JP4610120B2 - プラスチック構造体及び該プラスチック構造体の形成方法 - Google Patents
プラスチック構造体及び該プラスチック構造体の形成方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4610120B2 JP4610120B2 JP2001109461A JP2001109461A JP4610120B2 JP 4610120 B2 JP4610120 B2 JP 4610120B2 JP 2001109461 A JP2001109461 A JP 2001109461A JP 2001109461 A JP2001109461 A JP 2001109461A JP 4610120 B2 JP4610120 B2 JP 4610120B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- plastic
- laser
- ultrashort pulse
- forming
- focal point
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Shaping Of Tube Ends By Bending Or Straightening (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチック部品の表面処理・表面機能化に関する技術分野に属し、プラスチック部品の任意の表面部分に、外部から表面形成材料を層として付加することなく円錐状ないしは釣り鐘状の隆起物を形成させたプラスチック構造体、及び該プラスチック構造体の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、プラスチック部品の高機能化、高性能化の要求が高くなってきている。それらの要求に対して、プラスチック材料自身をポリマーアロイ化したり複合化したりする材料面での技術対応と、要求機能に合わせて機能部位を付加する加工面での技術対応の二つの取り組みが行われている。プラスチック部品の表面の高機能化・高性能化は、表面の濡れ性、接着性、吸着性、制電性、水分やガスに対するバリアー性、表面硬さ、光反射性、光散乱性、光透過性などの制御の必要性から、材料・加工両面から色々な技術的な取り組みがされてきている。それらの中で、プラスチックの表面に凹凸を設けて、濡れ性や接着性や光学的特性を向上させる方法がいくつかあり、それを分類すると下記のようになる。
【０００３】
（１）プラスチックの表面を機械的に摩擦したり、スパッタ・エッチングなどの物理的・化学的な処理により表面の一部を除去して凹凸を形成する方法。
（２）塗工・電鋳などのウエット・プロセスや蒸着・ラミネート・転写等のドライ・プロセスによりプラスチック表面に膜を付加して凹凸を形成する方法。
（３）予め凹凸を形成した金型などを利用して、成形により凹凸を形成する方法。
【０００４】
（１）の方法は、除去されたプラスチックの屑や飛散物による表面の汚染や後処理の問題があり、（２）の方法は、付加方法特有の材料や加工プロセスの追加による煩雑性の問題がある。また、（１）、（２）とも最近の環境汚染やリサイクル対策に関して、有意な方法とは言い難い。（３）の方法は、除去や付加を伴わない方法であり量産性にも優れた方法であるが、精緻な凹凸構造の制御性に乏しい問題がある。そのため、環境汚染やリサイクルなどの問題を含まず、プラスチック表面の任意の場所に精密な凹凸構造を制御された形で形成できる方法の出現が望まれている。
【０００５】
一方、レーザー光源に関する技術進歩は著しく、特にパルスレーザーは、ナノ（１０-9）秒からピコ（１０-12）秒と超短パルス化が進み、更に最近では、チタン・サファイア結晶などをレーザー媒質とするフェムト（１０-15）秒パルスレーザーなどが開発されてきている。ピコ秒やフェムト秒などの超短パルスレーザーシステムは、通常のレーザーの持つ、指向性、空間的・時間的コヒーレンスなどの特徴に加えて、パルス幅が極めて狭く、同じ平均出力でも単位時間・単位空間当りの電場強度が極めて高いことから、物質中に照射して高い電場強度を利用して誘起構造を形成させる試みが、無機ガラス材料を主な対象物として行われてきている。
【０００６】
また、高分子材料であるアモルファス・プラスチック等は、無機ガラス材料と比較して、ガラス転移温度が低い。これは、無機ガラス材料が共有結合で三次元的に結合してアモルファス構造が形成されているのに対して、高分子材料は、一次元的に共有結合で繋がった高分子鎖が三次元的に絡み合ってアモルファス構造が形成されていることを反映した結果である。従って、無機ガラス材料に対しては、大きな照射エネルギーで照射しないと、誘起構造が形成されないが、高分子材料では、高いエネルギーの照射は材料の劣化を引き起こす虞があるので、高いエネルギーの照射は回避する必要がある。
【０００７】
しかしながら、高分子材料は、熱伝導性が低いという特徴を有している。従って、高分子材料は熱伝導性が低いので、蓄熱し易い傾向がある。すなわち、高分子材料は熱運動が無機ガラス材料に比べて容易に起こり、運動や反応に必要な熱量が少なくて済むので、無機ガラス材料に比べて、比較的低い照射エネルギーでも誘起構造が形成される可能性がある。しかし、高分子材料であるプラスチック構造体に関して、パルス幅が１０-12秒以下である（例えば、パルス幅がフェムト秒のオーダーである）超短パルスレーザーの照射による誘起構造形成の検討は、現在まで、無機ガラス材料ほどには行われていなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記の様な従来の技術に付随する環境汚染やリサイクルなどの環境問題が生じず、かつプラスチック表面に凹凸構造を精密に形成させたプラスチック構造体及び該プラスチック構造体の形成方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、パルス幅が１０-12秒以下である超短パルスレーザーの照射により、該照射のエネルギーが低くても、プラスチック表面に凹凸構造が形成されたプラスチック構造体及び該プラスチック構造体の形成方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、プラスチック内部に１０-12秒以下のパルスの超短パルスレーザーを照射すると、プラスチック表面に、プラスチック内部のレーザー照射部位から供給された円錐状ないし釣り鐘状の隆起物が精密に形成され、精密な凹凸構造を有するプラスチック構造体を作製できることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものである。
【００１０】
すなわち、本発明は、プラスチック表面に、該プラスチック内部から隆起して形成された底面の直径０．３〜３０μｍ、高さ０．１〜１０μｍの円錐状ないし釣り鐘状の隆起物を、直径と同じかそれ以上の間隔を置いて複数個有し、
隆起物が、プラスチック内部に外部よりパルス幅１０ -12 秒以下の超短パルスのレーザーを、プラスチック表面から５〜１５０μｍの深さに焦点を合わせて照射することにより形成されたものであり、
超短パルスのレーザーの照射エネルギーが、５００ｍＷ以下であり、
隆起物を形成する前の状態のプラスチックが、１００℃以上のガラス転移温度を有し、かつ、４００〜８００ｎｍの可視光波長領域において１０％以上の透過率を有するプラスチックであることを特徴とするプラスチック構造体を提供する。
【００１２】
隆起物を形成する前の状態のプラスチックとしては、１００℃以上のガラス転移温度を有するアモルファス・プラスチックであってもよい。さらに、隆起物を形成する前の状態のプラスチックは、ポリマー材料と他の材料との複合体であってもよい。さらにまた、隆起物を形成する前の状態のプラスチックは、二つ以上の層構造からなる積層体であってもよい。
【００１３】
本発明のプラスチック構造体の形成方法は、プラスチック内部に外部よりパルス幅１０-12秒以下の超短パルスのレーザーを、該超短パルスのレーザーの照射方向に対して垂直な方向に且つプラスチック表面に対して平行な方向に、超短パルスのレーザーの焦点をライン状に移動させながら照射することにより、前記プラスチック構造体を作製することを特徴とする。
【００１４】
本発明の形成方法では、超短パルスのレーザーの焦点をライン状に移動させる際のラインが複数有り、各ライン同士が平行であることが好ましい。また、超短パルスのレーザーは、プラスチック表面から５〜１５０μｍの深さに焦点を合わせて照射することが好ましい。超短パルスのレーザーの照射エネルギーは、５００ｍＷ以下であってもよい。
【００１５】
また、本発明では、プラスチック及び超短パルスのレーザー光源のうちいずれか一方を、他方に対して相対的に移動させることにより、超短パルスのレーザーの焦点をライン状に移動させることができる。ライン状に移動する超短パルスのレーザーの焦点の移動速度は、１０〜１，０００μｍ／秒であってもよい。さらにまた、焦点をライン状に移動させながら照射された複数のラインにおいて、近接したライン間の間隔は、１０〜１００μｍであってもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、必要に応じて図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
［隆起物を有するプラスチック構造体］
図１は本発明のプラスチック構造体の一例を模式的に示す鳥瞰図であり、図２は本発明のプラスチック構造体の他の例を模式的に示す鳥瞰図である。
