JP5413195B2 - 微細パターン形成体、微細パターン形成体の製造方法、光学素子および光硬化性組成物 - Google Patents

微細パターン形成体、微細パターン形成体の製造方法、光学素子および光硬化性組成物 Download PDF

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Description

本発明は、光硬化性組成物、該光硬化性組成物を用いた微細パターン形成体の製造方法、該微細パターン形成体を用いた光学素子、特に、ワイヤグリッド偏光子に関する。
近年、微細パターンを表面に有するモールドを基材に押圧させて該微細パターンの反転パターンを表面に有する基材を製造する方法、いわゆるナノインプリント法が注目されている。なかでも、基板の表面とモールドのパターン面との間に熱硬化性組成物や光硬化性組成物を押圧して挟持させ、つぎに加熱や光照射により熱硬化性組成物や光硬化性組成物におけるモノマーを重合させて、モールドの微細パターンが転写された表面を有する硬化物からなる微細パターン形成体を得て、さらにモールドから硬化物を剥離して基板と一体の微細パターン形成体を製造する方法が注目されている。
この方法に用いられる光硬化性組成物として、少なくとも1種の(メタ)アクリレート類、および光重合開始剤を含む光硬化性組成物が知られている(特許文献1参照。)。
特開2006−152074号公報
しかし、特許文献1に記載の光硬化性組成物や、ナノインプリント法に用いられる光硬化性組成物として上市されている光硬化性組成物を用いて、凸部と凹部を有する微細パターン形成体を製造しようとすると、高精細な微細パターンを形成するのが困難であった。光硬化性組成物の粘度が高すぎる、光硬化性組成物の重合収縮率が大きい、硬化物のモールドからの剥離性が不充分である、などを原因として、微細パターン形成体の寸法精度が低下する。特に微細パターンの凸部の寸法精度が低くなるという問題が生じる。また、光硬化性組成物の硬化物の線膨張係数が大きいと、微細パターンの寸法安定性が低下するという問題が生じる。さらに、微細パターン形成体を光学素子として用いる場合には、透明性が高いことも必要となる。
本発明は、モールドの微細パターンが高精細に転写された微細パターン形成体を効率よく製造しうる光硬化性組成物を提供する。また、本発明は、寸法安定性が高く、透明性に優れた微細パターン形成体を提供する。本発明は、以下を要旨とする発明である。
本発明における光硬化性組成物:光硬化性単量体(A)、平均粒径200nm以下のコロイド状シリカ(B)および光重合開始剤(C)を含み、それらの含有量が光硬化性単量体(A)の100質量部に対して、コロイド状シリカ(B)(固形分)が5〜60質量部、光重合開始剤(C)が0.1〜10質量部である、光硬化性組成物であり、
前記光硬化性単量体(A)は、少なくとも下記多官能性単量体(A1)と下記2官能性単量体(A2)とからなり、
多官能性単量体(A1)または2官能性単量体(A2)に属する化合物の少なくとも一部は水酸基を有し、多官能性単量体(A1)と2官能性単量体(A2)の合計量(mol)に対する上記水酸基の総量(mol)の割合が10%以上である光硬化性組成物。
多官能性単量体(A1):1分子中に3個以上の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物。
2官能性単量体(A2):1分子中に2個の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物。
前記の光硬化性組成物を、表面に微細パターンを有するモールドの該パターン面上で硬化させた硬化体からなる、微細パターン形成体。
表面に微細パターンを有するモールドの該パターン面と基板の表面との間に前記の光硬化性組成物を挟持して押圧し(工程A)、次いで光照射により光硬化性組成物を硬化させて、モールドの微細パターンが転写された表面を有する硬化物からなる微細パターン形成体を形成し(工程B)、次いでモールドおよび基板の少なくとも一方を硬化物から剥離して、微細パターン形成体、または、基板と一体の微細パターン形成体、または、モールドと一体の微細パターン形成体を得る(工程C)ことを特徴とする微細パターン形成体の製造方法。
前記の製造方法により製造された微細パターン形成体。
前記の微細パターン形成体を用いたことを特徴とする光学素子。
