JP4441675B2 - 転写印刷機及び転写印刷方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面に微細な凹凸を有する転写印刷板によって、被印刷部材に熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、光硬化樹脂などを用いて印刷するインプリント印刷方式において、これに用いる転写版を実装する転写印刷機及び転写印刷方法に関するものである。

ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭなどの光ディスクは、現在フォトリソグラフィー法で作成した金属製の樹脂成型用金型を用いた、ドットパターンの樹脂成型法によって作られている。この光ディスクには映像、音楽などのデータがドットパターンとして記録されており、これをレーザー光で読み取り再生される。

またＭＯなどの光磁気ディスクでは、同じく金属金型によるドットパターンの形成後に、磁性体薄膜が記録薄膜として形成されている。ＭＯではこの記録薄膜データをレーザー光で読み出したりできるほか、消去、書き込みなども可能で、繰り返し記録（消去、書き込み）が可能な記録媒体として市販されている。

最近、これらの記録媒体は小型軽量化、携帯性、保管性、管理性、大容量化などの高い市場要求から、年々記録密度の向上が求められている。このため、高密度ドットパターン形成法の技術開発競争が盛んに行われている。このなかで、インプリント法と呼ばれる方法では、パターン形成用樹脂に熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、または光硬化型の感光性の樹脂などを用いて、凹凸を有する金型と称する印刷板による転写印刷方式でドットパターンなどを印刷する方法である。またパターン形成用の転写印刷用金型には主にシリコン、石英などの基板を用い、この基板にＥＢ法（電子ビーム法）で微細なパターンを形成する。インプリントでは金型の材質は金属でない場合でも、慣例的に金型と呼んでいる。ＥＢ法では１００ナノメーター以下のドットパターンの形成が容易であり、これを金型として用いることにより、高密度記録媒体の形成が可能になる。また記録媒体用樹脂に光硬化型を用いる場合は、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いる場合と比較して低温でのドットパターンの形成が可能になり、熱によるパターンの歪みなどを考慮することなく、高密度な記録が可能となる特徴がある。

従来のＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯなどの場合、通常のドットパターンである形状は、幅０．４μｍ、深さ０．９〜３．３μｍである。これに対して、インプリント法では、この１／１０サイズのドットパターンの形成が可能であり、１０倍の記録密度が達成できる。この光ナノプリント技術の開発によって将来の１００ＧＢの記録媒体が可能となると期待されている。

このインプリント技術は、１９９５年Ｃｈｏｕによって初めて紹介され日が浅いため、学会論文はまだ少ないが、例えば、非特許文献１にナノプリントの技術の現状として紹介されている。この中では金型にはＥＢでパターン形成したサファイアを用いている。

この装置では熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂などを用いて、熱転写印刷することができるが、光転写方式の感光性樹脂を用いることもできる。感光性樹脂を用いる場合には、上部から紫外線を照射して樹脂を硬化させる。また熱転写方式では、被印刷部材（非特許文献１では基板ホルダー）の下に設けられたヒータで被印刷部材を加熱することにより行える。

この非特許文献１における転写印刷版となるサファイア製の紫外線照射レンズが配置されている。この紫外線照射レンズは上下移動可能なベローズを持った台座に取り付けられている。さらに照射レンズとモールド間、およびその周囲を真空状態あるいは減圧状態にするために、全体を密閉構造とし、その一部がロータリーポンプに繋がっている。非特許文献１では光ナノプリントリソグラフィ装置として、印刷装置の図面が記載されている。

この非特許文献１に掲載されている装置を図７を用いて、従来技術をさらに詳細に説明する。

サファイア製のモールド１の下には基板（被印刷部材）２が配置されている。光ナノインプリントでは、上部から紫外線を照射するために、モールド１の上部を光を通さない材料で保持すると、紫外線などの光を遮断することになり、このためにモールド（転写印刷版）１の端部のみを保持して、モールド１の面は広い面積で紫外線が照射できるよう、できる限り広く開放することが重要である。下にはステージ１２が配置されていて、ステージ１２はステージ上昇矢印１３の方向に上昇して、サファイア製のモールド１に押圧される。このときステージ１２の上に配置された基板（被印刷部材）２も上昇し、ステージ１２に設けた隔壁部１２ａが台座６ａに取り付けられたベローズ６に接触して加圧されても、ベローズ６が縮むことによって、室Ｒの真空減圧状態の構成が可能である。また同時に基板（被印刷部材）２もモールド１に押圧されるので、転写印刷が可能になる。真空減圧状態が構成されたら、その後ロータリーポンプ接続口８から、減圧が開始され、室Ｒには、真空または減圧状態が形成される。サファイア（紫外線照射板）３の上部には照射レンズ４が取り付けられており、照射レンズ４には光ファイバー５から紫外線が導光される。ステージ１２の下には、ロードセル１０があり、印刷圧力を記録したり調節することができる。ロードセルの下にはボールネジがあり、ボールネジを介してステージ１２がステッピングモータ７が逆回転して、ステージ１２は下がる。