【００１８】
図１のプラスチック構造体は、プラスチックシート１の表面に、該プラスチックシート１の内部から隆起して形成された円錐状の隆起物2aを複数個有している。また、図２のプラスチック構造体は、プラスチックシート１の表面に、該プラスチックシート１の内部から隆起して形成された釣り鐘状の隆起物2bを複数個有している。
【００１９】
前記隆起物2a，2bの円錐や釣り鐘の底面の直径は０．３〜３０μｍ、好ましくは１〜２０μｍ程度であり、高さは０．１〜１０μｍ、好ましくは０．５〜８μｍ程度である。また、隆起物2a，2bの間隔（底面の円の中心間距離）は、底面の直径と同じかそれ以上（例えば、直径〜直径の１０倍程度、好ましくは、直径〜直径の５倍程度）である。
【００２０】
［隆起物を有するプラスチック構造体の形成］
本発明のプラスチック構造体を形成する手段としては、プラスチック表面に前記隆起物をプラスチック内部から隆起させることにより形成可能なものであれば特に限定されないが、特に、１０-12秒以下のパルス時間の超短パルスレーザーをプラスチック内部に照射する方法が有効である。このような超短パルスレーザーの照射により、前記プラスチック構造体を形成する方法としては、例えば、図４に示されるような方法を好適に採用することができる。図４は、本発明のプラスチック構造体の形成方法の一例を示す概略鳥瞰図である。図４において、１はプラスチックシート、1aはプラスチックシート１の表面、Ｔはプラスチックシート１の厚さ、３はパルス幅が１０-12秒以下である超短パルスレーザー（単に「レーザー」と称する場合がある）、４はレンズ、５はレーザー３の焦点である。また、６はレーザー３の照射方向であり、７はレーザー３の焦点５の移動方向である。
【００２１】
また、81，82，・・・，8n（ｎは１以上の整数である）はそれぞれレーザー３の焦点５をライン状に移動させる際のラインである［以下、ライン（81，82，・・・，8n）をライン８として総称する場合がある］。従って、ライン８は、焦点５の移動方向７と平行又は同一の方向に延びている。ライン８は、焦点５をライン状に移動させる際のラインであるので、焦点５がライン状に移動した軌跡（「ライン状移動軌跡」と称する場合がある）に対応又は相当する。なお、ライン８としては、ライン81〜ライン8nまで単数ないし複数有しており、各ライン同士は平行な関係にある。
【００２２】
さらに、ｄはプラスチックシート１の表面1aと、レーザー３の焦点５との距離である。従って、距離ｄは、プラスチックシート１の表面1aからの深さに相当する。すなわち、ライン８は、プラスチックシート１の表面1aからの深さがｄである位置となっている。該距離ｄとしては、特に制限されず、プラスチックシート１の厚さＴに応じて適宜選択することができ、通常、５〜１５０μｍ程度の範囲から選択される。すなわち、超短パルスのレーザーを、プラスチック表面から、例えば、５〜１５０μｍの深さに焦点を合わせて照射することができる。距離ｄとしては、好ましくは１０〜１２０μｍ、さらに好ましくは２０〜１００μｍ程度である。なお、距離ｄは、もちろん、プラスチックシート１の厚さＴよりも短く、通常、厚さＴの半分以下であるが、半分を越えていてもよい。
【００２３】
なお、超短パルスのレーザーが同じ照射エネルギーである場合、照射点又は焦点の深さが深くなるほど、照射エネルギーが三次元的に広がる範囲が広くなる。すなわち、照射点又は焦点の深さが深くなるほど、単位体積当たりの照射エネルギーの大きさが小さくなる。
【００２４】
また、Ｌはライン８における隣接又は近接したライン（81，82，・・・，8n）間の間隔を示している。該間隔Ｌは、特に制限されず、例えば、１０μｍ以上の任意の範囲から選択することができる。間隔Ｌとしては、通常、１０〜１００μｍ程度の範囲から選択される場合が多い。
【００２５】
図４では、レーザー３は、プラスチックシート１に向けて、照射方向６の向きで、すなわちＺ軸と平行な方向で、照射している。なお、レーザー３はレンズ４を用いることにより焦点を絞って合わせることができる。また、プラスチックシート１はシート状の形態を有しており、該プラスチックシート１の上面はＸ−Ｙ平面と平行な面となっているとともに、Ｚ軸と垂直となっている。
【００２６】
また、レーザー３は、その焦点５を移動方向７の向き（すなわちＹ軸と平行な向き）に、ライン状に移動させながら照射させている。従って、その結果として、焦点５をライン８上をライン状に移動方向７の向きに移動させながら、レーザー３が照射されていることになる。前記移動方向７は、照射方向６に対して垂直な方向であり、且つプラスチック１の表面1aに対して平行な方向である。従って、ライン８は、焦点５の移動方向７と平行であり、照射方向６とは垂直となっている。さらに、ライン８は、プラスチック１の表面1aに対して平行な方向となっている。なお、レーザー３の焦点５を移動方向７にライン状に移動させる際の該焦点５の移動速度としては、特に制限されず、例えば、１０〜１，０００μｍ／秒（好ましくは１００〜８００μｍ／秒）程度の範囲から選択してもよい。
【００２７】
より具体的には、レーザー３を照射方向６の方向で、ライン８のうちいずれか１つのライン（ライン81とする）の一方の末端部に焦点５を合わせて、照射し、この焦点５を移動方向７の方向にライン81上をライン状にライン81の他方の末端まで移動させる。その後、このライン81上の焦点５の移動方法と同様の方法により、レーザー３の焦点５を他のライン（ライン82とする）の一方の末端に合わせて他方の末端まで該ライン82上をライン状に移動させる。さらに、このような焦点をライン８のうちいずれか１つのラインの一方の末端に合わせて他方の末端まで移動させることを必要なだけ繰り返すことにより、プラスチック表面に内部から隆起して形成された円錐状ないし釣り鐘状の隆起物を有するプラスチック構造体を作製することができる。
【００２８】
なお、超短パルスレーザーの焦点の移動は、超短パルスレーザー及びレンズと、プラスチック構造体との相対位置を動かせることにより、例えば、超短パルスレーザー及びレンズ、及び／又は照射されるプラスチックを移動させることにより、行うことができる。具体的には、超短パルスレーザーの照射は、例えば、照射サンプル（照射されるプラスチック）を、２次元又は３次元の方向に精密に動かすことができる精密なＸＹＺステージに載せ、３次元的に移動させることにより、サンプル任意の場所に行うことができる。また、ＸＹＺステージの移動を時間的に設定することにより、照射を３次元的な連続性を持って任意に行うことができる。
【００２９】
このように、レーザー３をプラスチックシート１の内部に外部から照射して、焦点をライン状に移動させることにより、プラスチックシート１の表面には図１又は２に示されているような隆起物（2a，2b）を形成することができる。該隆起物（2a，2b）は、通常、レーザー３が照射される側の表面1aに形成される。表面1aにおいて、隆起物（2a，2b）が形成される位置としては、ライン８と対応した表面1a上の位置であり、例えば、図４のように、表面1aに垂直にレーザー３が照射される場合、隆起物（2a，2b）は、該隆起物の中心部位（底面の円の中心部位）がライン８の垂直上の表面1a上にくるような位置に形成される。従って、１つのライン状に形成された隆起物における隆起物間の間隔（すなわち、ライン８が形成された方向と平行な方向における間隔）としては、前述のように、隆起物の直径と同じかそれ以上の間隔となっている。このような１つのライン上における隆起物間の間隔（ライン上間隔）は特に制限されない。また、もちろん、１つのライン上における隆起物の数は特に制限されず、レーザーの照射条件やプラスチックの素材等に応じて適宜選択することができる。
【００３０】
一方、複数のライン状に形成された隆起物の隣接するライン上における隆起物間の間隔（すなわち、ライン８が形成された方向に対して垂直な方向における間隔）（ライン間間隔）としては、通常、ライン８の間隔Ｌと同等又はほぼ同等になる。
【００３１】
［隆起物の形成前のプラスチック］
本発明では、超短パルスレーザーのプラスチック内部への照射が有効に行われるためには、照射されるプラスチック（隆起物を形成する前の状態のプラスチック）は、波長４００ｎｍから８００ｎｍの可視光の波長領域で１０％以上の透過率を有することが望ましい。上記波長領域で著しい光吸収や散乱を起こす着色したプラスチックや散乱粒子を多量に含むプラスチックは望ましくない。
【００３２】
また、本発明では、プラスチックシート１としては、隆起物を形成する前の状態のプラスチックが、１００℃以上のガラス転移温度を有するものを用いることが最適である。１００℃以上のガラス転移温度を有しているプラスチック材料を用いることにより、表面に隆起物を有するプラスチック構造体を高い精度で作製することができる。なお、超短パルスレーザーの照射により前記のような隆起物が形成されるメカニズムは、まだ詳細には解析されていない。ガラス転移温度が常温（２３℃）未満にある耐熱性の低いプラスチック材料の内部に超短パルスレーザー（フェムト秒パルスレーザー）をライン状に移動させて照射すると、隆起物が形成されるよりも、図３に示されるように、プラスチックシート１の表面部分が内部に陥没した孔や溝2cが形成される場合が多い。一方、ガラス転移温度が常温（２３℃）以上で且つ７０℃程度以下のプラスチック材料の内部に超短パルスレーザーをライン状に移動させて照射すると、図５で示されるように、プラスチック材料の内部に空洞やクラック、溶融・再固化物2dが形成される場合が多い。しかし、ガラス転移温度が１００℃以上のプラスチック材料の内部に、超短パルスレーザーをライン状に移動させて照射すると、図１や図２に示されるようにプラスチック内部から隆起が起こる現象が観察され、プラスチック表面に精密に隆起物を作製することができる。なお、プラスチックシート１としては、隆起物を形成する前の状態のプラスチックが、１００℃以上のガラス転移温度を有するものを特に好適に用いることができるが、前記隆起物を形成することができるものであれば、隆起物を形成する前の状態のプラスチックのガラス転移温度は、１００℃未満、例えば、常温（例えば、２３℃）以上１００℃未満（好ましくは７０℃以上１００℃未満）であってもよい。