本発明における光硬化性組成物を用いることにより、モールドの微細パターンが高精細に転写された微細パターン形成体を効率よく製造できる。よって、本発明によって高精度なナノインプリントプロセスが実現される。また、本発明の微細パターン形成体は寸法安定性、透明性に優れる。
基板1上に、光硬化性組成物3を載置した状態を模式的に示す断面図である。 基板1とモールド2とで光硬化性組成物3を挟持して押圧した状態を模式的に示す断面図である。 光硬化性組成物3を硬化させて硬化物4とした状態を模式的に示す断面図である。 硬化した状態からモールド2を剥離した状態を模式的に示す断面図である。 硬化物4から基板1を剥離して、硬化物4のみとした状態を模式的に示す断面図である。 本発明のワイヤグリッド偏光子10の一例を示す斜視図である。 実施例1(例1−10)の円筒型モールドの作製方法における一工程を示す正面図である。 オリジナルモールド20に円筒型モールド前駆体30を押しあてた状態を示す拡大図であり、円筒型モールド前駆体30の回転する方向から見た図である。 微細パターン形成体の製造方法の一例を示す正面図である。
符号の説明
1:基板
2:モールド
3:光硬化性組成物
4:硬化物
10:ワイヤグリッド偏光子
12:凸条
14:微細パターン形成体
16:金属細線
20:オリジナルモールド
30:円筒型モールド前駆体
32:透明フッ素樹脂層
34:アクリル樹脂製のパイプ
40:円筒型モールド
42:パターンの形成された透明フッ素樹脂層
50:PETフィルム
52:光硬化性組成物の塗膜
60:光源
本明細書において、アクリロイルオキシ基およびメタクリロイルオキシ基を総称して(メタ)アクリロイルオキシ基といい、アクリル酸およびメタクリル酸を総称して(メタ)アクリル酸といい、アクリレートおよびメタクリレートを総称して(メタ)アクリレートという。官能基の数を意味する官能性とは、特に言及しない限り、1分子あたりの(メタ)アクリロイルオキシ基の数をいう。また、(メタ)アクリロイルオキシ基を化学式CH=C(R)COO−で表す(ただし、Rは水素原子またはメチル基)。
本発明の光硬化性組成物は、光硬化性単量体(A)、平均粒径200nm以下のコロイド状シリカ(B)および光重合開始剤(C)を含む光硬化性組成物である。このうち、光硬化性単量体(A)は、後述する光重合開始剤(C)の存在下で、光照射することで重合反応を開始する単量体である。ただし、本発明においては、後述するコロイド状シリカ(B)の表面修飾のための(メタ)アクリロイルオキシ基含有加水分解性シラン化合物やそれで表面修飾されたコロイド状シリカ(B)は、(メタ)アクリロイルオキシ基を有していても、光硬化性単量体(A)に該当する化合物ではないものとする。
本発明の光硬化性組成物において、光硬化性単量体(A)は、少なくとも下記多官能性単量体(A1)と下記2官能性単量体(A2)とからなり、多官能性単量体(A1)または2官能性単量体(A2)に属する一部の化合物は水酸基を有する。なお、この遊離の水酸基はアルコール性水酸基である。
多官能性単量体(A1):1分子中に3個以上の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物。
2官能性単量体(A2):1分子中に2個の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物。
多官能性単量体(A1)または2官能性単量体(A2)に属する少なくとも一部の化合物は水酸基を有し、その水酸基が光硬化性単量体(A)中に一定量以上存在することにより、本発明の光硬化性組成物は、溶剤を実質的に含まない状態となってもそのゾルは安定であってゲル化し難く、微細パターンの精細な転写が可能となる。
光硬化性単量体(A)としては、多官能性単量体(A1)と2官能性単量体(A2)以外の光硬化性単量体も使用できる。しかし、本発明における課題を充分に達成するためには、光硬化性単量体(A)全量に対する多官能性単量体(A1)と2官能性単量体(A2)の合計量は80〜100質量%が好ましく、90〜100質量%がより好ましい。特に、光硬化性単量体(A)は、後述の機能性の単官能性単量体を除いて、実質的にその全量が多官能性単量体(A1)と2官能性単量体(A2)とからなることが好ましい。
多官能性単量体(A1)や2官能性単量体(A2)における(メタ)アクリロイルオキシ基は、アルコールの(メタ)アクリル酸エステルにおける(メタ)アクリロイルオキシ基およびエポキシドの(メタ)アクリル酸反応物における(メタ)アクリロイルオキシ基が好ましい。フェノール類の(メタ)アクリル酸エステルにおける(メタ)アクリロイルオキシ基であってもよい。
