JP5129050B2 - 中空構造体形成用基板及び中空構造体 - Google Patents

Description

本発明は、中空構造体、特にハニカム構造体の製造に用いられる中空構造体形成用基板に関する。特に、適切に規定された形状、寸法およびアスペクト比のセルに、溶媒中に分散した電荷を帯びた色素粒子（または着色粒子）が充填されているような電気泳動ディスプレイにおけるセルの製造方法に関する。

熱可塑性樹脂の中空構造体を形成する従来技術として、特許文献１、２に記載の発明が挙げられる。これらの文献に記載された発明では、熱可塑性樹脂中に熱可塑性樹脂高発泡体を規則的に配置して、熱により熱可塑性樹脂高発泡体を体積膨張させ、熱可塑性樹脂の中空構造体を形成している。
また、他の従来技術として特許文献３に記載の発明が挙げられる。この発明では、規則的に配置された複数個の凹部からなるガス貯留空間部分が構成されている基板を用いて、可塑性樹脂をガスの膨張圧力により延伸変形させて、ハニカム構造体を形成している。
特開平８−１１２８７３号公報 特開平１０−８０９６４号公報 特開２００７−０９８９３０公報

しかしながら、特許文献１又は２に記載の発明では、熱分布の不均一性が発泡量をばらつかせるため、中空構造体の体積量が不均一となる。理論的には、熱分布を均一にすることができれば発泡量が一定になるが、実際には熱分布を均一にすることは難しい。
また、特許文献３に記載の発明では、ガスの膨張圧力により可塑性樹脂を延伸変形させているが、ガスの膨張圧力により基板の周辺部分の可塑性樹脂が基板から剥離するという問題がある。
図８は可塑性樹脂が塗布された基板の模式的断面図であり、（ａ）は可塑性樹脂の延伸変形前の様子を示し、（ｂ）は延伸変形中の様子を示す図である。
（ａ）に示すように中空構造体の作製は、凹部１０２を有する基板１０１に中空構造体材料として可塑性樹脂１０４を塗布して、加熱により凹部１０２内のガスを膨張させて可塑性樹脂１０４を延伸変形させることにより行う。このとき、（ｂ）に示すように、基板端部１０３の表面積が小さいため、凹部１０２内部のガスの膨張圧力で延伸変形中の中空構造体１０５のエッジ部分が基板１０１から剥離してしまう。剥離部分１０６は十分に延伸していないため、剥離部分１０６のセル１０７の体積が、剥離していない部分のセル１０８の体積より小さくなり、均一なハニカム構造体を形成できないという問題がある。
また、剥離を防止するため、基板と可塑性樹脂との親和性を良くし、可塑性樹脂と基板との密着性を向上させた場合、異なる問題が発生する。

図９は可塑性樹脂が塗布された基板の模式的断面図であり、（ａ）は可塑性樹脂の延伸変形前の様子を示し、（ｂ）は延伸変形中の様子を示す図である。（ａ）に示すように、基板１１０と可塑性樹脂１１２との親和性が良いため、可塑性樹脂１１２が基板１１０の凹部１１１に浸入し、空気の保持体積が小さくなる凹部１１３が発生する。このような状態の可塑性樹脂１１２をガスの膨張圧力により延伸変形させると、作製された中空構造体１１４には体積が小さいセル１１６が発生し、均一なハニカム構造体を形成できないという問題がある。
この問題を解決するため、凹部１１１における可塑性樹脂１１２との親和性を制御して、可塑性樹脂１１２を形成するときに凹部１１１に可塑性樹脂１１２が浸入せず、更にガスの膨張圧力により可塑性樹脂１１２を延伸変形させるときに基板１１０から可塑性樹脂１１２が剥離しないようにすることは不可能ではない。しかし、凹部１１１の可塑性樹脂１１２との親和性を定量的に制御することは難しい。特に連続して延伸膨張を行う場合、凹部１１１の可塑性樹脂との親和性は毎回変化するため、この親和性を一定に制御しながら連続して延伸膨張を行うことは不可能に近い。