【００３３】
しかしながら、隆起物を形成する前の状態のプラスチックに係るガラス転移温度と、超短パルスレーザーの照射により形成される隆起物との関係は、まだ定かではない。超短パルスレーザーが極めて高いエネルギーを有していることから、照射スポットが高温になりプラスチックが溶融状態になることが考えられる。そのため、超短パルスレーザーの照射により最も高められるプラスチック材料の内部の温度が一定（該最も高温に高められる一定温度をＴ0とする）と仮定すると、例えば、ガラス転移温度（Ｔｇ）が低いプラスチック材料では、内部が高温に高められる一定温度Ｔ0と、ガラス転移温度Ｔｇとの差（Ｔ0−Ｔｇ）が大きく又は広くなるので、ガラス転移温度Ｔｇ以上の温度となって十分な運動性を得る時間的・空間的な範囲が大きく又は広くなることが予測される。具体的には、超短パルスレーザーの照射により、前記一定温度Ｔ0まで温度が上昇する過程で、プラスチック材料は膨張し、その後、照射位置又は焦点が移動することにより、前記一定温度Ｔ0から常温にまで温度が低下して冷却される冷却過程になると、Ｔ0とＴｇとの差（Ｔ0−Ｔｇ）が大きい又は広いので、常温にまで温度が低下するまでに運動できる時間的・空間的な範囲が大きく又は広くなり、その結果として表面層の吸い込み・陥没が起こり、孔や溝が形成されると思われる。逆に、ガラス転移温度が高いプラスチック材料では、（Ｔ0−Ｔｇ）が小さく又は狭く、超短パルスレーザーの照射による溶融領域が、照射スポット（照射位置又は焦点）の近辺又は周辺に限定され、ガラス転移温度Ｔｇ以上の温度となって十分な運動性を得る時間的・空間的な範囲が小さく又は狭くなり、しかも、Ｔ0から常温にまで温度低下する冷却過程で、（Ｔ0−Ｔｇ）の温度幅が小さい又は狭いので、より速く又は直ぐに固化状態になり、一定温度Ｔ0まで温度が上昇する過程で膨張した膨張状態に近い形状が固定又は保持され、その結果として、マグマの噴火で火山が形成されるように、表面に隆起物が形成されるものと思われる。すなわち、ガラス転移温度の低いプラスチック材料（耐熱性の低い材料）では、溶融状態の範囲が表面を含む広範囲に及び、結果として表面層の吸い込み・陥没が起こり、孔や溝が形成されるのに対し、ガラス転移温度の高いプラスチック材料（耐熱性の高い材料）では溶融領域がスポット近辺に限定され、マグマの噴火で火山が形成されるように、表面に隆起物が形成されるものと思われる。
【００３４】
このように、レーザー照射に付すプラスチック（隆起物を形成する前の状態のプラスチック）の熱的な性質としては、アモルフアス・プラスチックでは、ガラス転移温度が常温（２３℃）以上であることが望ましい。特に、本発明では、隆起物を形成する前の状態のプラスチックとしては、前述のようなガラス転移温度と隆起物との関係から、ガラス転移温度（Ｔｇ）が１００℃以上であることが最適である。
【００３５】
隆起物を形成する前の状態のプラスチックにおいて、熱的性質は、隆起物を形成する時の形成因子として働くだけでなく、隆起物形成後の安定性にも影響を与えるため重要である。
【００３６】
隆起物形成後の安定性については、プラスチックの緩和現象による構造変化が関係し、ガラス転移温度が低い材料では緩和が起こり易く生成した隆起物の構造が不安定になる。
【００３７】
このようなパルスレーザー照射に使用されるプラスチックとしては、共重合体を含めた単一化学構造のポリマー材料からなるものだけでなく、異なる化学構造を有する複数のポリマー材料からなるポリマーアロイやポリマーブレンドでもよい。このようなポリマーアロイやポリマーブレンドの場合、プラスチックを構成するプラスチック材料の１成分以上が常温以上（好ましくは７０℃以上、特に１００℃以上）のガラス転移温度を有していることが重要である。
【００３８】
また、パルスレーザー照射に使用されるプラスチックとしては、無機化合物や金属などの他の材料を分散状態で含んだ複合体であってもよく、異なるプラスチックや他の材料からなる層を含んだ２以上の層構造からなる積層体であってもよい。
【００３９】
具体的には、前記ポリマー材料の代表的な例として、例えば、メタクリル樹脂、スチレン系樹脂、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリスルホン（ポリサルホン）、ポリエーテルスルホン（ポリエーテルサルホン）、ポリエーテルエーテルケトン等の熱可塑性樹脂などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００４０】
［超短パルスレーザー］
使用する超短パルスレーザーとしては、チタン・サファイア結晶を媒質とするレーザーや色素レーザーを再生・増幅して得られたフェムト秒パルスレーザーなどが好都合であり、使用されるパルス幅は１０-12秒から１０-15秒のオーダーのものが該当するが、通常は１００フェムト秒（１０-13秒）程度のものが使用される。使用波長は、可視光領域の４００ｎｍから８００ｎｍ、繰り返しは１Ｈｚから８０ＭＨｚの範囲で、通常は１０Ｈｚから５００ｋＨｚ程度の条件で使用される。レーザーパルスの出力は、数ｍＷから数百ｍＷ程度で使用される。
【００４１】
なお、プラスチック材料に対して、内部における単位体積当たりに照射されるエネルギーは、超短パルスレーザーの照射エネルギー、プラスチック材料に照射する際に用いられる対物レンズの開口数（光源の絞り込み）、プラスチック材料への照射位置又は焦点の深さ、レーザーの焦点の移動速度などに応じて決められる。
【００４２】
また、本発明では、超短パルスレーザーの平均出力又は照射エネルギーとしては、特に制限されず、目的とする隆起物の大きさや形状等に応じて適宜選択することができ、例えば、５００ｍＷ以下（例えば、１〜５００ｍＷ）、好ましくは５〜３００ｍＷ、さらに好ましくは１０〜１００ｍＷ程度の範囲から選択することができる。前述のように、プラスチックは、無機ガラス材料に比べて熱伝導性やガラス転移温度が低く、無機ガラス材料と同じような励起構造を形成するのに必要な照射エネルギーとしては、無機ガラス材料に必要な照射エネルギーの１／１０〜１／１００程度に低くすることができる。
【００４３】
また、超短パルスレーザーの照射スポット径としては、特に制限されず、目的の隆起物の大きさやその形状、レンズの大きさや開口数又は倍率などに応じて適宜選択することができ、例えば、０．１〜１０μｍ程度の範囲から選択することができる。
【００４４】
なお、レンズ４は、レーザー３の光線の焦点を絞って合わせるために用いている。従って、レーザーの焦点を絞って合わせる必要が無い場合は、レンズを用いる必要はない。レンズ４の開口数（ＮＡ）は、特に制限されず、対物レンズの倍率に応じて変更することができ、通常は、倍率としては１０〜５０倍、開口数としては０．３〜０．８程度の範囲から選択される。
【００４５】
このようにして形成された精密な凹凸構造を表面に有するプラスチック構造体は、そのままプラスチック部材として使用されてもよいし、貼り合わせや接合や組み立てなどによる他の部材との複合部材として使用してもよい。また、無電解メッキや蒸着などにより導電性の賦与を行なったり、スタンピング用のマスター金型化してもよい。
【００４６】
本発明のプラスチック構造体は精密に制御された凹凸構造を有しているので、拡散板や散乱素子などの光機能部材や、精密な空間や流路などを形成するスペーサー機能を利用したマイクロマシーンやセンサー、電気的探針、バイオ機器、マイクロリアクターチップ、埋め込み型人工臓器などに利用できる。
【００４７】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
【００４８】
実施例１
０．５ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が２２０℃のポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）シートの内部（深さ５μｍ）に、照射波長８００ｎｍ、パルス幅１５０フェムト秒、繰り返し２００ｋＨｚのチタン・サファイア・フェムト秒パルスレーザーを、照射エネルギー７．０ｍＷ、対物レンズの倍率１０倍で、照射スポット約３μ径、照射方向に対して直角方向のサンプルの移動速度２５μｍ／秒の条件で照射した。
【００４９】
実施例２
３．０ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が１０５℃のメチル・メタクリレート（ＰＭＭＡ）シートの内部（深さ５μｍ）に実施例１と同じパルスレーザーを、実施例１と同じ条件で照射した。
【００５０】
比較例１
０．５ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が１５℃のウレタン系ゴムのシートの内部（深さ５μｍ）に実施例１と同じパルスレーザーを、実施例１と同じ条件で照射した。
【００５１】
実施例３
