可能になる。

本発明の凹凸体製造方法のフロー図である。マイクロスラリージェットの概要を示す図である。本発明の凹凸体製造方法を用いて製造したスマートフォン用ガラスの表面を示す図である。未加工面と加工面の電子顕微鏡写真である。直径３０μｍ、間隔４５μｍ、高さ４．７μｍの凸部を有するスライドガラスの表面を示す図である。直径３０μｍ、間隔６０μｍ、高さ４．５μｍの凸部を有するスライドガラスの表面を示す図である。直径３０μｍ、間隔６０μｍ、高さ０．３９μｍの凸部を有するガラスの表面を示す図である。図５−７に示したガラス表面の疎水性を示す図である。本発明の凹凸体製造方法を用いて製造した硬質樹脂フィルムの表面を示す図である。実施例１で作製したガラスを２枚重ねあわせ、物理的な相対運動（ずらす／回転）を与えた場合のガラス表面を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の凹凸体製造方法及び凹凸体の実施例について述べる。

図１は、本発明の凹凸体製造方法のフロー図である。まず、光透過性を有するガラスや樹脂等の基板１を用意し（Ｓ０）、基板１の上にフォトマスク法又は３Ｄプリンティング法を用いて、複数のマスク層３を成形する（Ｓ１、請求項記載の「マスク工程」の一例）。そして、マスク層３に覆われていない非マスク部５の表面及びマスク層３の表面に対して同時に垂直方向からマイクロスラリージェット７を投射し、マスク層３がなくなるまで研磨を行う（Ｓ２、請求項記載の「研磨工程」の一例）。そのため、マスク層３に覆われているマスク部９が端から徐々に削られていき、マスク部９と非マスク部５の間に角ができず、滑らかな曲面を有する凹凸体１１を製造することができる。

また、マスク工程（Ｓ１）において、同一の厚みのマスク層３を均等な間隔で成形すると、均一な凹凸形状を有する凹凸体１１を製造することができる。さらに、マスク工程（Ｓ１）において、マスク層３の間隔が１μｍから３００μｍであり、マスク層３の面積は０．７μｍ^２から３２,０００μｍ^２となるようにすると、さらに高い防汚性を有する凹凸体１１を製造することができる。

図２は、マイクロスラリージェットの概要を示す図であり、（ａ）はマイクロスラリージェットを基板に投射している様子、（ｂ）はマイクロスラリージェットを投射した前後のセラミックス表面の電子顕微鏡写真である。マイクロスラリージェットは、硬質粒子を多量の水又はコーティング水溶液とともに、材料面に垂直に衝突させる方法であり、サンドブラストやウエットブラストに比べ、硬質粒子（砥粒）のサイズが１μｍ程度と小さく、１粒子あたりの除去量は小さい。しかし、微小粒子を大量に投射することにより、マイクロクラックや加工変質層の発生を僅少にし、除去率を向上させることができる。そのため、加工対象材料の透明度を維持したまま加工を行うことができる。また、硬質材料はセラミックスから金属材料まで、さらに軟質材料はプラスチックからゴムまで幅広い材料の表面を機械的に除去できる。例えば、図２（ｂ）に示す通り、１秒間に１０億個から１００億個の硬質粒子を７０−１００ｍ／ｓの速度で投射することで、セラミックス表面を１−５ｍｍ／ｓで研磨できる。

また、サンドブラストやウエットブラストでは１粒子あたりの除去量が大きく、異なる材料を同時に除去しようとすると、どちらか一方が急速になくなってしまう現象が発現しやすい。マイクロスラリージェットでは、１粒子あたりの除去量は小さいため、マスク層と基材表面のどちらか一方のみが急速に除去されてしまうことを防止できる。