以上が従来方式の転写印刷機であるが、光硬化型に限らず、熱転写方式も含めたインプリントにおける転写印刷用実装金型の要求特性としては、その機能から、１）装置がシンプルであること、２）転写印刷版の被印刷部材への着版において、被印刷部材と転写印刷版の間に気泡が入らないこと、３）転写印刷版の被印刷部材からの離版において、できるだけ小さな応力で離版できること、４）着版及び離版の速度が自動制御できること、５）転写印刷版の寿命が永いこと、６）装置が安価であること、などが挙げられる。

転写印刷機はこれらの課題を解決し、印刷の生産性に優れていることが重要であるが、従来技術では、その工夫がまだ見出されていない。特に、２）の着版においては、転写印刷版の面積が大きいほど、被印刷部材の間（実施には転写印刷版に塗布された熱硬化性樹脂、あるいは光硬化性樹脂との間）に気泡の巻き込みが多くなる。この気泡が介在されたままで印刷が開始されると、気泡介在部は転写されずに、印刷不能となる。この気泡の巻き込みを無くすために、通常減圧真空などの余分な装置と操作が必要になっている。この真空又は減圧に要する時間は通常転写印刷に要する時間（通常数秒から数１０秒）より数倍〜数１０倍と長く、これが転写印刷のタクトタイムを長くしている原因となっている。一台の印刷機当たりの生産性を著しく低下させている。また、３）の転写印刷版の被印刷版からの離版においては、被印刷部材が転写印刷から制御されない形で離れた場合、非常に大きな動的応力が瞬間的に転写印刷版と被印刷部材の界面に負荷される。この応力は、被印刷部材の上に塗布された熱硬化性樹脂または光硬化性樹脂と接着引き剥がし応力であって実際は非常に大きな力である。特に熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂はすでに硬化反応が終了しているので、転写印刷版に対して接着剤として働いている。通常これを解決する手段としては、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂にシリコーンやフッ素樹脂系の離型性の樹脂をブレンドしたりすることが行われている。また転写印刷版に対してこれら樹脂を薄く処理することなども行われている。これらの処理は非常に有用であるが、それでも転写印刷版の離版においては０．０１〜０．１ＭＰａ程度の大きな引き剥がし力が必要となっている。このように大きな引き剥がし力では、印刷機自体の駆動部全体を大きくすることが必要で、全体の装置が大型になる。また離版における応力の集中は、高価な転写印刷版を破壊してしまうおそれがある。通常転写印刷版の価格は印刷機の１／５程度なので、版の長寿命化は大きな課題となっている。

図５，図６は、転写印刷版１を支持枠１５で保持し、被印刷部材２を搭載台１６に保持し、搭載台１６を上昇あるいは支持枠１５を降下させて転写印刷版１を被印刷部材２に着版させて転写する例を示している。

谷口淳、他３名、「ナノインプリント技術の現状」、砥粒加工学会誌、砥粒加工学会、２００２年６月、４６巻６号、ｐ．２８２

この場合、転写印刷版１と被印刷部材２が平行に接近して平行に着版し、平行に離版する。このため前述のように気泡の巻き込みを防ぐことができないため、真空減圧機能が必要になる。また離版時には支持枠１５に応力が集中し、転写印刷版１が破壊される場合があり、版の寿命が短くなる問題がある。

このように転写印刷機においては、従来技術の中で記述したように、１）装置がシンプルであること、２）転写印刷版の被印刷部材への着版において、被印刷部材と転写印刷版との間に気泡が入らないこと、３）転写印刷版の被印刷部材からの離版において、できるだけ小さな応力で離反できること、４）着版および離版速度が自動制御されること、５）転写印刷版の寿命が長いこと、６）装置が安価であること、が重要な点である。

本発明の目的は、上記課題を解決し、シンプルで気泡の巻き込みの無い転写印刷機および転写印刷方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、表面に微細な凹凸の溝が形成された転写印刷版を被印刷部材に着版・離版させて凹凸の溝を前記被印刷部材に転写する転写印刷機において、着版時に前記転写印刷版をその中央から下向き湾曲にした状態で着版すると共に離版時に前記転写印刷版の周囲より前記被印刷部材から離版するように転写印刷版形状を変化させる転写印刷版湾曲付与手段を備え、前記転写印刷版湾曲付与手段は、着版時に前記転写印刷版の裏面に空気圧を付与して湾曲させ、離版時に前記空気圧を徐々に減圧する加減空気圧手段からなる転写印刷機である。