水酸基を有する多官能性単量体(A1)や2官能性単量体(A2)におけるアルコール性水酸基は、多価アルコール類の部分(メタ)アクリル酸エステルにおけるエステル化されていない水酸基、および、エポキシドのエポキシ基とカルボン酸のカルボキシ基との反応で生成した水酸基などのエポキシ基由来の水酸基、が好ましい。2個以上の水酸基を有する多官能性単量体(A1)や2官能性単量体(A2)においては、この2種の水酸基を有していてもよい。エポキシ基由来の水酸基としては、上記以外に、エポキシ基と水酸基含有化合物の反応でエーテル結合とともに生じる水酸基、などがある。
多官能性単量体(A1)は、以下の範疇の化合物に分類される。
水酸基を有し1分子中に3個以上の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物(A11)、
水酸基を有さず1分子中に3個以上の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物(A12)。
2官能性単量体(A2)は、以下の範疇の化合物に分類される。
水酸基を有し1分子中に2個の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物(A21)、
水酸基を有さず1分子中に2個の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物(A22)。
(A11)〜(A22)としては、多価アルコールと(メタ)アクリル酸とのポリエステルが好ましい。そのうちの部分ポリエステル(多価アルコールの水酸基が残ったポリエステル)が(A11)と(A21)であり、そのうちの完全ポリエステル(多価アルコールの水酸基が残存していないポリエステル)が(A12)と(A22)である。多価アルコールまたはその反応性誘導体と、(メタ)アクリル酸またはその反応性誘導体とを反応させてポリエステルを製造する場合、完全ポリエステルのみを製造することは容易ではなく、また意図的に完全ポリエステルと部分ポリエステルの混合物を製造することも少なくない。また、市販の多官能(メタ)アクリレートもこのような完全ポリエステルと部分ポリエステルの混合物であることが少なくない。このような完全ポリエステルと部分ポリエステルの混合物は、本発明における多官能性単量体(A1)や2官能性単量体(A2)として使用できる。その場合は、分析により、(A11)〜(A22)に分類してその割合を求めて、それら各成分の使用量を決めることができる。なお、上記多価アルコールの反応性誘導体としては例えば金属アルコキシドが、上記(メタ)アクリル酸の反応性誘導体としては例えば酸クロライドが挙げられる。
(A11)、(A21)としては、また、エポキシ基と活性水素含有基(水酸基、カルボキシ基など)との反応で生成する水酸基含有化合物であってもよい。例えば、(メタ)アクリロイルオキシ基含有エポキシドと多価アルコールまたは多価カルボン酸との反応生成物、(メタ)アクリロイルオキシ基を有するアルコールまたは(メタ)アクリル酸とポリエポキシド(すなわち、エポキシ基を2個以上有する化合物)との反応生成物、などがある。
上記(メタ)アクリロイルオキシ基含有エポキシドとしては、例えばグリシジル(メタ)アクリレートが挙げられる。
上記多価カルボン酸としては、例えば、コハク酸、アジピン酸などのポリカルボン酸が挙げられる。
上記(メタ)アクリロイルオキシ基を有するアルコールとしては、例えば、前記部分ポリエステルや、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレートなどのヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートが挙げられる。
上記ポリエポキシドとしては、エポキシ樹脂(の主剤)と呼ばれるポリグリシジルエーテル、ポリグリシジルエステル、ポリシクロアルケンオキシドなどがある。例えば、ビスフェノールA−ジグリシジルエーテル、ノボラック−ポリグリシジルエーテルなどの芳香族ポリグリシジルエーテル、ポリアルキレングリコールジグリシジルエーテルなどの脂肪族ポリグリシジルエーテル、ビニルシクロヘキセンジオキシドなどのポリシクロアルケンオキシドなどが挙げられる。
(A11)〜(A22)としては、さらに、(メタ)アクリロイルオキシ基を有する反応性化合物の反応生成物であってもよい。例えば、