０．５ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が２２０℃のポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）シートの内部（深さ３０μｍ）に、照射波長８００ｎｍ、パルス幅１５０フェムト秒、繰り返し２００ｋＨｚのチタン・サファイア・フェムト秒パルスレーザーを、照射エネルギー４０ｍＷ、対物レンズ１０倍で照射スポット約３μ径、照射方向に対して直角方向のサンプルの移動速度５００μｍ／秒の条件で、ライン間隔が２５μｍの５本の平行ライン状となるように焦点を移動させて、照射した。
【００５２】
実施例４
０．５ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が１６０℃のポリカーボネート（ＰＣ）シート内部（深さ３０μｍ）に実施例３と同じ超短パルスレーザーを、実施例３と同じ条件で照射した。
【００５３】
実施例５
３．０ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が１０５℃のメチル・メタクリレート（ＰＭＭＡ）シートの内部（深さ３０μｍ）に実施例３と同じ超短パルスレーザーを、実施例３と同じ条件で照射した。
【００５４】
比較例２
０．５ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が１５℃のウレタン系ゴムのシートの内部（深さ３０μｍ）に実施例３と同じ超短パルスレーザーを、実施例３と同じ条件で照射した。
【００５５】
比較例３
０．５ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が６５℃のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シートの内部（深さ３０μｍ）に実施例３と同じ超短パルスレーザーを、実施例３同じ条件で照射した。
【００５６】
評価及び評価結果
パルスレーザーを照射した各サンプルについて、光干渉顕微鏡（菱化システム社製）並びに反射型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（日立製作所社製）を用いて、表面並びに断面の形態及び形状の観察を行った。結果を表１又は表２に示す。
【００５７】
【表１】
【００５８】
【表２】
【００５９】
【発明の効果】
本発明により、環境汚染やリサイクルなどの環境問題を生じさせることなく表面の所望の部位に精密な凹凸構造が形成されたプラスチック構造体が提供される。このプラスチック構造体は光機能部材などの機能部材として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラスチック構造体の一例を模式的に示す鳥瞰図である。円錐状の隆起物が形成されて、表面に精密な凹凸構造を有している状態を示す。
【図２】本発明のプラスチック構造体の他の例を模式的に示す鳥瞰図である。釣り鐘状の隆起物が形成されて、表面に精密な凹凸構造を有している状態を示す。
【図３】本発明のような隆起物が形成されない一例を模式的に示す鳥瞰図である。陥没した孔が形成された状態を示す。
【図４】本発明のプラスチック構造体の形成方法の一例を示す概略鳥瞰図である。
【図５】本発明のような隆起物が形成されない一例を模式的に示す鳥瞰図である。内部に空洞やクラック、溶融・再固化物が形成された状態を示す。
【符号の説明】
１ プラスチックシート
2a 円錐状の隆起物
2b 釣り鐘状の隆起物
2c 陥没した孔
1a プラスチックシート１の表面
Ｔ プラスチックシート１の厚さ
３ パルス幅が１０-12秒以下である超短パルスレーザー
４ レンズ
５ レーザー３の焦点
６ レーザー３の照射方向
７ レーザー３の焦点５の移動方向
８ レーザー３の焦点５をライン状に移動させる際のライン
ｄ プラスチックシート１の表面1aと、レーザー３の焦点５との距離
Ｌ ライン８における近接したライン間の間隔
2d 溶融・再固化物
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチック部品の表面処理・表面機能化に関する技術分野に属し、プラスチック部品の任意の表面部分に、外部から表面形成材料を層として付加することなく円錐状ないしは釣り鐘状の隆起物を形成させたプラスチック構造体、及び該プラスチック構造体の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、プラスチック部品の高機能化、高性能化の要求が高くなってきている。それらの要求に対して、プラスチック材料自身をポリマーアロイ化したり複合化したりする材料面での技術対応と、要求機能に合わせて機能部位を付加する加工面での技術対応の二つの取り組みが行われている。プラスチック部品の表面の高機能化・高性能化は、表面の濡れ性、接着性、吸着性、制電性、水分やガスに対するバリアー性、表面硬さ、光反射性、光散乱性、光透過性などの制御の必要性から、材料・加工両面から色々な技術的な取り組みがされてきている。それらの中で、プラスチックの表面に凹凸を設けて、濡れ性や接着性や光学的特性を向上させる方法がいくつかあり、それを分類すると下記のようになる。
【０００３】
（１）プラスチックの表面を機械的に摩擦したり、スパッタ・エッチングなどの物理的・化学的な処理により表面の一部を除去して凹凸を形成する方法。
（２）塗工・電鋳などのウエット・プロセスや蒸着・ラミネート・転写等のドライ・プロセスによりプラスチック表面に膜を付加して凹凸を形成する方法。
（３）予め凹凸を形成した金型などを利用して、成形により凹凸を形成する方法。
【０００４】
（１）の方法は、除去されたプラスチックの屑や飛散物による表面の汚染や後処理の問題があり、（２）の方法は、付加方法特有の材料や加工プロセスの追加による煩雑性の問題がある。また、（１）、（２）とも最近の環境汚染やリサイクル対策に関して、有意な方法とは言い難い。（３）の方法は、除去や付加を伴わない方法であり量産性にも優れた方法であるが、精緻な凹凸構造の制御性に乏しい問題がある。そのため、環境汚染やリサイクルなどの問題を含まず、プラスチック表面の任意の場所に精密な凹凸構造を制御された形で形成できる方法の出現が望まれている。
【０００５】
一方、レーザー光源に関する技術進歩は著しく、特にパルスレーザーは、ナノ（１０-9）秒からピコ（１０-12）秒と超短パルス化が進み、更に最近では、チタン・サファイア結晶などをレーザー媒質とするフェムト（１０-15）秒パルスレーザーなどが開発されてきている。ピコ秒やフェムト秒などの超短パルスレーザーシステムは、通常のレーザーの持つ、指向性、空間的・時間的コヒーレンスなどの特徴に加えて、パルス幅が極めて狭く、同じ平均出力でも単位時間・単位空間当りの電場強度が極めて高いことから、物質中に照射して高い電場強度を利用して誘起構造を形成させる試みが、無機ガラス材料を主な対象物として行われてきている。
【０００６】
また、高分子材料であるアモルファス・プラスチック等は、無機ガラス材料と比較して、ガラス転移温度が低い。これは、無機ガラス材料が共有結合で三次元的に結合してアモルファス構造が形成されているのに対して、高分子材料は、一次元的に共有結合で繋がった高分子鎖が三次元的に絡み合ってアモルファス構造が形成されていることを反映した結果である。従って、無機ガラス材料に対しては、大きな照射エネルギーで照射しないと、誘起構造が形成されないが、高分子材料では、高いエネルギーの照射は材料の劣化を引き起こす虞があるので、高いエネルギーの照射は回避する必要がある。
【０００７】
しかしながら、高分子材料は、熱伝導性が低いという特徴を有している。従って、高分子材料は熱伝導性が低いので、蓄熱し易い傾向がある。すなわち、高分子材料は熱運動が無機ガラス材料に比べて容易に起こり、運動や反応に必要な熱量が少なくて済むので、無機ガラス材料に比べて、比較的低い照射エネルギーでも誘起構造が形成される可能性がある。しかし、高分子材料であるプラスチック構造体に関して、パルス幅が１０-12秒以下である（例えば、パルス幅がフェムト秒のオーダーである）超短パルスレーザーの照射による誘起構造形成の検討は、現在まで、無機ガラス材料ほどには行われていなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記の様な従来の技術に付随する環境汚染やリサイクルなどの環境問題が生じず、かつプラスチック表面に凹凸構造を精密に形成させたプラスチック構造体及び該プラスチック構造体の形成方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、パルス幅が１０-12秒以下である超短パルスレーザーの照射により、該照射のエネルギーが低くても、プラスチック表面に凹凸構造が形成されたプラスチック構造体及び該プラスチック構造体の形成方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、プラスチック内部に１０-12秒以下のパルスの超短パルスレーザーを照射すると、プラスチック表面に、プラスチック内部のレーザー照射部位から供給された円錐状ないし釣り鐘状の隆起物が精密に形成され、精密な凹凸構造を有するプラスチック構造体を作製できることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものである。
【００１０】
すなわち、本発明は、プラスチック表面に、該プラスチック内部から隆起して形成された底面の直径０．３〜３０μｍ、高さ０．１〜１０μｍの円錐状ないし釣り鐘状の隆起物を、直径と同じかそれ以上の間隔を置いて複数個有し、