ここで、上述の従来例の問題点について、中空構造体形成用基板としてＣｕ基板を用いた例により具体的に説明する。
［従来例］
Ｃｕ基板に直径が１２０〜１４０μｍで深さが３０〜４０μｍの凹部を、中心間隔が１５０μｍで六方最密になるようにエッチングで形成する。
可塑性樹脂としてゼラチン樹脂を用いる。ゼラチン樹脂は、ＭＣ−２４３（ゼライス株式会社製、粉末）を使用し、水に１５〜２０ｗｔ％の濃度となるように溶解させる。
この基板上にゼラチン樹脂の厚みが３０〜６０μｍとなるようにスリットコーターを用いて膜を形成する。ゼラチン樹脂膜を形成後、５〜２０ｋＰａの減圧環境にし、凹部の空気を膨張させてゼラチン樹脂を延伸変形させる。
Ｃｕ基板の表面の処理を行わない場合、最初のゼラチン樹脂の延伸変形およびＣｕ基板からのゼラチン中空構造体の離型は良好である。離型は、粘着シートにゼラチン中空構造体を転写して行う。しかし、２回目以降に連続してＣｕ基板を使用するとＣｕ基板の表面が親水性にシフトし、ゼラチン樹脂に対し親水性が強くなり、Ｃｕ基板の凹部にゼラチン樹脂が浸入する。そのため、中空部分の体積が不均一になるだけでなく、延伸変形させた中空構造体をＣｕ基板から離型することができない。従って、ゼラチン樹脂とＣｕ基板との親和性を疎水性にする必要がある。

Ｃｕ基板を疎水性にするため、フッ素処理やチオール処理を行う。フッ素処理は、オプツールＤＳＸ（ダイキン工業株式会社製）をハイドロフルオロエーテル ノベックＨＦＥ７２００（住友スリーエム株式会社製）に０．１〜１．０ｗｔ％希釈した溶液をＣｕ基板に塗布した後、乾燥させることにより行う。また、チオール処理は、ヘキサデカンチオールをエタノールに０．５〜３．０ｍＮ希釈した溶液をＣｕ基板に塗布した後、乾燥させることにより行う。
フッ素処理やチオール処理を行った直後のＣｕ基板は、疎水性が強く、ゼラチン樹脂を延伸変形させるとＣｕ基板からゼラチン樹脂が剥離し、良好な中空構造体を形成することができない。ゼラチン樹脂の延伸変形を繰り返すごとに、Ｃｕ基板の疎水性が低下する。
何回かゼラチン樹脂の延伸変形をさせると、Ｃｕ基板表面のゼラチン樹脂に対する親和性は、延伸変形のときにＣｕ基板からゼラチン樹脂が剥離せず、かつゼラチン中空構造体を離型できるような状態となる。更にゼラチン樹脂を延伸変形させると、Ｃｕ基板表面のゼラチン樹脂に対する親和性が親水性となり、中空部分の体積が不均一になるだけでなく、延伸変形させた中空構造体をＣｕ基板から離型することができない。

このような従来例においては、良好にゼラチン中空構造体を形成できるＣｕ基板の親和性の範囲が小さく、ゼラチン樹脂の延伸変形は、連続して１〜５回程度行うのがやっとである。また、Ｃｕ基板によっては、疎水性がＣｕ基板面内で不均一のため、ゼラチン樹脂がＣｕ基板から剥離する部分もあるが、離型もできない部分もある状態となる。このような場合、良好にゼラチン中空構造体を形成できない。このようにして作製されたゼラチン中空構造体は、一応ハニカム構造となるが、均一なハニカム構造とならない。
図１０、図１１は、従来例により作製されたゼラチン中空構造体の写真である。例えば、図１０のようにハニカムの深さが不均一となったり、図１１のように延伸変形時に隣接するセルと合一したりする。
以上のように、従来の中空構造体形成用基板で中空構造体を安定して作製することは難しい。
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、面積が大きく均一な中空構造体を作製することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、複数の凹部からなるガス貯留空間部を備えた基板表面に可塑性材料膜を形成し、前記ガス貯留空間部に閉じこめられたガスの膨張圧力により前記可塑性材料膜を延伸変形させて中空構造体を作製するための中空構造体形成用基板であって、前記ガス貯留空間部を包囲して、前記中空構造体を作製する際に前記可塑性材料膜が接触する平坦部を備え、前記平坦部の幅は、前記凹部の径よりも幅広に設定され、前記可塑性材料膜が水溶性であり、前記平坦部が親水性であることを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の中空構造体形成用基板において、前記ガス貯留空間部が疎水性であることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、複数の凹部からなるガス貯留空間部を備えた基板表面に可塑性材料膜を形成し、前記ガス貯留空間部に閉じこめられたガスの膨張圧力により前記可塑性材料膜を延伸変形させて中空構造体を作製するための中空構造体形成用基板であって、前記基板の端部に平坦部を備え、該平坦部以外の前記基板表面に前記ガス貯留空間部を配置し、前記可塑性材料膜が水溶性であり、前記平坦部が親水性であることを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一項に記載の中空構造体形成用基板を用いて作製された中空構造体を特徴とする。