(メタ)アクリロイルオキシ基を有するアルコールと、カルボン酸とのエステル、
(メタ)アクリロイルオキシ基を有するカルボン酸と、アルコールとのエステル、
(メタ)アクリロイルオキシ基を有するイソシアネートと、アルコールとのウレタン化物、(メタ)アクリロイルオキシ基を有するアルコールと、イソシアネートとのウレタン化物などがある。
これら(メタ)アクリロイルオキシ基を有する反応性化合物として2個以上の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物を使用することにより、または、これら(メタ)アクリロイルオキシ基を有する反応性化合物と反応させる化合物として2個以上の反応性基を有する化合物を使用することにより、(メタ)アクリロイルオキシ基を2個以上有する化合物が得られる。また水酸基を有する化合物を使用した場合に水酸基を残すように反応させることにより、水酸基を有する化合物が得られる。
上記多価アルコールとしては、以下のような多価アルコールが挙げられる。
脂肪族多価アルコール:エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキサンジオール、1,9−ノナンジオール、1,10−デカンジオールなどのジオール;グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトールなどの3価以上の脂肪族多価アルコール。
脂肪族多価アルコールの多量体:ジエチレングリコール、トリエチレングリコールなどのポリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコールなどのポリプロピレングリコール、その他のジオールの多量体;ジグリセリン、トリグリセリン、ジトリメチロールプロパン、ジペンタエリスリトール、トリペンタエリスリトールなどの3価以上の脂肪族多価アルコールの多量体。
単糖類、多糖類、糖アルコールなどの糖類:フルクトース、ガラクトース、グルコース、スクロース、エリスリトール、ソルビトールなど。
脂環族多価アルコール:トリシクロデカンジメタノール、シクロヘキサンジメタノール、2,2−ビス(4−ヒドロキシシクロヘキシル)プロパンなど。
水酸基含有イソシアヌレート系多価アルコール:トリス(2−ヒドロキシエチル)イソシアヌレート、トリス(2−ヒドロキシプロピル)イソシアヌレートなどのトリス(ヒドロキシアルキル)イソシアヌレート。
芳香族多価アルコール:ビス(2−ヒドロキシエチル)ビスフェノールA、ビス(2−ヒドロキシプロピル)ビスフェノールA、ビス(2−ヒドロキシエチル)ビスフェノールFなど。
上記のような多価アルコールのアルキレンオキシド付加物からなるポリエーテルポリオールや上記のような多価アルコールの環状エステル付加物からなるポリエステルポリオール:トリメチロールプロパン−エチレンオキシド付加物、トリメチロールプロパン−プロピレンオキシド付加物、グリセリン−エチレンオキシド付加物、グリセリン−プロピレンオキシド付加物、ソルビトール−エチレンオキシド付加物、トリメチロールプロパン−ε−カプロラクトン付加物など。
上記多官能性単量体(A11)の例としては、以下のような化合物が挙げられる。
ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、
ジペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、
ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、
ジトリメチロールプロパントリアクリレート、
ジグリセリントリ(メタ)アクリレート、
グリシジル(メタ)アクリレートとグリセリンの反応生成物、
グリシジル(メタ)アクリレートとトリメチロールプロパンの反応生成物。
上記多官能性単量体(A12)の例としては、以下のような化合物が挙げられる。
ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、
ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、
トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、
グリセリントリ(メタ)アクリレート、
トリス(2−(メタ)アクリロイルオキシエチル)イソシアヌレート、
トリス(2−(メタ)アクリロイルオキシプロピル)イソシアヌレート、