隆起物が、プラスチック内部に外部よりパルス幅１０ -12 秒以下の超短パルスのレーザーを、プラスチック表面から５〜１５０μｍの深さに焦点を合わせて照射することにより形成されたものであり、
超短パルスのレーザーの照射エネルギーが、５００ｍＷ以下であり、
隆起物を形成する前の状態のプラスチックが、１００℃以上のガラス転移温度を有し、かつ、４００〜８００ｎｍの可視光波長領域において１０％以上の透過率を有するプラスチックであることを特徴とするプラスチック構造体を提供する。
【００１２】
隆起物を形成する前の状態のプラスチックとしては、１００℃以上のガラス転移温度を有するアモルファス・プラスチックであってもよい。さらに、隆起物を形成する前の状態のプラスチックは、ポリマー材料と他の材料との複合体であってもよい。さらにまた、隆起物を形成する前の状態のプラスチックは、二つ以上の層構造からなる積層体であってもよい。
【００１３】
本発明のプラスチック構造体の形成方法は、プラスチック内部に外部よりパルス幅１０-12秒以下の超短パルスのレーザーを、該超短パルスのレーザーの照射方向に対して垂直な方向に且つプラスチック表面に対して平行な方向に、超短パルスのレーザーの焦点をライン状に移動させながら照射することにより、前記プラスチック構造体を作製することを特徴とする。
【００１４】
本発明の形成方法では、超短パルスのレーザーの焦点をライン状に移動させる際のラインが複数有り、各ライン同士が平行であることが好ましい。また、超短パルスのレーザーは、プラスチック表面から５〜１５０μｍの深さに焦点を合わせて照射することが好ましい。超短パルスのレーザーの照射エネルギーは、５００ｍＷ以下であってもよい。
【００１５】
また、本発明では、プラスチック及び超短パルスのレーザー光源のうちいずれか一方を、他方に対して相対的に移動させることにより、超短パルスのレーザーの焦点をライン状に移動させることができる。ライン状に移動する超短パルスのレーザーの焦点の移動速度は、１０〜１，０００μｍ／秒であってもよい。さらにまた、焦点をライン状に移動させながら照射された複数のラインにおいて、近接したライン間の間隔は、１０〜１００μｍであってもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、必要に応じて図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
［隆起物を有するプラスチック構造体］
図１は本発明のプラスチック構造体の一例を模式的に示す鳥瞰図であり、図２は本発明のプラスチック構造体の他の例を模式的に示す鳥瞰図である。
【００１８】
図１のプラスチック構造体は、プラスチックシート１の表面に、該プラスチックシート１の内部から隆起して形成された円錐状の隆起物2aを複数個有している。また、図２のプラスチック構造体は、プラスチックシート１の表面に、該プラスチックシート１の内部から隆起して形成された釣り鐘状の隆起物2bを複数個有している。
【００１９】
前記隆起物2a，2bの円錐や釣り鐘の底面の直径は０．３〜３０μｍ、好ましくは１〜２０μｍ程度であり、高さは０．１〜１０μｍ、好ましくは０．５〜８μｍ程度である。また、隆起物2a，2bの間隔（底面の円の中心間距離）は、底面の直径と同じかそれ以上（例えば、直径〜直径の１０倍程度、好ましくは、直径〜直径の５倍程度）である。
【００２０】
［隆起物を有するプラスチック構造体の形成］
本発明のプラスチック構造体を形成する手段としては、プラスチック表面に前記隆起物をプラスチック内部から隆起させることにより形成可能なものであれば特に限定されないが、特に、１０-12秒以下のパルス時間の超短パルスレーザーをプラスチック内部に照射する方法が有効である。このような超短パルスレーザーの照射により、前記プラスチック構造体を形成する方法としては、例えば、図４に示されるような方法を好適に採用することができる。図４は、本発明のプラスチック構造体の形成方法の一例を示す概略鳥瞰図である。図４において、１はプラスチックシート、1aはプラスチックシート１の表面、Ｔはプラスチックシート１の厚さ、３はパルス幅が１０-12秒以下である超短パルスレーザー（単に「レーザー」と称する場合がある）、４はレンズ、５はレーザー３の焦点である。また、６はレーザー３の照射方向であり、７はレーザー３の焦点５の移動方向である。
【００２１】
また、81，82，・・・，8n（ｎは１以上の整数である）はそれぞれレーザー３の焦点５をライン状に移動させる際のラインである［以下、ライン（81，82，・・・，8n）をライン８として総称する場合がある］。従って、ライン８は、焦点５の移動方向７と平行又は同一の方向に延びている。ライン８は、焦点５をライン状に移動させる際のラインであるので、焦点５がライン状に移動した軌跡（「ライン状移動軌跡」と称する場合がある）に対応又は相当する。なお、ライン８としては、ライン81〜ライン8nまで単数ないし複数有しており、各ライン同士は平行な関係にある。
【００２２】
さらに、ｄはプラスチックシート１の表面1aと、レーザー３の焦点５との距離である。従って、距離ｄは、プラスチックシート１の表面1aからの深さに相当する。すなわち、ライン８は、プラスチックシート１の表面1aからの深さがｄである位置となっている。該距離ｄとしては、特に制限されず、プラスチックシート１の厚さＴに応じて適宜選択することができ、通常、５〜１５０μｍ程度の範囲から選択される。すなわち、超短パルスのレーザーを、プラスチック表面から、例えば、５〜１５０μｍの深さに焦点を合わせて照射することができる。距離ｄとしては、好ましくは１０〜１２０μｍ、さらに好ましくは２０〜１００μｍ程度である。なお、距離ｄは、もちろん、プラスチックシート１の厚さＴよりも短く、通常、厚さＴの半分以下であるが、半分を越えていてもよい。
【００２３】
なお、超短パルスのレーザーが同じ照射エネルギーである場合、照射点又は焦点の深さが深くなるほど、照射エネルギーが三次元的に広がる範囲が広くなる。すなわち、照射点又は焦点の深さが深くなるほど、単位体積当たりの照射エネルギーの大きさが小さくなる。
【００２４】
また、Ｌはライン８における隣接又は近接したライン（81，82，・・・，8n）間の間隔を示している。該間隔Ｌは、特に制限されず、例えば、１０μｍ以上の任意の範囲から選択することができる。間隔Ｌとしては、通常、１０〜１００μｍ程度の範囲から選択される場合が多い。
【００２５】
図４では、レーザー３は、プラスチックシート１に向けて、照射方向６の向きで、すなわちＺ軸と平行な方向で、照射している。なお、レーザー３はレンズ４を用いることにより焦点を絞って合わせることができる。また、プラスチックシート１はシート状の形態を有しており、該プラスチックシート１の上面はＸ−Ｙ平面と平行な面となっているとともに、Ｚ軸と垂直となっている。
【００２６】
また、レーザー３は、その焦点５を移動方向７の向き（すなわちＹ軸と平行な向き）に、ライン状に移動させながら照射させている。従って、その結果として、焦点５をライン８上をライン状に移動方向７の向きに移動させながら、レーザー３が照射されていることになる。前記移動方向７は、照射方向６に対して垂直な方向であり、且つプラスチック１の表面1aに対して平行な方向である。従って、ライン８は、焦点５の移動方向７と平行であり、照射方向６とは垂直となっている。さらに、ライン８は、プラスチック１の表面1aに対して平行な方向となっている。なお、レーザー３の焦点５を移動方向７にライン状に移動させる際の該焦点５の移動速度としては、特に制限されず、例えば、１０〜１，０００μｍ／秒（好ましくは１００〜８００μｍ／秒）程度の範囲から選択してもよい。
【００２７】
より具体的には、レーザー３を照射方向６の方向で、ライン８のうちいずれか１つのライン（ライン81とする）の一方の末端部に焦点５を合わせて、照射し、この焦点５を移動方向７の方向にライン81上をライン状にライン81の他方の末端まで移動させる。その後、このライン81上の焦点５の移動方法と同様の方法により、レーザー３の焦点５を他のライン（ライン82とする）の一方の末端に合わせて他方の末端まで該ライン82上をライン状に移動させる。さらに、このような焦点をライン８のうちいずれか１つのラインの一方の末端に合わせて他方の末端まで移動させることを必要なだけ繰り返すことにより、プラスチック表面に内部から隆起して形成された円錐状ないし釣り鐘状の隆起物を有するプラスチック構造体を作製することができる。
【００２８】
なお、超短パルスレーザーの焦点の移動は、超短パルスレーザー及びレンズと、プラスチック構造体との相対位置を動かせることにより、例えば、超短パルスレーザー及びレンズ、及び／又は照射されるプラスチックを移動させることにより、行うことができる。具体的には、超短パルスレーザーの照射は、例えば、照射サンプル（照射されるプラスチック）を、２次元又は３次元の方向に精密に動かすことができる精密なＸＹＺステージに載せ、３次元的に移動させることにより、サンプル任意の場所に行うことができる。また、ＸＹＺステージの移動を時間的に設定することにより、照射を３次元的な連続性を持って任意に行うことができる。
【００２９】