本発明によれば、面積が大きく均一な中空構造体を作製することが可能となる。

［実施例１］
本発明の実施例１について、図１乃至図４に基づいて説明する。図１は、中空構造体形成用基板を示す平面図である。図２は、中空構造体形成用基板に可塑性樹脂を塗布する様子を模式的に示した断面図である。図３は、可塑性樹脂を塗布した中空構造体形成用基板の模式的断面図であり、（ａ）は可塑性樹脂の延伸変形前の様子を示し、（ｂ）は延伸変形中の様子を示す図である。図４は、延伸変形後のゼラチン中空構造体を粘着シートに転写して離型を行う様子を示す図であり、（ａ）は離型前の様子を示し、（ｂ）は離型後の様子を示す図である。
実施例１では、図１に示すように、中空構造体形成用基板としてシリコン基板１を用いる。シリコン基板１に直径が１２０〜１４０μｍで深さが３０〜４０μｍの凹部２を、中心間隔が１５０μｍで六方最密になるようにエッチングで形成し、ガス貯留空間部３を形成する。シリコン基板１の端部には凹部、すなわちガス貯留空間部３が形成されていない平坦部４を設ける。
可塑性樹脂としてゼラチン樹脂を用いる。ゼラチン樹脂は、ＭＣ−２４３（ゼライス株式会社製、粉末）を使用し、水に１５〜２０ｗｔ％の濃度となるように溶解させる。

図２に示すように、シリコン基板１上にゼラチン樹脂の厚みが３０〜６０μｍとなるようにスリットコーターＳを用いてゼラチン樹脂膜Ｇを形成する。
図３（ａ）に示すように、ゼラチン樹脂膜Ｇを形成後、シリコン基板１を５〜２０ｋＰａの減圧環境にし、（ｂ）に示すように、凹部２内部の空気を膨張させてゼラチン樹脂膜Ｇを延伸変形させて、ゼラチン中空構造体５を形成する。本実施例においては平坦部４を設け、シリコン基板１の端部においてゼラチン樹脂膜Ｇとシリコン基板１との接触部分を大きくしたので、延伸変形のときに凹部２内部の空気が膨張しても、シリコン基板１からゼラチン樹脂膜Ｇが剥離しない。
図４に示すように延伸変形後のゼラチン中空構造体５をフイルム７ａと粘着層７ｂとを備えた粘着シート７に転写して離型を行う。このようにして作製されたゼラチン中空構造体は、壁厚さが２〜５μｍ、深さが７０μｍ、周期が１５０μｍのハニカム構造となる。

更に中空構造体形成用基板がシリコン基板の場合、ゼラチン樹脂膜の延伸変形、及びゼラチン中空構造体の離型を１０回以上連続して行えることを確認した。
特許文献３に記載の発明では、ガスの膨張圧力により可塑性樹脂を延伸変形させるとき基板端部で剥離が発生する。これは、可塑性樹脂と基板との接触部分が小さいため、剥離しやすいことが原因である。基板の中心部分ではガスの膨張圧力が均一にかかるため剥離しにくいが、中空構造体のエッジ部分にはガスの膨張圧力が不均一にかかるため基板端部の中空構造体は剥離しやすい。従って、本実施例のように基板端部にダミーの接触領域を設け、可塑性樹脂と基板との接触部分を大きくすれば剥離しにくくなる。
このように、本実施例においては、基板端部に平坦部分を設け、塑性変形膜と基板との接触面積を大きくしているので、内部のガスが膨張しても塑性変形膜が基板から剥離することを防止し、体積が均一な中空構造体を作製することができる。

［実施例２］
本発明の実施例２について図５に基づいて説明する。図５は、実施例２における中空構造体成形用基板の断面図である。実施例１においてはシリコン基板を用いた例により説明したが、シリコン基板に深さが３０〜４０μｍのエッチングを行うことは容易ではない。Ｃｕ基板のほうがエッチングが容易であるため、Ｃｕ基板を用いた例により説明する。
実施例１と同様に、Ｃｕ基板１１に直径が１２０〜１４０μｍで深さが３０〜４０μｍの凹部１２を、中心間隔が１５０μｍで六方最密になるようにエッチングで形成し、ガス貯留空間部１３を形成する。ガス貯留空間部１３周囲のＣｕ基板１１の端部には凹部１２が形成されていない平坦部１３を設ける。ガス貯留空間部１３を疎水性にするため、フッ素処理やチオール処理を行い、疎水性膜１３ａを形成する。フッ素処理は、オプツールＤＳＸ（ダイキン工業株式会社製）をハイドロフルオロエーテル ノベックＨＦＥ７２００（住友スリーエム株式会社製）に０．５〜２．０ｗｔ％希釈した溶液をＣｕ基板１１に塗布した後、乾燥させることにより行う。