トリメチロールプロパン−エチレンオキシド付加物のトリ(メタ)アクリレート、
トリメチロールプロパン−プロピレンオキシド付加物のトリ(メタ)アクリレート、
ジペンタエリスリトール−カプロラクトン付加物のヘキサ(メタ)アクリレート、
トリス(2−ヒドロキシエチル)イソシアヌレート−カプロラクトン付加物のトリ(メタ)アクリレート。
上記2官能性単量体(A21)の例としては、以下のような化合物が挙げられる。
ペンタエリスリトールジアクリレート、
グリセリンジ(メタ)アクリレート、
ネオペンチルグリコールとトリメチロールプロパンとの縮合物からなるトリオールのジ(メタ)アクリレート、
ビス(2−(メタ)アクリロイルオキシエチル)−2−ヒドロキシエチルイソシアヌレート、
ビスフェノールA−ジグリシジルエーテルの(メタ)アクリル酸付加物、
ビニルシクロヘキセンジオキシドの(メタ)アクリル酸付加物、
ジシクロペンタジエンジオキシドの(メタ)アクリル酸付加物、
グリシジル(メタ)アクリレートとエチレングリコールの反応生成物、
グリシジル(メタ)アクリレートとプロピレングリコールの反応生成物、
グリシジル(メタ)アクリレートとジエチレングリコールの反応生成物、
グリシジル(メタ)アクリレートと1,6−ヘキサンジオールの反応生成物、
グリシジル(メタ)アクリレートとトリメチロールプロパンの反応生成物、など。
上記2官能性単量体(A22)の例としては、以下のような化合物が挙げられる。
1,3−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、
1,4−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、
ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、
1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、
1,9−ノナンジオールジアクリレート、
1,10−デカンジオールジアクリレート、
エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、
ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、
トリシクロデカンジメタノールジアクリレート、
ビス(2−(メタ)アクリロイルオキシエチル)ビスフェノールA、
ビス(2−(メタ)アクリロイルオキシエチル)ビスフェノールS、
ビス(2−(メタ)アクリロイルオキシエチル)ビスフェノールF、
トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、
テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、
トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、
分子量200〜1000のポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、
分子量200〜1000のポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、
ビス(アクリロイルオキシネオペンチルグリコール)アジペート、
ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステルのジ(メタ)アクリレート、
ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステル−カプロラクトン付加物のジ(メタ)アクリレートなど。
多官能性単量体(A1)は、3価以上の多価アルコールと(メタ)アクリル酸とのポリエステルであることが好ましい。そのような好ましい多官能性単量体(A1)のうち、水酸基を有する多官能性単量体である多官能性単量体(A11)としては、4価以上の多価アルコールと(メタ)アクリル酸との部分ポリエステルが好ましく、水酸基を有しない多官能性単量体である多官能性単量体(A12)としては、3価以上の多価アルコールと(メタ)アクリル酸との完全ポリエステルが好ましい。
2官能性単量体(A2)は、2価以上の多価アルコールと(メタ)アクリル酸とのポリエステルであることが好ましい。そのような好ましい2官能性単量体(A2)のうち、水酸基を有する2官能性単量体である2官能性単量体(A21)としては、3価以上の多価アルコールと(メタ)アクリル酸との部分ジエステルが好ましく、水酸基を有しない2官能性単量体である2官能性単量体(A22)としては、2価アルコールと(メタ)アクリル酸とのジエステルが好ましい。
このように、多官能性単量体(A1)または2官能性単量体(A2)に属する水酸基を有する化合物は、3価以上の多価アルコールと(メタ)アクリル酸との部分エステル化物である水酸基含有ポリ(メタ)アクリレートであることが好ましい。なお、ウレタン結合を有する多官能性単量体(A1)は、粘度が高くなる傾向があり、また硬化物の耐水性が悪い傾向があることより、多官能性単量体(A1)としてはウレタン結合を有しない化合物であることが好ましい。
多官能性単量体(A1)の1分子における(メタ)アクリロイルオキシ基の数は3個以上であり、その上限は20個であることが好ましい。より好ましい(メタ)アクリロイルオキシ基の数は、多官能性単量体(A11)では3〜12個、特に3〜10個、が好ましく、多官能性単量体(A12)では4〜12個が好ましい。1分子あたりの水酸基の数は、多官能性単量体(A11)では1〜6個、特に1〜4個、が好ましく、2官能性単量体(A21)では1〜4個、特に1〜2個が好ましい。また、多官能性単量体(A1)および2官能性単量体(A2)は、光硬化性組成物の硬化物の線膨張率が低くなることから、(メタ)アクリロイルオキシ基1個あたりの分子量が比較的低いことが好ましい。(メタ)アクリロイルオキシ基1個あたりの分子量は、300以下が好ましく、特に150以下が好ましい。
多官能性単量体(A1)は、3価以上の多価アルコールまたはその多量体と(メタ)アクリル酸とのポリエステルが好ましく、特に、ペンタエリスリトール、ペンタエリスリトールの多量体であるポリペンタエリスリトール、トリメチロールプロパンの多量体であるポリトリメチロールプロパン、グリセリンの多量体であるポリグリセリンから選ばれる4価以上の多価アルコールと(メタ)アクリル酸とのポリエステルが好ましい。上記多価アルコールの多量体としては2〜4量体が好ましい。なお、このような多価アルコールの多量体は、通常、単量体と多量体の混合物、縮合数の異なる多量体の混合物、単量体と縮合数の異なる多量体の混合物などとして得られるものであり、それを用いて得られる(メタ)アクリル酸とのポリエステルもまた同様の混合物となる。また、市販の多官能(メタ)アクリレートもこのような官能基数の異なる混合物であることが少なくない。このような官能基数の異なる混合物は、本発明における多官能性単量体(A1)や2官能性単量体(A2)として使用できる。その場合は、分析により、(A11)〜(A22)に分類してその割合を求めて、それら各成分の使用量を決めることができる。
本発明においては、多官能性単量体(A1)または2官能性単量体(A2)に属する化合物の少なくとも一部は水酸基を有し、多官能性単量体(A1)と2官能性単量体(A2)の合計量(mol)に対する上記水酸基の総量(mol)の割合が10%以上であることが必要である。水酸基の総量(mol)が10%未満であると、光硬化性組成物はゲル化する傾向があり、ゲル化すると微細パターンの転写が不可能となる。運動性の高い水酸基が存在することにより、無溶剤状態でのゾルの安定化に寄与すると考えられる。水酸基の総量(mol)は、好ましくは12%以上、より好ましくは14%以上である。水酸基の総量(mol)の上限は120%が好ましく、50%がより好ましい。
多官能性単量体(A1)と2官能性単量体(A2)の合計量(mol)に対する2官能性単量体(A2)の量(mol)の割合が20〜80%であることが好ましく、25〜75%であることがより好ましい。多官能性単量体(A1)が多すぎると硬化反応の際に応力がかかり、硬化物にひずみが生じるおそれがある。多官能性単量体(A1)が少なすぎると硬化物の線膨張係数が十分に小さくなく寸法安定性が低くなるおそれがある。
多官能性単量体(A1)、2官能性単量体(A2)は、それぞれ、1種類を用いてもよく、2種類以上を用いてもよいが、2種類以上を併用することにより、硬化前の粘度調整と硬化物の寸法安定性の確保が容易に可能になり好ましい。多官能性単量体(A1)としては、(メタ)アクリロイルオキシ基が5〜8個の化合物の少なくとも1種と、3〜4個の化合物の少なくとも1種との混合物であることが好ましい。特に、(メタ)アクリロイルオキシ基が6個の化合物の少なくとも1種と3〜4個の化合物の少なくとも1種との混合物であることが好ましい。
光硬化性組成物は、光硬化性単量体(A)として、1分子中に1個の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する単官能性単量体を含んでいてもよい。以下、この光硬化性の単官能性単量体を単官能性単量体(A3)という。光硬化性組成物に含まれる単量体(A)の総質量中、単官能性単量体(A3)の割合は20質量%未満であることが好ましく、10質量%未満であることが好ましい。単官能性単量体(A3)の割合が高くなると、硬化物の線膨張係数が高くなるおそれが生じ、寸法安定性が低下する。なお、この単官能性単量体(A3)が水酸基を有する単官能性単量体である場合、前記水酸基量は、多官能性単量体(A1)と2官能性単量体(A2)と単官能性単量体(A3)との合計量に対する水酸基含有単官能性単量体の水酸基を含めた全水酸基の量を意味するものとする。
さらに、後述の撥水性付与剤(D)などの機能性の配合剤が1分子中に1個の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物である場合、この化合物(機能性の単官能性単量体)も単官能性単量体(A3)の1種とみなすものとする。上記単官能性単量体(A3)の割合もこのような配合剤を含む合計量を意味する。
1分子中に1個の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する単官能性単量体としては例えば以下の化合物がある。メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、t−ブチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、グリシジル(メタ)アクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、1,4−ブチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、エトキシエチル(メタ)アクリレート、フェニルグリシジルエーテルの(メタ)アクリル酸付加物。
本発明の光硬化性組成物は、コロイド状シリカ(B)を含む。本発明の光硬化性組成物におけるコロイド状シリカ(B)は、分散媒中にコロイド状に分散したシリカの超微粒子であり、分散媒は特に限定されないが、水、低級アルコール類、セロソルブ類等が好ましい。なお、本発明におけるコロイド状シリカ(B)の使用量は、分散媒を除いたコロイド状シリカのみの量をいい、固形分(の量)ともいう。具体的な分散媒としては、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、n−ブタノール、エチレングリコール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジメチルアセトアミド、トルエン、キシレン、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ペンチル、アセトン等が挙げられる。
コロイド状シリカ(B)の平均粒径は光学的な散乱を抑制するために200nm以下とされ、特に、1〜50nmが好ましい。この平均粒径は、動的光散乱法で測定される平均粒径をいう。
コロイド状シリカ(B)は分散安定性を向上させるために、粒子表面を加水分解性シラン化合物の加水分解物で修飾して使用することもできる。ここで「加水分解物で表面が修飾された」とは、コロイド状シリカ粒子の表面の一部または全部のシラノール基に加水分解性シラン化合物の加水分解物が物理的または化学的に結合した状態であり、これにより表面特性が改質されていることを意味する。この表面修飾はシリカ粒子存在下に加水分解性シラン化合物の加水分解性基の一部または全部の加水分解、または加水分解と縮合反応を生じせしめることにより容易に行いうる。
表面修飾されたコロイド状シリカは、例えば、分散媒に分散された状態のコロイド状シリカに加水分解性シラン化合物を加え、撹拌しながらコロイド状シリカ表面に加水分解性シラン化合物を反応させることにより得られる。分散媒中のコロイド状シリカ(B)の含有量は5〜50質量%程度が好ましい。反応は室温から分散媒の沸点までの温度で行うことができ、反応速度を高めるために50℃以上で行うことが好ましい。反応させた後、反応温度よりも低温下で撹拌を続けて熟成することが好ましい。例えば、50℃以上で反応を行い、室温で熟成を行うことができる。反応時間は30分〜半日程度が好ましく、熟成時間は1時間〜1日程度が好ましい。