このように、レーザー３をプラスチックシート１の内部に外部から照射して、焦点をライン状に移動させることにより、プラスチックシート１の表面には図１又は２に示されているような隆起物（2a，2b）を形成することができる。該隆起物（2a，2b）は、通常、レーザー３が照射される側の表面1aに形成される。表面1aにおいて、隆起物（2a，2b）が形成される位置としては、ライン８と対応した表面1a上の位置であり、例えば、図４のように、表面1aに垂直にレーザー３が照射される場合、隆起物（2a，2b）は、該隆起物の中心部位（底面の円の中心部位）がライン８の垂直上の表面1a上にくるような位置に形成される。従って、１つのライン状に形成された隆起物における隆起物間の間隔（すなわち、ライン８が形成された方向と平行な方向における間隔）としては、前述のように、隆起物の直径と同じかそれ以上の間隔となっている。このような１つのライン上における隆起物間の間隔（ライン上間隔）は特に制限されない。また、もちろん、１つのライン上における隆起物の数は特に制限されず、レーザーの照射条件やプラスチックの素材等に応じて適宜選択することができる。
【００３０】
一方、複数のライン状に形成された隆起物の隣接するライン上における隆起物間の間隔（すなわち、ライン８が形成された方向に対して垂直な方向における間隔）（ライン間間隔）としては、通常、ライン８の間隔Ｌと同等又はほぼ同等になる。
【００３１】
［隆起物の形成前のプラスチック］
本発明では、超短パルスレーザーのプラスチック内部への照射が有効に行われるためには、照射されるプラスチック（隆起物を形成する前の状態のプラスチック）は、波長４００ｎｍから８００ｎｍの可視光の波長領域で１０％以上の透過率を有することが望ましい。上記波長領域で著しい光吸収や散乱を起こす着色したプラスチックや散乱粒子を多量に含むプラスチックは望ましくない。
【００３２】
また、本発明では、プラスチックシート１としては、隆起物を形成する前の状態のプラスチックが、１００℃以上のガラス転移温度を有するものを用いることが最適である。１００℃以上のガラス転移温度を有しているプラスチック材料を用いることにより、表面に隆起物を有するプラスチック構造体を高い精度で作製することができる。なお、超短パルスレーザーの照射により前記のような隆起物が形成されるメカニズムは、まだ詳細には解析されていない。ガラス転移温度が常温（２３℃）未満にある耐熱性の低いプラスチック材料の内部に超短パルスレーザー（フェムト秒パルスレーザー）をライン状に移動させて照射すると、隆起物が形成されるよりも、図３に示されるように、プラスチックシート１の表面部分が内部に陥没した孔や溝2cが形成される場合が多い。一方、ガラス転移温度が常温（２３℃）以上で且つ７０℃程度以下のプラスチック材料の内部に超短パルスレーザーをライン状に移動させて照射すると、図５で示されるように、プラスチック材料の内部に空洞やクラック、溶融・再固化物2dが形成される場合が多い。しかし、ガラス転移温度が１００℃以上のプラスチック材料の内部に、超短パルスレーザーをライン状に移動させて照射すると、図１や図２に示されるようにプラスチック内部から隆起が起こる現象が観察され、プラスチック表面に精密に隆起物を作製することができる。なお、プラスチックシート１としては、隆起物を形成する前の状態のプラスチックが、１００℃以上のガラス転移温度を有するものを特に好適に用いることができるが、前記隆起物を形成することができるものであれば、隆起物を形成する前の状態のプラスチックのガラス転移温度は、１００℃未満、例えば、常温（例えば、２３℃）以上１００℃未満（好ましくは７０℃以上１００℃未満）であってもよい。
【００３３】
しかしながら、隆起物を形成する前の状態のプラスチックに係るガラス転移温度と、超短パルスレーザーの照射により形成される隆起物との関係は、まだ定かではない。超短パルスレーザーが極めて高いエネルギーを有していることから、照射スポットが高温になりプラスチックが溶融状態になることが考えられる。そのため、超短パルスレーザーの照射により最も高められるプラスチック材料の内部の温度が一定（該最も高温に高められる一定温度をＴ0とする）と仮定すると、例えば、ガラス転移温度（Ｔｇ）が低いプラスチック材料では、内部が高温に高められる一定温度Ｔ0と、ガラス転移温度Ｔｇとの差（Ｔ0−Ｔｇ）が大きく又は広くなるので、ガラス転移温度Ｔｇ以上の温度となって十分な運動性を得る時間的・空間的な範囲が大きく又は広くなることが予測される。具体的には、超短パルスレーザーの照射により、前記一定温度Ｔ0まで温度が上昇する過程で、プラスチック材料は膨張し、その後、照射位置又は焦点が移動することにより、前記一定温度Ｔ0から常温にまで温度が低下して冷却される冷却過程になると、Ｔ0とＴｇとの差（Ｔ0−Ｔｇ）が大きい又は広いので、常温にまで温度が低下するまでに運動できる時間的・空間的な範囲が大きく又は広くなり、その結果として表面層の吸い込み・陥没が起こり、孔や溝が形成されると思われる。逆に、ガラス転移温度が高いプラスチック材料では、（Ｔ0−Ｔｇ）が小さく又は狭く、超短パルスレーザーの照射による溶融領域が、照射スポット（照射位置又は焦点）の近辺又は周辺に限定され、ガラス転移温度Ｔｇ以上の温度となって十分な運動性を得る時間的・空間的な範囲が小さく又は狭くなり、しかも、Ｔ0から常温にまで温度低下する冷却過程で、（Ｔ0−Ｔｇ）の温度幅が小さい又は狭いので、より速く又は直ぐに固化状態になり、一定温度Ｔ0まで温度が上昇する過程で膨張した膨張状態に近い形状が固定又は保持され、その結果として、マグマの噴火で火山が形成されるように、表面に隆起物が形成されるものと思われる。すなわち、ガラス転移温度の低いプラスチック材料（耐熱性の低い材料）では、溶融状態の範囲が表面を含む広範囲に及び、結果として表面層の吸い込み・陥没が起こり、孔や溝が形成されるのに対し、ガラス転移温度の高いプラスチック材料（耐熱性の高い材料）では溶融領域がスポット近辺に限定され、マグマの噴火で火山が形成されるように、表面に隆起物が形成されるものと思われる。
【００３４】
このように、レーザー照射に付すプラスチック（隆起物を形成する前の状態のプラスチック）の熱的な性質としては、アモルフアス・プラスチックでは、ガラス転移温度が常温（２３℃）以上であることが望ましい。特に、本発明では、隆起物を形成する前の状態のプラスチックとしては、前述のようなガラス転移温度と隆起物との関係から、ガラス転移温度（Ｔｇ）が１００℃以上であることが最適である。
【００３５】
隆起物を形成する前の状態のプラスチックにおいて、熱的性質は、隆起物を形成する時の形成因子として働くだけでなく、隆起物形成後の安定性にも影響を与えるため重要である。
【００３６】
隆起物形成後の安定性については、プラスチックの緩和現象による構造変化が関係し、ガラス転移温度が低い材料では緩和が起こり易く生成した隆起物の構造が不安定になる。
【００３７】
このようなパルスレーザー照射に使用されるプラスチックとしては、共重合体を含めた単一化学構造のポリマー材料からなるものだけでなく、異なる化学構造を有する複数のポリマー材料からなるポリマーアロイやポリマーブレンドでもよい。このようなポリマーアロイやポリマーブレンドの場合、プラスチックを構成するプラスチック材料の１成分以上が常温以上（好ましくは７０℃以上、特に１００℃以上）のガラス転移温度を有していることが重要である。
【００３８】
また、パルスレーザー照射に使用されるプラスチックとしては、無機化合物や金属などの他の材料を分散状態で含んだ複合体であってもよく、異なるプラスチックや他の材料からなる層を含んだ２以上の層構造からなる積層体であってもよい。
【００３９】
具体的には、前記ポリマー材料の代表的な例として、例えば、メタクリル樹脂、スチレン系樹脂、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリスルホン（ポリサルホン）、ポリエーテルスルホン（ポリエーテルサルホン）、ポリエーテルエーテルケトン等の熱可塑性樹脂などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００４０】
［超短パルスレーザー］
使用する超短パルスレーザーとしては、チタン・サファイア結晶を媒質とするレーザーや色素レーザーを再生・増幅して得られたフェムト秒パルスレーザーなどが好都合であり、使用されるパルス幅は１０-12秒から１０-15秒のオーダーのものが該当するが、通常は１００フェムト秒（１０-13秒）程度のものが使用される。使用波長は、可視光領域の４００ｎｍから８００ｎｍ、繰り返しは１Ｈｚから８０ＭＨｚの範囲で、通常は１０Ｈｚから５００ｋＨｚ程度の条件で使用される。レーザーパルスの出力は、数ｍＷから数百ｍＷ程度で使用される。
【００４１】
なお、プラスチック材料に対して、内部における単位体積当たりに照射されるエネルギーは、超短パルスレーザーの照射エネルギー、プラスチック材料に照射する際に用いられる対物レンズの開口数（光源の絞り込み）、プラスチック材料への照射位置又は焦点の深さ、レーザーの焦点の移動速度などに応じて決められる。
【００４２】
また、本発明では、超短パルスレーザーの平均出力又は照射エネルギーとしては、特に制限されず、目的とする隆起物の大きさや形状等に応じて適宜選択することができ、例えば、５００ｍＷ以下（例えば、１〜５００ｍＷ）、好ましくは５〜３００ｍＷ、さらに好ましくは１０〜１００ｍＷ程度の範囲から選択することができる。前述のように、プラスチックは、無機ガラス材料に比べて熱伝導性やガラス転移温度が低く、無機ガラス材料と同じような励起構造を形成するのに必要な照射エネルギーとしては、無機ガラス材料に必要な照射エネルギーの１／１０〜１／１００程度に低くすることができる。
【００４３】
また、超短パルスレーザーの照射スポット径としては、特に制限されず、目的の隆起物の大きさやその形状、レンズの大きさや開口数又は倍率などに応じて適宜選択することができ、例えば、０．１〜１０μｍ程度の範囲から選択することができる。
【００４４】