また、チオール処理は、ヘキサデカンチオールをエタノールに１．０〜５．０ｍＮ希釈した溶液をＣｕ基板１１に塗布した後、乾燥させることにより行う。上述した従来例の疎水処理よりも濃度の高い溶液を用いて、ゼラチン樹脂膜ＧとＣｕ基板１１との疎水性を強くしている。
可塑性樹脂としてゼラチン樹脂を用いる。ゼラチン樹脂は、ＭＣ−２４３（ゼライス株式会社製、粉末）を使用し、水に１５〜２０ｗｔ％の濃度となるように溶解させる。
Ｃｕ基板１１上にゼラチン樹脂の厚みが３０〜６０μｍとなるようにスリットコーターを用いてゼラチン樹脂膜Ｇを形成する。ゼラチン樹脂膜Ｇを形成後、Ｃｕ基板１１を５〜２０ｋＰａの減圧環境にし、凹部１２内部の空気を膨張させてゼラチン樹脂膜Ｇを延伸変形させて、ゼラチン中空構造体（不図示）を形成する。ゼラチン中空構造体は実施例１と同様に粘着シートに転写して離型を行う。このようにして作製されたゼラチン中空構造体は、壁厚さが２〜５μｍ、深さが７０μｍ、周期が１５０μｍのハニカム構造となる。
更にガス貯留空間部１３を疎水処理したＣｕ基板の場合、ゼラチン樹脂膜Ｇの延伸変形、及びゼラチン中空構造体の離型を１０回以上連続して行えることを確認した。

実施例１では、可塑性樹脂を基板上に形成するとき可塑性樹脂が基板凹部に浸入してしまう場合がある。この場合、可塑性樹脂をガスの膨張圧力により可塑性樹脂を延伸変形させると、体積が小さい中空部分が発生し、均一なハニカム構造体を形成できない。特に可塑性樹脂が水溶性の場合、可塑性樹脂がガス貯留空間部に浸入しやすくなる。
これを防止するため、実施例２ではガス貯留空間部を疎水性にしている。従来例ではガス貯留空間部を疎水性にすると可塑性樹脂が基板から容易に剥離する。本実施例では、ガス貯留空間部を疎水性にしても、基板端部に平坦部分を設けていて剥離を防止しているので剥離しにくくなる。
このように、ガス貯留空間部を疎水性にすることにより、凹部内に塑性変形性膜が浸入せず、体積が均一な中空構造体を作製することができる。

［実施例３］
本発明の実施例３について、図６に基づいて説明する。図６は、実施例３における中空構造体成形用基板の断面図である。実施例１ではシリコン基板を用いたが、シリコンそのものはどちらかというと疎水性が強く、基板端部に平坦部２４を設けても、延伸変形時にゼラチンとシリコン基板が剥離する場合がある。そこで実施例３では、平坦部２４を親水性にした。
実施例１と同様に、シリコン基板２１に直径が１２０〜１４０μｍで深さが３０〜４０μｍの凹部２２を、中心間隔が１５０μｍで六方最密になるようにエッチングで形成し、ガス貯留空間部２３を形成する。シリコン基板２１の端部には凹部、すなわちガス貯留空間部２３が形成されていない平坦部２４を設ける。平坦部２４を親水性にするため、酸化シリコンや酸化チタンの親水性膜２４ａを形成する。
可塑性樹脂としてゼラチン樹脂を用いる。ゼラチン樹脂は、ＭＣ−２４３（ゼライス株式会社製、粉末）を使用し、水に１５〜２０ｗｔ％の濃度となるように溶解させる。
シリコン基板２１上にゼラチン樹脂の厚みが３０〜６０μｍとなるようにスリットコーターＳを用いてゼラチン樹脂膜Ｇを形成する。ゼラチン樹脂膜Ｇを形成した後、シリコン基板２１を５〜２０ｋＰａの減圧環境にし、凹部２２内部の空気を膨張させてゼラチン樹脂膜Ｇを延伸変形させる。
延伸変形のときに凹部２２からゼラチン樹脂膜Ｇの剥離は発生しない。延伸変形後のゼラチン中空構造体（不図示）を実施例１、２と同様に粘着シートに転写して離型を行う。このようにして作製されたゼラチン中空構造体は、壁厚さが２〜５μｍ、深さが７０μｍ、周期が１５０μｍのハニカム構造となる。