請求項３の発明は、表面に微細な凹凸の溝が形成された転写印刷版を被印刷部材に着版・離版させて凹凸の溝を前記被印刷部材に転写する転写印刷方法において、着版時に前記転写印刷版の裏面に空気圧を付与して、前記転写印刷版をその中央から下向き湾曲にした状態で前記被印刷部材に着版させ、離版時に前記空気圧を徐々に減圧して前記転写印刷部材の周囲より前記被印刷部材から離版するようにした転写印刷方法である。

本発明は以下のような効果を奏する。
（１）装置がシンプルである。
（２）転写印刷版の被印刷部材への着版において、被印刷部材と転写印刷版との間に気泡が入らないので、印刷の歩留まりがあがり生産性が向上する。
（３）転写印刷版の被印刷部材からの離版において、できるだけ小さな応力で離版できるので、ステッピングモーターなどを小型化でき、装置全体の小型化が可能になる。
（４）着版および離版の速度がプログラム制御できるので、最適な印刷条件を常に選定できる。
（５）転写印刷版の寿命が長くできる。すなわち転写印刷版に離版時に急激な応力がかからないので、版の寿命が長くなり、その結果印刷を低コストで行うことができる。
（６）装置が安価になる。装置全体が小型化でき、また付帯設備が不要になるなど、装置が安価になる。

以下本発明の実施形態を添付図面により説明する。

図１〜図３は、本発明の転写印刷機の要部である転写印刷版２１と被印刷部材２２を示し、図１は、転写印刷版２１が被印刷部材２２に接触する直前の状態を、図２は転写印刷版２１が被印刷部材２２から十分に離れた状態を、図３は、転写印刷版２１が被印刷部材２２が着版した状態を示している。

転写印刷版２１は、人工石英、シリコン、合成樹脂、無機或いは有機材料からなり、その厚さは従来１．０ｍｍ程度であるが、本発明においては、０．３〜０．５ｍｍ程度の薄型に形成される。転写印刷版２１は、転写するための微細な凹凸が形成され、その外周が、支持枠２３により保持される。

支持枠２３は、金属製であっても問題はないが、転写印刷版２１の支持枠２３との境目に加わる応力を小さくするために、支持枠２３をシリコーンゴム（例えばショア硬度７０程度）などの変形できる材料とするのが好ましい。

支持枠２３への転写印刷版２１の保持は、支持枠２３の内周側に溝２４を形成し、その溝２４に転写印刷版２１の外周端を挿入するようにする。この際、支持枠２３は、転写印刷版２１が溝２４に挿入できるよう厚さ方向或いは周方向に二分割し、さらに転写印刷版２１が下方に湾曲できるように、転写印刷版２１の外周端が、溝２４で若干移動できるように保持されている。

このように、転写印刷版２１を薄くし、かつ変形しやすいように支持枠２３で保持することにより、湾曲付与手段にて、転写印刷版２１の中央部が沈み込み、いわゆる湾曲が可能になり、被印刷部材２２に着版させることが可能になる。

湾曲付与手段にて、中央に沈み込ませる方法としては、空気圧を図１に矢印２５に示したように作用させて沈み込ませるほかに、中央を治具などを用いて機械的に押し込むことも可能である。

転写印刷版２１は、離版時には、例えば空気圧方式では、減圧を徐々に解除すると、転写印刷版２１は被印刷部材２２の周囲から剥がれる。この離版はまた、転写印刷版２１を確認しながら、ゆっくりと下に下げることによっても可能である。離版の条件は一度実行すると、その条件のシーケンス制御への入力によって自動離叛することが可能である。

被印刷部材２２は、搭載台２６に、例えば真空吸着方式で吸着固定されているので、被印刷部材２２は搭載台２６から離れることはない。

以上のように本発明においては、転写印刷版の中央からの着版と周囲からの離版を行うことが可能である。従って、着版においては、転写印刷版２１と被印刷版の樹脂との間に気泡を包含することなく、印刷が可能である。また離版時には、被印刷部材に対して版の周囲からゆっくり離れるので、印刷版の周囲への急激な版離れ応力の集中を回避できる。

このような制御は、例えば空気圧方式にあっては、圧力センサを持った電磁弁を用いて、ゆっくりと空気圧を上げることによって行うことができる。転写印刷版２１の被印刷部材２２への接近、空気加圧、離版の一連の制御は、ステッピングモーターと圧力センサーからの信号を受けた電磁弁開閉のシーケンス制御によって可能である。転写印刷版２１が被印刷部材２２から離れた時点では、急激に転写印刷版２２を離したり、また急激に減圧を解除しても構わない。これらの動作は、例えばロードセルからの離版応力のゼロ信号の入力によっても可能である。