なお、レンズ４は、レーザー３の光線の焦点を絞って合わせるために用いている。従って、レーザーの焦点を絞って合わせる必要が無い場合は、レンズを用いる必要はない。レンズ４の開口数（ＮＡ）は、特に制限されず、対物レンズの倍率に応じて変更することができ、通常は、倍率としては１０〜５０倍、開口数としては０．３〜０．８程度の範囲から選択される。
【００４５】
このようにして形成された精密な凹凸構造を表面に有するプラスチック構造体は、そのままプラスチック部材として使用されてもよいし、貼り合わせや接合や組み立てなどによる他の部材との複合部材として使用してもよい。また、無電解メッキや蒸着などにより導電性の賦与を行なったり、スタンピング用のマスター金型化してもよい。
【００４６】
本発明のプラスチック構造体は精密に制御された凹凸構造を有しているので、拡散板や散乱素子などの光機能部材や、精密な空間や流路などを形成するスペーサー機能を利用したマイクロマシーンやセンサー、電気的探針、バイオ機器、マイクロリアクターチップ、埋め込み型人工臓器などに利用できる。
【００４７】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
【００４８】
実施例１
０．５ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が２２０℃のポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）シートの内部（深さ５μｍ）に、照射波長８００ｎｍ、パルス幅１５０フェムト秒、繰り返し２００ｋＨｚのチタン・サファイア・フェムト秒パルスレーザーを、照射エネルギー７．０ｍＷ、対物レンズの倍率１０倍で、照射スポット約３μ径、照射方向に対して直角方向のサンプルの移動速度２５μｍ／秒の条件で照射した。
【００４９】
実施例２
３．０ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が１０５℃のメチル・メタクリレート（ＰＭＭＡ）シートの内部（深さ５μｍ）に実施例１と同じパルスレーザーを、実施例１と同じ条件で照射した。
【００５０】
比較例１
０．５ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が１５℃のウレタン系ゴムのシートの内部（深さ５μｍ）に実施例１と同じパルスレーザーを、実施例１と同じ条件で照射した。
【００５１】
実施例３
０．５ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が２２０℃のポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）シートの内部（深さ３０μｍ）に、照射波長８００ｎｍ、パルス幅１５０フェムト秒、繰り返し２００ｋＨｚのチタン・サファイア・フェムト秒パルスレーザーを、照射エネルギー４０ｍＷ、対物レンズ１０倍で照射スポット約３μ径、照射方向に対して直角方向のサンプルの移動速度５００μｍ／秒の条件で、ライン間隔が２５μｍの５本の平行ライン状となるように焦点を移動させて、照射した。
【００５２】
実施例４
０．５ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が１６０℃のポリカーボネート（ＰＣ）シート内部（深さ３０μｍ）に実施例３と同じ超短パルスレーザーを、実施例３と同じ条件で照射した。
【００５３】
実施例５
３．０ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が１０５℃のメチル・メタクリレート（ＰＭＭＡ）シートの内部（深さ３０μｍ）に実施例３と同じ超短パルスレーザーを、実施例３と同じ条件で照射した。
【００５４】
比較例２
０．５ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が１５℃のウレタン系ゴムのシートの内部（深さ３０μｍ）に実施例３と同じ超短パルスレーザーを、実施例３と同じ条件で照射した。
【００５５】
比較例３
０．５ｍｍ厚さの、ガラス転移温度が６５℃のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シートの内部（深さ３０μｍ）に実施例３と同じ超短パルスレーザーを、実施例３同じ条件で照射した。
【００５６】
評価及び評価結果
パルスレーザーを照射した各サンプルについて、光干渉顕微鏡（菱化システム社製）並びに反射型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（日立製作所社製）を用いて、表面並びに断面の形態及び形状の観察を行った。結果を表１又は表２に示す。
【００５７】
【表１】
【表２】
【発明の効果】
本発明により、環境汚染やリサイクルなどの環境問題を生じさせることなく表面の所望の部位に精密な凹凸構造が形成されたプラスチック構造体が提供される。このプラスチック構造体は光機能部材などの機能部材として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラスチック構造体の一例を模式的に示す鳥瞰図である。円錐状の隆起物が形成されて、表面に精密な凹凸構造を有している状態を示す。
【図２】本発明のプラスチック構造体の他の例を模式的に示す鳥瞰図である。釣り鐘状の隆起物が形成されて、表面に精密な凹凸構造を有している状態を示す。
【図３】本発明のような隆起物が形成されない一例を模式的に示す鳥瞰図である。陥没した孔が形成された状態を示す。
【図４】本発明のプラスチック構造体の形成方法の一例を示す概略鳥瞰図である。
【図５】本発明のような隆起物が形成されない一例を模式的に示す鳥瞰図である。内部に空洞やクラック、溶融・再固化物が形成された状態を示す。
【符号の説明】
１ プラスチックシート
2a 円錐状の隆起物
2b 釣り鐘状の隆起物
2c 陥没した孔
1a プラスチックシート１の表面
Ｔ プラスチックシート１の厚さ
３ パルス幅が１０-12秒以下である超短パルスレーザー
４ レンズ
５ レーザー３の焦点
６ レーザー３の照射方向
７ レーザー３の焦点５の移動方向
８ レーザー３の焦点５をライン状に移動させる際のライン
ｄ プラスチックシート１の表面1aと、レーザー３の焦点５との距離
Ｌ ライン８における近接したライン間の間隔
2d 溶融・再固化物
Claims (8)
- プラスチック表面に、該プラスチック内部から隆起して形成された底面の直径０．３〜３０μｍ、高さ０．１〜１０μｍの円錐状ないし釣り鐘状の隆起物を、直径と同じかそれ以上の間隔を置いて複数個有し、
隆起物が、プラスチック内部に外部よりパルス幅１０ -12 秒以下の超短パルスのレーザーを、プラスチック表面から５〜１５０μｍの深さに焦点を合わせて照射することにより形成されたものであり、
超短パルスのレーザーの照射エネルギーが、５００ｍＷ以下であり、
隆起物を形成する前の状態のプラスチックが、１００℃以上のガラス転移温度を有し、かつ、４００〜８００ｎｍの可視光波長領域において１０％以上の透過率を有するプラスチックであることを特徴とするプラスチック構造体。 - 隆起物を形成する前の状態のプラスチックが、ポリマー材料と他の材料との複合体である請求項１記載のプラスチック構造体。
- 隆起物を形成する前の状態のプラスチックが、二つ以上の層構造からなる積層体である請求項１又は２記載のプラスチック構造体。
- プラスチック内部に外部よりパルス幅１０-12秒以下の超短パルスのレーザーを、該超短パルスのレーザーの照射方向に対して垂直な方向に且つプラスチック表面に対して平行な方向に、超短パルスのレーザーの焦点をライン状に移動させながら照射することにより、前記請求項１〜３の何れかの項に記載のプラスチック構造体を作製することを特徴とするプラスチック構造体の形成方法。
- 超短パルスのレーザーの焦点をライン状に移動させる際のラインが複数有り、各ライン同士が平行である請求項４記載のプラスチック構造体の形成方法。
- プラスチック及び超短パルスのレーザー光源のうちいずれか一方を、他方に対して相対的に移動させることにより、超短パルスのレーザーの焦点をライン状に移動させている請求項４又は５記載のプラスチック構造体の形成方法。
- ライン状に移動する超短パルスのレーザーの焦点の移動速度が、１０〜１，０００μｍ／秒である請求項４〜６の何れかの項に記載のプラスチック構造体の形成方法。
- 焦点をライン状に移動させながら照射された複数のラインにおいて、近接したライン間の間隔が、１０〜１００μｍである請求項４〜７の何れかの項に記載のプラスチック構造体の形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001109461A JP4610120B2 (ja) | 2000-08-23 | 2001-04-09 | プラスチック構造体及び該プラスチック構造体の形成方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000253189 | 2000-08-23 | ||
| JP2000-253189 | 2000-08-23 | ||
| JP2001109461A JP4610120B2 (ja) | 2000-08-23 | 2001-04-09 | プラスチック構造体及び該プラスチック構造体の形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002137291A JP2002137291A (ja) | 2002-05-14 |
| JP4610120B2 true JP4610120B2 (ja) | 2011-01-12 |
Family