更にシリコン基板の場合、ゼラチンの延伸変形、及びゼラチン中空構造体の離型を１０回以上連続して行えることを確認した。
図７は、本実施例により作製されたハニカム構造体の写真である。体積が均一なハニカム構造体が形成されていることがわかる。
実施例１では基板端部を平坦にすることで剥離を防止しているが、更に平坦部における可塑性樹脂との親和性を良くすることが望ましい。このようにすることで、剥離を防止することが可能となる。本実施例において、可塑性樹脂が水溶性の場合、平坦部分を親水性にすることで剥離防止を図っている。
このように実施例３においては、平坦部分を親水性にすることにより、塑性変形性膜と基板との密着力を大きくし、内部のガスが膨張しても剥離することを防止し、体積が均一な中空構造体を作製することができる。
以上、本発明について実施例１乃至３に基づいて説明してきたが、本発明がこれらの実施例に示された形状、寸法に限定されるものでないことはいうまでもない。

中空構造体形成用基板を示す平面図である。 中空構造体形成用基板に可塑性樹脂を塗布する様子を模式的に示した断面図である。 可塑性樹脂を塗布した中空構造体形成用基板の模式的断面図であり、（ａ）は可塑性樹脂の延伸変形前の様子を示し、（ｂ）は延伸変形中の様子を示す図である。 延伸変形後のゼラチン中空構造体を粘着シートに転写して離型を行う様子を示す図であり、（ａ）は離型前の様子を示し、（ｂ）は離型後の様子を示す図である。 実施例２における中空構造体成形用基板の断面図である。 実施例３における中空構造体成形用基板の断面図である。 実施例３により作製されたハニカム構造体の写真である。 基板の模式的断面図であり、（ａ）は可塑性樹脂の延伸変形前の様子を示し、（ｂ）は延伸変形中の様子を示す図である。 基板の模式的断面図であり、（ａ）は可塑性樹脂の延伸変形前の様子を示し、（ｂ）は延伸変形中の様子を示す図である。 従来例により作製されたゼラチン中空構造体の写真である。 従来例により作製されたゼラチン中空構造体の写真である。

符号の説明

１…シリコン基板、２…凹部、３…ガス貯留空間部、４…平坦部、５…ゼラチン中空構造体、７…粘着シート、７ａ…フイルム、７ｂ…粘着層、１１…Ｃｕ基板、１２…凹部、１３…ガス貯留空間部、１３ａ…疎水性膜、１４…平坦部、２１…シリコン基板、２２…凹部、２３…ガス貯留空間部、２４…平坦部、２４ａ…親水性膜、Ｓ…スリットコーター、Ｇ…ゼラチン樹脂膜、１０１…基板、１０２…凹部、１０３…基板端部、１０４…可塑性樹脂、１０５…中空構造体、１０６…剥離部分、１０７…（剥離部分の）セル、１０８…（正常な）セル、１１０…基板、１１１…凹部、１１２…可塑性樹脂、１１３…（空気の保持体積が小さい）凹部、１１４…中空構造体、１１５…（正常な）セル、１１６…（体積が小さい）セル

Claims (4)

1. 複数の凹部からなるガス貯留空間部を備えた基板表面に可塑性材料膜を形成し、前記ガス貯留空間部に閉じこめられたガスの膨張圧力により前記可塑性材料膜を延伸変形させて中空構造体を作製するための中空構造体形成用基板であって、
   前記ガス貯留空間部を包囲して、前記中空構造体を作製する際に前記可塑性材料膜が接触する平坦部を備え、
   前記平坦部の幅は、前記凹部の径よりも幅広に設定され、
   前記可塑性材料膜が水溶性であり、前記平坦部が親水性であることを特徴とする中空構造体形成用基板。
2. 請求項１に記載の中空構造体形成用基板において、
   前記ガス貯留空間部が疎水性であることを特徴とする中空構造体形成用基板。
3. 複数の凹部からなるガス貯留空間部を備えた基板表面に可塑性材料膜を形成し、前記ガス貯留空間部に閉じこめられたガスの膨張圧力により前記可塑性材料膜を延伸変形させて中空構造体を作製するための中空構造体形成用基板であって、
   前記基板の端部に平坦部を備え、該平坦部以外の前記基板表面に前記ガス貯留空間部を配置し、
   前記可塑性材料膜が水溶性であり、前記平坦部が親水性であることを特徴とする中空構造体形成用基板。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の中空構造体形成用基板を用いて作製されたことを特徴とする中空構造体。

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