通常、表面が除去されて新たにできた表面は化学的に活性化された面となる。例えば、空気中の酸素と反応して、酸化してしまう。しかし、マイクロスラリージェットを用いた場合は、新たな表面は多量の作動液体による水膜に覆われるため、雰囲気から遮断され安定した材料構造を得ることもできる。そのため、材料表面の酸化などの変質や汚れの再付着を防止できる。作動液体にコーティング成分を含有させるなどの機能性を持たせた場合、材料表面との化学的結合が良好となり、強固なコーティング膜も形成することが可能である。また、表面が作動液体により冷却されるため、材料表面が必要以上に温度上昇することを防止できる。

図３は、本発明の凹凸体製造方法を用いて製造したスマートフォン用ガラスの表面（以下、「加工面」と表記する。）を示す図である。凸部の直径は３０μｍ、凸部の高さは約１μｍとした。マスク工程においては、マスク層の間隔を６０μｍ、マスク層の面積を７００μｍ^２となるようにマスク層を成形した。

図４は、本発明の凹凸体製造方法を施していない表面（以下、「未加工面」と表記する。）と加工面の電子顕微鏡写真であり、（ａ）指でタップした後の未加工面、（ｂ）指でタップした後の加工面、（ｃ）指でスワイプした後の未加工面、（ｄ）指でスワイプした後の加工面である。未加工面では、図４（ａ）に示す通り指紋跡や、図４（ｂ）左側に示す通り皮脂跡が残っていた。一方で、本発明による加工面では、指との面接触が防止できるため、皮脂の凝着痕が断続的であり、ほぼ付着していなかった。また、加工面は滑らかな曲面であるため、ガラスの光透過性及びすべり感は維持されている。

本発明の凹凸体製造方法を用いて製造した、間隔と高さが異なる凸部を有するガラスの表面を図５−７に示す。図５は、直径３０μｍ、間隔４５μｍ、高さ４．７μｍの凸部を有するスライドガラスの表面を示す図である。図６は、直径３０μｍ、間隔６０μｍ、高さ４．５μｍの凸部を有するスライドガラスの表面を示す図である。図７は、直径３０μｍ、間隔６０μｍ、高さ０．３９μｍの凸部を有するガラスの表面を示す図である。なお、図５及び図６中の「20Pass」と図７中の「15Pass」は、研磨工程において同一箇所に対して投射したマイクロスラリージェットの回数が、それぞれ２０回、１５回であったことを示している。

そして、図８は、縦軸が水の接触角（°）であり、左から順に、未加工のガラス表面、図５のガラス表面、図６のガラス表面、図７のガラス表面の疎水性を示す棒グラフである。特に、図６に示したなだらかな半球状の凸部の間隔を６０μｍ、高さを４．５μｍとした場合に、濡れ性が小さく（疎水性が大きく）なることが分かった。

図９は、本発明の凹凸体製造方法を用いて製造した硬質樹脂フィルムの表面を示す図である。図５−７に示したガラス表面と同様に、光透過性を有する硬質樹脂フィルム上にも滑らかな曲面のパターンを加工することができた。

図１０は、実施例１で作製したガラスを２枚重ねあわせ、物理的な相対運動（ずらす／回転）を与えた場合のガラス表面を示す図である。μｍレベルの滑らかな曲面を有するガラスを２枚重ねあわせ、物理的な相対運動（ずらす／回転）を与えることで、図１０に示す通り、（ａ）パターニングが拡大され明瞭となったり、（ｂ）奥行き感が与えられたり、（ｃ）視認性に方向が表れたり、（ｄ）光透過性が変わったり、（ｅ）光干渉縞が発現したりと、自在に様々な光学特性を発現させることができることが分かった。