図４は、図１〜３に示した転写印刷版２１と被印刷部材２２とを着版・離版させる転写印刷機の全体構成の一例を示す図である。

図において、基台１４上に支柱１５が立設され、その支柱１５に上下移動自在にステージ１２が設けられ、詳細は省略するが、ステージ１２がボールネジ１１の回転で図示の矢印１３のように上昇したり、或いは降下するようになっており、そのボールネジ１１の回転をステッピングモータ７で制御して、ステージ１２の上昇速度と降下速度を自在に制御できるようになっていると共にボールネジ１１とステージ１２間にロードセル１０が設けられ、後述するが転写印刷版２１と被印刷部材２２との接触圧が検出できるようになっている。

このステージ１２上には、図１〜図３で説明した載置台２６が取り付けられ、その載置台２６上に被印刷部材２２が、真空吸着にて保持されるようになっている。

支柱１５の上部には、アーム１６を介して支持枠２３が取り付けられ、その支持枠２３の内周に形成した溝２４に転写印刷版２１が取り付けられる。支持枠２３の上部にはサファイア（紫外線照射板）３を保持する隔壁２７が設けられ、転写印刷版２１と隔壁２７間に加圧室２８が形成される。

支持枠２３には、加圧室２８に空気等を供給して、着版時に転写印刷版２１を下向きに湾曲するよう、また離版時に加圧室２８を徐々に減圧する給排気ライン３０が接続され、その給排気ライン３０に圧力センサを持った電磁弁３１が接続される。

また、サファイア３上には照射レンズ４、光ファイバ５が配置され、光ファイバ５からの紫外線が、これらを通し、転写印刷版２１を通して、被印刷部材２２上に塗布された紫外線硬化樹脂等に照射できるようになっている。

この転写印刷機において、着版時には、給排気ライン３０から加圧室２８に空気等が供給されて、図示のように転写印刷版２１が下方に湾曲するようにされ、その状態で、載置台２６上の被印刷部材２２の中央が転写印刷版２１と接触し、その後、徐々に外周側が接触する。これにより気泡の巻き込みを無くすことが可能となる。

着版後は、光ファイバ４からの紫外線を被印刷部材２１上の紫外線硬化樹脂に照射して硬化させる。

離版時には、圧力センサー付き電磁弁３０が加圧室２８内の圧力を検知しながら徐々に減圧して排気すると共に、ステッピングモーター７がステージ１２の降下速度を制御することで、転写印刷版２１は、その周囲から被印刷部材２２から剥がれていき、最終的には加圧室２８が大気圧まで開放されて、転写印刷版２１がフラットな状態に戻る。

このステージ１２の上昇時と降下時の速度は、ロードセル１０で検出した荷重を基に制御を行い、最適な速度とした後はステッピングモーター７を駆動制御する制御装置（図示せず）が、この速度履歴を記憶し、次の被印刷部材２２への転写の際に、記憶した速度に基づいてステッピングモーター７を速度制御する。この場合、ロードセル１０はその荷重を常時検出しているため、その荷重を基に、転写が適正に行えたかどうかがチェックできる。

本発明の一実施の形態を示し、転写印刷版が被印刷部材に着版する直前の状態を示す図である。 本発明の一実施の形態を示し、転写印刷版が被印刷部材から充分離れた状態を示す図である。 本発明の一実施の形態を示し、転写印刷版が被印刷部材に着版した状態を示す図である。 図１〜図３の全体構成を示す図である。 本発明の前提技術を示し、転写印刷版が被印刷部材に着版する直前の状態を示す図である。 本発明の前提技術を示し、転写印刷版が被印刷部材に着版した状態を示す図である。 従来の転写印刷機を示す図である。

符号の説明

２１ 転写印刷版
２２ 被印刷部材
２３ 支持枠

Claims (2)

1. 表面に微細な凹凸の溝が形成された転写印刷版を被印刷部材に着版・離版させて凹凸の溝を前記被印刷部材に転写する転写印刷機において、着版時に前記転写印刷版をその中央から下向き湾曲にした状態で着版すると共に離版時に前記転写印刷版の周囲より前記被印刷部材から離版するように転写印刷版形状を変化させる転写印刷版湾曲付与手段を備え、前記転写印刷版湾曲付与手段は、着版時に前記転写印刷版の裏面に空気圧を付与して湾曲させ、離版時に前記空気圧を徐々に減圧する加減空気圧手段からなることを特徴とする転写印刷機。
2. 表面に微細な凹凸の溝が形成された転写印刷版を被印刷部材に着版・離版させて凹凸の溝を前記被印刷部材に転写する転写印刷方法において、着版時に前記転写印刷版の裏面に空気圧を付与して、前記転写印刷版をその中央から下向き湾曲にした状態で前記被印刷部材に着版させ、離版時に前記空気圧を徐々に減圧して前記転写印刷部材の周囲より前記被印刷部材から離版するようにしたことを特徴とする転写印刷方法。

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