ID=26598343
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001109461A Expired - Fee Related JP4610120B2 (ja) | 2000-08-23 | 2001-04-09 | プラスチック構造体及び該プラスチック構造体の形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4610120B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE60320681T2 (de) * | 2002-10-31 | 2009-06-10 | Sharp K.K. | Regenerator, verfahren zur herstellung des regenerators, system zur herstellung des regenerators und stirling-kältemaschine |
| JP5081694B2 (ja) * | 2008-03-31 | 2012-11-28 | 積水化学工業株式会社 | マイクロリアクター用樹脂基板 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03106944A (ja) * | 1989-08-18 | 1991-05-07 | Ciba Geigy Ag | 任意形状のプラスチック製品に特殊効果をもつレーザーマーキングを行なう方法 |
| JPH08508207A (ja) * | 1992-08-20 | 1996-09-03 | イー・アイ・デユポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー | レーザー放射線を使用して配向した重合体基質の微細構造表面を得る方法 |
| JP2000047046A (ja) * | 1998-07-31 | 2000-02-18 | Toshiyuki Watanabe | 屈折率分布型光学成形体の製造方法 |
| JP2000095885A (ja) * | 1998-09-22 | 2000-04-04 | Agency Of Ind Science & Technol | 導電性高分子材料の表面処理方法 |
-
2001
- 2001-04-09 JP JP2001109461A patent/JP4610120B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03106944A (ja) * | 1989-08-18 | 1991-05-07 | Ciba Geigy Ag | 任意形状のプラスチック製品に特殊効果をもつレーザーマーキングを行なう方法 |
| JPH08508207A (ja) * | 1992-08-20 | 1996-09-03 | イー・アイ・デユポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー | レーザー放射線を使用して配向した重合体基質の微細構造表面を得る方法 |
| JP2000047046A (ja) * | 1998-07-31 | 2000-02-18 | Toshiyuki Watanabe | 屈折率分布型光学成形体の製造方法 |
| JP2000095885A (ja) * | 1998-09-22 | 2000-04-04 | Agency Of Ind Science & Technol | 導電性高分子材料の表面処理方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002137291A (ja) | 2002-05-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shin et al. | Monolithic digital patterning of polydimethylsiloxane with successive laser pyrolysis | |
| Ebert et al. | Targets with cone-shaped microstructures from various materials for enhanced high-intensity laser–matter interaction | |
| Wang et al. | Femtosecond laser-induced modification of surface wettability of PMMA for fluid separation in microchannels | |
| CN111673285B (zh) | 纳秒激光辐照诱导非晶碳表面形成微纳米多层结构的方法 | |
| Mulko et al. | Structuring and functionalization of non-metallic materials using direct laser interference patterning: a review | |
| KR20120007381A (ko) | 패턴 제조 방법 | |
| JP4565754B2 (ja) | プラスチック構造体 | |
| US20140295145A1 (en) | Lipophilic laminate, method for manufacturing the same, product, and method for manufacturing the same | |
| KR20060114710A (ko) | 미세한 구멍이 형성된 연신 폴리테트라플루오르에틸렌다공질체 및 그 제조방법 및 어블레이션가공방법 | |
| Jensen et al. | Rapid prototyping of polymer microsystems via excimer laser ablation of polymeric moulds | |
| JP4610120B2 (ja) | プラスチック構造体及び該プラスチック構造体の形成方法 | |
| JP3783862B2 (ja) | 微小隆起物を有する構造体形成用金型の作製方法および該金型を用いた微小隆起物を有する構造体の製造方法 | |
| CN109132998A (zh) | 单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法 | |
| JP3976585B2 (ja) | プラスチック構造体の形成方法 | |
| JP3794981B2 (ja) | 微小孔部を有する構造体形成用金型の作製方法および該金型を用いた微小孔部を有する構造体の製造方法 | |
| JP3976584B2 (ja) | プラスチック構造体の形成方法 | |
| JP3919493B2 (ja) | プラスチック三次元回路素子及びその製造方法 | |
| Yang et al. | Micropatterned cell‐repellent interface using femtosecond laser direct writing to engineer controlled cell organization | |
| US20210187668A1 (en) | Systems and methods for formation of continuous channels within transparent materials | |
| JP2004283871A (ja) | 微小孔部を有するプラスチック構造体の製造方法及び該製造方法による微小孔部を有するプラスチック構造体 | |
| JP4488667B2 (ja) | 光学機能部品用接続材料および光学機能部品の接続方法 | |
| JP3768177B2 (ja) | 低弾性プラスチック微細隆起構造体および該低弾性プラスチック微細隆起構造体を用いた接続方法 | |
| JP2004133001A (ja) | マイクロレンズ及びその製造方法 | |
| Wang et al. | Femtosecond laser pulse inducing hydrophilicty and hydrophobicity on polycarbonate surfaces | |
| JP4079731B2 (ja) | 光散乱反射板及びその作製方法、並びに反射型液晶表示装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20071113 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100617 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100622 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100819 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20101012 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20101012 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131022 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |