JP4851840B2 - 構造複製方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は構造を複製する方法及び装置に関し、より詳しくは、構造を連続的に複製する方法及び装置に関する。

微細な３次元構造は、構造化塗布研磨材料、再帰性反射材料、フレネルレンズ、及びメカニカルファスナーなどの構成要素として広く使用されている。例えば、微細なキューブコーナー、三角錐、ピラミッド、縞のような形状が平面の上に連続的に設けられた３次元構造などが例示される。このような構造は、工業的には、３次元構造の反転形状を有する鋳型に樹脂を注型して、３次元構造を複製することにより形成されている。

特許文献１及び２等には、表面に複製対象である構造の反転形状を有するフィルム状製造用具を用いて、微細な３次元構造を連続的に複製する方法及び装置が記載されている。これらは、基本的には、フィルム状製造用具を送り出しながら、固化可能な樹脂を含む組成物をフィルム状製造用具の、該構造の反転形状に塗布し、その上に基材をラミネートし、該組成物を固化させた後に、固化した樹脂からフィルム状製造用具を剥離する、というものである。

従来の構造の複製方法は、成形対象である組成物が比較的低粘度である場合には有効である。しかしながら、高粘度の樹脂や組成物は、製造用具の構造面に単に塗布したのでは構造内に侵入し難く、空気のかみ込み等が生じて、構造が正確に複製され難い問題がある。

他方、減圧ダイコーターは従来から知られている。例えば、特許文献３には、塗布ムラを防止するために、減圧ダイコーターを用いて基材に塗膜を形成することが記載されている。特許文献３の図１には、塗布液１４の吐出口１６ａを有するスロットダイ１３を用いてウェブ１２に塗膜１４ｂを形成する態様が示されている。この図１には明記されていないが、スロットダイ１３下部の空白部は減圧チャンバーを示している。

この塗布態様では、被塗物であるウェブ１２は支持ロール１１に巻き付けられている。そうすると、ウェブ１２は支持ロール１１の方向に移動することはできず、ウェブ１２の被塗布面と吐出口との間には、塗布膜厚に応じて必ず隙間が形成される。つまり、ウェブの被塗布面がスロットダイ１３の吐出口の面１８ａと密着することはない。その結果、従来の減圧ダイコーターは、必然的に、塗布液が減圧チャンバーに向かって逆流する構造になっている。

そのため、従来の減圧ダイコーターは、減圧チャンバーの減圧度を十分に高めることはできず、被覆手段としてこれらを用いても、高粘度の樹脂組成物を、製造用具の構造内へ有効に侵入させることは困難である。
特表平８−５０５５７２号公報 特表平９−５０２６６５号公報 特開２００３−２３６４３４

本発明は上記従来の問題を解決するものであり、その目的とするところは、成形対象である組成物が比較的高粘度であっても、構造が正確に複製される、構造複製方法及び装置を提供することにある。

本発明は、
表面と裏面とを有し、表面に複製対象である構造の反転形状を有するフィルム状製造用具を提供する工程；
該フィルム状製造用具の表面に、減圧を適用する工程；
該反転形状を密閉することにより、適用された減圧度を維持する工程；
該反転形状に、成形対象である組成物を、十分な液圧をかけて充填する工程；及び
充填された該対象組成物を基材の上に固化転写する工程；
を包含する構造複製方法を提供する。

また、本発明は、
減圧口と、平坦なフィルム状製造用具支持面と、成形対象である組成物の吐出口と、ダイ塗布面とを、並列に有する減圧ダイコーター部；
表面と裏面とを有し、表面に複製対象である構造の反転形状を有し、表面が減圧ダイコーター部に相対するように設置されたフィルム状製造用具であって、
該表面が、
該減圧口を覆い、
該フィルム状製造用具支持面と実質的に接触し、
該吐出口及び該ダイ塗布面を覆い、
該ダイ塗布面に沿って一定間隔を維持している、
フィルム状製造用具；
吐出口ないしダイ塗布面に対応する位置でフィルム状製造用具を裏面から支持する手段；
該フィルム状製造用具を減圧ダイコーター部の減圧口から吐出口の方向に移動させる手段；及び
該反転形状に充填された成形対象である組成物を基材の上に固化転写する手段；
を有する構造複製装置を提供する。

本発明の方法及び装置によれば、フィルム状製造用具の構造の反転形状内部が、成形対象である組成物が充填されるまでの間、高い減圧度に維持される。また、該構造の反転形状に対し、成形対象である組成物の液圧が十分に適用される。その結果、成形対象である組成物は、構造の反転形状内の隅まで完全に侵入することができ、構造が正確に複製される。

図１は本発明の一実施形態である構造複製装置の構成を模式的に示した断面図である。この構造複製装置は、減圧ダイコーター部１、フィルム状製造用具２、及び支持ロール３を有している。減圧ダイコーター部１は減圧口４、フィルム状製造用具支持面５と成形対象である組成物の吐出口６、およびダイ塗布面９を並列に有している。ここでいう「並列に」とは、フィルム状製造用具支持面５が減圧口４と吐出口６との間に存在し、吐出口６がフィルム状製造用具支持面５とダイ塗布面９との間に存在すれば足りる意味である。

フィルム状製造用具２は、表面に、複製対象である構造の反転形状を有しているフィルムである。複製対象である構造、例えば微細構造は、好ましくは複数の突起部から構成される。突起部の底面形状は点状であっても棒状であってもよい。突起部の側面形状は、先端部が底面部よりも太くない形状であることを要する。先端部が底面部よりも太いと型抜きが困難になるからである。先端部が底面部よりも太くない形状の例は、立方体、円筒、角柱、円錐、円錐台、三角錐、四角錐、ピラミッド、キューブコーナーのような角錐、角錐台などである。

構造中、突起部の形状は全て同一であっても異なるものが混合していてもよい。また、突起部の配置は規則的になされていても不規則になされていてもよい。

突起部がこのような幾何学的形状である場合、底面の径または一辺の長さは５〜５００００μｍ、好ましくは１０〜１００００μｍ、より好ましくは２０〜５０００μｍ程度である。突起部の高さは２〜１００００μｍ、好ましくは５〜５０００μｍ、より好ましくは１０〜２０００μｍ程度である。突起部の密度は０．０４〜一千万個／ｃｍ^２、好ましくは１〜二百万個／ｃｍ^２、より好ましくは４〜五十万個／ｃｍ^２程度である。

フィルム状製造用具は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、または照射硬化性樹脂から形成してよい。フィルム状製造用具を作製する熱可塑性樹脂には、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリ(エーテルスルホン)、ポリ(メチルメタクリレート)、ポリウレタン類、ポリ塩化ビニル、ポリオレフィン、ポリスチレン、またはそれらの組合せが挙げられる。これら材料は実質的に、紫外線および可視光線に対して透明であってもよい。

熱可塑性樹脂には、原型用具を用いてエンボス加工して、複製対象である構造の反転形状を形成する。エンボス加工は、熱可塑性樹脂が流動性状態である内に行う。エンボス加工後、その熱可塑性樹脂を冷却し、固化する。エンボス加工に用いられる原型用具は、ニッケルのような金属製であり、その表面には予め複製対象である構造と同一の構造が形成されている。

フィルム状製造用具を作製する熱硬化性樹脂には、シリコン系樹脂、フッ素系樹脂等が挙げられる。フィルム状製造用具を作製する照射硬化性樹脂には、アクリレート化ウレタンオリゴマー等が挙げられる。

熱硬化性樹脂を用いてフィルム状製造用具を製造する場合は、まず、未硬化熱硬化性樹脂を原型用具の表面上に塗布する。そして、それを加熱により硬化または重合し、その原型用具表面のパターンの逆の形状を有するように固化する。次いで、その硬化熱硬化性樹脂を原型用具表面から外す。照射硬化性樹脂を用いてフィルム状製造用具を製造する場合は、硬化を放射線、例えば紫外線の照射により行う以外は、熱硬化性樹脂から作製した製造用具と同様に作製する。フィルム状製造用具は市販されているものを用いてもよい。

また、製造用具の構造の反転形状の表面は剥離被膜を有してもよく、そのことにより成形体から製造用具を剥離することが容易となる。そのような剥離被膜の例として、シリコーン類およびフルオロケミカルが含まれる。

フィルム状製造用具の表面に形成される反転形状は、複数の独立した凹部またはキャビティーにより構成されることが好ましい。凹部の開口部は、規則的または不規則な形状、例えば長方形、半円形、円形、三角形、正方形、六角形、八角形等を有する。その凹部の壁面は垂直または面取りをしていてもよい。凹部の配置は、規則的であっても不規則であってもよい。凹部の開口部の周囲は互いに接触していてもよい。凹部は長い溝状であってもよい。

フィルム状製造用具２は、複製対象である構造の反転形状を有する表面が減圧ダイコーター部に対向するように設置される。そして、フィルム状製造用具２は、上記表面が減圧口４を覆い、フィルム状製造用具支持面５と実質的に接触し、成形対象である組成物の吐出口６及びダイ塗布面９を覆うように設置される。

ここで、フィルム状製造用具２の表面がフィルム状製造用具支持面５と実質的に接触するとは、フィルム状製造用具２の表面上の構造の反転形状、例えば、個々の凹部が、減圧口４によって適用された減圧度を吐出口６に達するまで維持できることをいう。例えば、図１に示されているように、平坦なフィルム状製造用具支持面５に対し、フィルム状製造用具２の表面も平面として接触すれば、凹部の開口部の周囲がフィルム状製造用具支持面５と隙間なく接触する。そうすると、凹部が密閉されて減圧口４によって適用された減圧度は吐出口６に達するまで維持される。

ダイ塗布面９は、吐出口６からフィルム状製造用具支持面５と反対方向に伸張している連続面である。ダイ塗布面９は平坦でも湾曲していてもよい。そしてフィルム状製造用具の表面は、成形対象である組成物を介して、ダイ塗布面に沿ってほぼ一定間隔を維持している。つまり、フィルム状製造用具２はその表面がダイ塗布面９を包むように配置されている。

減圧ダイコーター部のダイ塗布面９に対応する位置には、フィルム状製造用具を裏面から支持する支持ロール３が設けられている。支持ロール３の位置は吐出口６の付近でもよく、吐出口６から離れた位置でもよい。支持ロール３の表面はゴム弾性を示す材料であることが好ましい。支持ロールは、好ましくはゴム硬度６０〜９０度である。

フィルム状製造用具２をダイ塗布面９を包むように配置し、ダイ塗布面９と成形対象である組成物８と製造用具２の表面が並存している位置に支持ロール３を押し当てることにより、複製対象である構造の反転形状に、成形対象である組成物を、十分な液圧をかけて充填することができる。

図２は、反転形状の密閉を維持するように、フィルム状製造用具２が減圧ダイコーター部１に接触する際の位置関係を示す平面図である（支持ロール３は非表示）。減圧口４の幅はフィルム状製造用具２の幅より狭く、成形対象である組成物の吐出口６の幅もフィルム状製造用具２の幅より狭い。その結果、減圧口４及び吐出口６共に、フィルム状製造用具２によって覆われている。

フィルム状製造用具２の経路を確定するのに必要であれば、ガイドロール７、７’等を用いてよい。また、フィルム状製造用具２を減圧口から吐出口の方向に移動させる手段、反転形状に充填された成形対象である組成物を基材の上に固化転写する手段は、例えば、特許文献１及び２に記載されているような、従来から知られている構成のものを用いればよい。

本発明の構造複製方法では、フィルム状製造用具２を減圧口４から吐出口６の方向に移動させながら、フィルム状製造用具２の表面に減圧口４から減圧を適用し、吐出口６から成形対象である組成物８を押出す。

フィルム状製造用具２の移動速度は特に限定されないが、一般に０．１〜１００（ｍ／分）、好ましくは０．５〜５０（ｍ／分）である。フィルム状製造用具２の移動速度が０．１ｍ／分未満であると生産性に問題が生じ、１００ｍ／分を越えると減圧度の維持が難しくなる。

減圧口４から適用される減圧度は構造の寸法、成形対象である組成物の粘度、周囲温度等を考慮して適宜決定される。一般には、１００ｍｍＨｇ以上、好ましくは３００ｍｍＨｇ以上、より好ましくは５００ｍｍＨｇ以上である。減圧口４の減圧度が１００未満であると、構造の凹穴に侵入した空気を除去する効果が得られない。

減圧口４により減圧が適用されたフィルム状製造用具２の反転形状は、次いで、フィルム状製造用具支持面５の領域に移動して、その開口部の周囲がフィルム状製造用具支持面５と隙間なく接触する。そうすると、反転形状は密閉された状態で、吐出口６に達するまでフィルム状製造用具支持面５の上を移動する。その結果、減圧口４によってフィルム状製造用具２の反転形状に対して適用された減圧度は吐出口６に達するまで維持される。

フィルム状製造用具２の反転形状が吐出口６に達したところで、成形対象である組成物８が該反転形状内部に充填される。成形対象である組成物８は、流動性を有し、固化可能な物質であれば特に限定されない。かかる物質は、一般には固化可能な樹脂を含む組成物である。固化可能な樹脂は熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、または照射硬化性樹脂であってよい。樹脂の固化は、溶剤を乾燥除去する方法、樹脂自体を熱又は光硬化反応させる方法、溶融されている樹脂を冷却凝固させる方法などにより行う。

成形対象である組成物の具体例には、構造化塗布研磨材の原料である研磨スラリー、再帰性反射材料、フレネルレンズ、及びメカニカルファスナー等の原料である樹脂組成物等が挙げられる。

成形対象である組成物は高粘度であってもよい。例えば、成形対象である組成物の粘度が塗布時温度において数十万ｃｐｓ位までであれば、本発明の方法及び装置により構造を複製することができる。つまり、本発明の方法及び装置によれば、１ｃｐｓ〜1０万ｃｐｓ程度までの広い範囲の樹脂を微細成形することができ、従来法よりも高分子量の樹脂を成形することが可能となる。成形する樹脂を高分子量化することは、成形後に成形体が収縮したり変形すること等を防止するために有効である。

成形対象である組成物８の押出し速度は、フィルム状製造用具２の表面の反転形状が少なくとも充填されるように、適宜調節される。

次いで、フィルム状製造用具２の表面の反転形状に充填された上記組成物を基材の上に固化転写する。成形対象である組成物を基材の上に固化転写する方法は、特許文献１及び２に記載されているような、従来から知られている構成のものを用いればよい。

例えば、フィルム状製造用具２の反転形状に充填された上記組成物の上に基材をラミネートし、得られた積層体を冷却、加熱または光照射等して上記組成物を固化し、次いで、フィルム状製造用具２を固化した成形体から剥離する。基材は一般にシート状材料を用いるが、用途に応じて適宜選択することができる。

以下の非限定的実施例により、更に本発明を説明する。実施例中の全ての部数、百分率、比等は、他に表示しない限り、重量基準である。

実施例１
表１に示す成分を混合して固化可能な樹脂組成物を調製した。

［表１］

表２に示す成分を混合して成形対象である組成物を調製した。この組成物の粘度を測定したところ、常温で約５０，０００ｃｐｓであった。

［表２］

多種類の四角錘パターン付ポリプロピレン製フィルム状製造用具（スリ−エム社製）を準備した。このフィルム状製造用具の反転形状は、独立したピラミッド型凹部から構成されている。凹部は開口部（正方形）の周囲が互いに接触するように規則的に配置されている。開口部の一辺は１５０〜７００μｍであり、凹部の深さは３６０μｍである。

図１に示すように構成した装置を用いて、成形対象である組成物をフィルム状製造用具に塗布した。塗布の際、装置の減圧度は７２０ｍｍＨｇに設定した。この上に、厚さ１２５μｍの易接着処理ポリエステルフィルムをラミネートした。得られた積層体に紫外線を照射して組成物を硬化させ、次いでフィルム状製造用具を剥離した。

図３は本発明の方法、装置により複製された構造の外観を模式的に示す部分拡大図である。ポリエステルフィルム１１の上面には、複数のピラミッド型複合材料１２が形成されている。複合材料１２は、バインダー１４内に拡散された複数のタルク粒子１３を有している。

本発明の方法、装置によれば、複製された組成物の、フィルム状製造用具の凹部への充填率は、成形対象である組成物が比較的高粘度であっても、９５％以上が確保できるようになり、これにより、例えば、複製対象である微細構造がピラミッドの形状でも、先端まで、正確に再現することが可能となった。

比較例
表３に示す成分を混合して固化可能な樹脂組成物を調製した。

［表３］

表４に示す成分を混合して成形対象である組成物を調製した。この組成物の粘度を測定したところ、常温で約３０，０００ｃｐｓであった。

［表４］

実施例１で用いたのと同じフィルム状製造用具を、反転形状を有する表面を外向きにして支持ロールに巻き付けた。この上に、特許文献３の図１に示されている従来の態様により、減圧ダイコーターを用いて、成形対象である組成物をフィルム状製造用具に塗布した。塗布の際、装置の減圧度は７１１ｍｍＨｇに設定した。この上に厚さ１２５μｍの易接着処理ポリエステルフィルムをラミネートした。得られた積層体に紫外線を照射して組成物を硬化させ、次いでフィルム状製造用具を剥離した。

従来の方法、装置により複製された組成物の、フィルム状製造用具の凹部への充填率は、成形対象である組成物が比較的高粘度であった場合、７０％程度になり、例えば、複製対象である微細構造がピラミッドの形状では、個々のピラミッドの先端部で、空気のかみ込みを起こし易くなり、ピラミッドの先端部の形状が、十分には、再現されない場合が認められた。

本発明の一実施形態である構造複製装置の構成を模式的に示した断面図である。 反転形状の密閉を維持するように、フィルム状製造用具２が減圧ダイコーター部１に接触する際の位置関係を示す平面図である。 本発明の方法、装置により複製された構造の外観を模式的に示す部分拡大図である。

符号の説明

１…減圧ダイコーター部、
２…フィルム状製造用具、
３…支持ロール、
４…減圧口、
５…フィルム状製造用具支持面、
６…成形対象である組成物の吐出口、
７、７’…ガイドロール、
９…ダイ塗布面。

Claims (2)

1. 表面と裏面とを有し、表面に複製対象である、複数の独立した凹部から構成された構造の反転形状を有するフィルム状製造用具を提供する工程；
   該フィルム状製造用具の表面に、減圧を適用する工程；
   該反転形状を密閉することにより、適用された減圧度を維持する工程；
   該反転形状に、成形対象である組成物を、該フィルム状製造用具を裏面から支持しながら、十分な液圧をかけて充填する工程；及び
   充填された該対象組成物を基材の上に固化転写する工程；
   を包含する構造複製方法。
2. 減圧口と、平坦なフィルム状製造用具支持面と、成形対象である組成物の吐出口と、ダイ塗布面とを、並列に有する減圧ダイコーター部；
   表面と裏面とを有し、表面に複製対象である、複数の独立した凹部から構成された構造の反転形状を有し、表面が減圧ダイコーター部に相対するように設置されたフィルム状製造用具であって、
   該表面が、
   該減圧口を覆い、
   該フィルム状製造用具支持面と実質的に接触し、
   該吐出口を覆っている、
   フィルム状製造用具；
   吐出口に対応する位置でフィルム状製造用具を裏面から支持する手段；
   該フィルム状製造用具を減圧ダイコーター部の減圧口から吐出口の方向に移動させる手段；及び
   該反転形状に充填された成形対象である組成物を基材の上に固化転写する手段；
   を有する構造複製装置。

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