なお、マスク工程において半導体プロセス（光リソグラフィー、フォトレジスト）を用いてマスキングする場合のマスキング材料としては、例えば以下の４種が想定される。
1.ゴム系ネガ型レジスト
ゴム系ネガ型レジストを用いる場合、フォトマスクとレジストが密着するコンタクト露光を行うことにより、基板とのマスキング材料の密着性が良好となる。
2.ノボラック‐NQD（ナフトキノンジアジド）レジスト（g-line 436nm i-line 365nm）
ノボラック‐NQDレジストを用いる場合、フォトマスクとレジスト表面とを非接触の状態で露光する投影露光方式を利用する。縮小露光が行えるため、フォトマスクより細かいパターンのマスキングが可能になる。
3.化学増幅型レジスト（KrF-line 248nm）
化学増幅型レジスト（KrF-line 248nm）は、さらなる高解像度力を実現するため、露光波長の短波長化が進められ、KrFエキシマレーザーを光源とすることができるレジストである。
4.次世代EUVレジストなど
次世代EUVレジストは、さらなる高解像度力を実現するため、極端紫外線リソグラフィ (EUV:Extreme ultraviolet lithography）を利用することを想定したレジストである。

また、３Ｄプリンタを用いてマスキングする場合のマスキング材料としては、例えば以下の８種が想定される。
1.ABS樹脂
ABS樹脂は、汎用熱可塑性樹脂であり、剛性・耐衝撃性・疲労強度などのバランスがよく、塗装などの後加工もしやすい。
2.PLA樹脂
PLA樹脂は、熱収縮が小さいため造形不良が起こりにくく、初心者でも扱いやすい樹脂である。ただし、機械強度や耐久性はABSよりやや劣る。
3.ABSライク樹脂
ABSライク樹脂は、光硬化性アクリル樹脂の1種である。本物のABSの様な長期的な耐久性はない。
4.PP（ポリプロピレン）ライク
PP（ポリプロピレン）ライクは、光硬化性アクリル樹脂の1種であり、ポリプロピレン（ＰＰ）製品をシミュレートするために各物性を似せた樹脂である。比較的高い柔軟性と強度を有する。
5.ゴムライク
ゴムライクは、光硬化性アクリル樹脂の1種であり、ゴムの様に柔軟な素材である。硬質の光硬化性アクリル樹脂と混ぜ合わせて、硬さを調整できる。
6.ナイロン（PA・ポリアミド）
ナイロン（PA・ポリアミド）は、結晶性のポリアミドであり、耐熱温度が高く自動車部品等に用いられることが多いエンジニアリングプラスチックである。
7.石膏パウダー
石膏パウダーは、硫酸カルシウムを主成分とする無機物であり、造形物の表面はザラザラで脆い。造形時に着色が可能な機種もあり、外観評価用の模型製作に向いている。
8.シルバーやチタンなどの金属
シルバーやチタンなどの金属は、樹脂類と比較し、金属の特性（硬質・耐温度）がいかせる。融点などが高いため、造形装置は高額となる。

１基板、３マスク層、５非マスク部、７マイクロスラリージェット、９マスク部、１１凹凸体

Claims

表面に凹凸形状を有する凹凸体を製造する凹凸体製造方法であって、
基板の上に、マスク層を成形するマスク工程と、
前記マスク層に覆われていない非マスク部表面及び前記マスク層に覆われたマスク層表面に対して垂直方向から粒子を衝突させ、前記マスク層がなくなるまで研磨する研磨工程とを含む凹凸体製造方法。
前記研磨工程において、マイクロスラリージェットを用いて研磨を行う、請求項１記載の凹凸体製造方法。
前記マスク工程において、同一の厚みの前記マスク層を均等な間隔で成形する、請求項１又は２記載の凹凸体製造方法。
前記マスク工程において、
前記マスク層の間隔は１μｍから３００μｍであり、
前記マスク層の面積は０．７μｍ^２から３２,０００μｍ^２であるマスク層を成形する、請求項３記載の凹凸体製造方法。
表面に凹凸形状を有する凹凸体であって、
前記表面に複数の凸部を備え、
前記凸部は中央に１点の頂点を有する曲面形状であり、
前記凸部の直径は１μｍから２００μｍであり、
前記凸部の高さは０．１５μｍから１０μｍであり、
前記凸部の間隔は１μｍから１００μｍであり、
前記凹凸形状の切断面であって、複数の前記頂点を通る切断面の端面が、隣り合う前記凸部が連なった波状の凹凸形状を有する、凹凸体。