加水分解性シラン化合物としては、(メタ)アクリロイルオキシ基、アミノ基、エポキシ基、メルカプト基などの官能性基を有する有機基(ケイ素原子に結合する末端原子が炭素原子である有機基)とアルコキシ基や塩素原子などの加水分解性基とがケイ素原子に結合しているシラン化合物が好ましい。また、このようなシラン化合物の部分加水分解縮合物であってもよい。加水分解性シラン化合物としては、例えば、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピルメチルジメトキシシラン、2−(メタ)アクリロイルオキシエチルトリメトキシシラン、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリエトキシシラン、2−(メタ)アクリロイルオキシエチルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等が好ましく挙げられる。
加水分解性シラン化合物としては、官能性基として光硬化性単量体(A)と結合しやすい官能基を有する加水分解性シラン化合物が好ましい。コロイド状シリカ粒子の表面と光硬化性単量体(A)のポリマー鎖とが結合していることにより、光硬化性組成物の硬化物の線膨張係数を低下させて、その寸法安定性を高める効果がある。
加水分解性シラン化合物の官能性基としては、光硬化性単量体(A)との反応しやすさから、メルカプト基または(メタ)アクリロイルオキシ基が好ましい。メルカプト基は、外部からの活性エネルギーがないと反応の進行が容易ではないため表面修飾されたコロイド状シリカ粒子の貯蔵安定性が良好である。なお、本発明においては、(メタ)アクリロイルオキシ基含有加水分解性シラン化合物で表面修飾されたコロイド状シリカは光硬化性単量体(A)に該当する化合物ではないものとする。さらに、この表面修飾されたコロイド状シリカの使用に付随して(メタ)アクリロイルオキシ基含有加水分解性シラン化合物が光硬化性組成物中に持ち込まれたとしても、その(メタ)アクリロイルオキシ基含有加水分解性シラン化合物は光硬化性単量体(A)に該当する化合物ではないものとする。
メルカプト基を有する有機基と、加水分解性基または水酸基とが、ケイ素原子に結合しているメルカプト基含有シラン化合物(S1)としては、下記式(S1)で表される化合物が好ましい。
HS−R−SiR 3−r (S1)
(式中、Rは2価の炭化水素基、Rは水酸基または加水分解性基、Rは1価の炭化水素基、rは1〜3の整数を表す。)
式(S1)におけるRは炭素数2〜6のアルキレン基が好ましく、炭素数3のアルキレン基が特に好ましい。Rは炭素数4以下のアルキル基が好ましく、メチル基とエチル基が特に好ましい。Rは加水分解性基であることが好ましく、ハロゲン原子または炭素数4以下のアルコキシ基がより好ましく、炭素数4以下のアルコキシ基が特に好ましい。ハロゲン原子としては、塩素原子または臭素原子が好ましい。アルコキシ基としてはさらにメトキシ基とエトキシ基が加水分解性が良好であり好ましい。rは2または3が好ましい。
上記式で表されるメルカプト基含有シラン化合物の代表例を以下に例示する。なお、Meはメチル基を、OMeはメトキシ基を、OEtはエトキシ基を、OPrはn−プロポキシ基を示す。
HS−CHCHCH−Si(OMe)、HS−CHCHCH−Si(OEt)、HS−CHCHCH−Si(OPr)、HS−CHCHCH−SiMe(OMe)、HS−CHCHCH−SiMe(OEt)、HS−CHCHCH−SiMe(OPr)、HS−CHCHCH−SiMe(OMe)、HS−CHCHCH−SiMe(OEt)、HS−CHCHCH−SiMe(OPr)、HS−CHCHCH−SiCl、HS−CHCHCH−SiBr、HS−CHCHCH−SiMeCl、HS−CHCHCH−SiMeBr、HS−CHCHCH−SiMeCl、HS−CHCHCH−SiMeBr。
また、(メタ)アクリロイルオキシ基を有する有機基と、加水分解性基または水酸基とが、ケイ素原子に結合している(メタ)アクリロイルオキシ基含有シラン化合物(S2)としては、下記式(S2)で表される化合物が好ましい。
CH=C(R)COO−R−SiR 3−y (S2)
(式中、Rは水素原子またはメチル基、Rは2価の炭化水素基、Rは水酸基または加水分解性基、Rは1価の炭化水素基、yは1〜3の整数を表す。)
式(S2)におけるRは炭素数2〜6のアルキレン基が好ましく、炭素数3のアルキレン基が特に好ましい。Rは加水分解性基であることが好ましく、ハロゲン原子または炭素数4以下のアルコキシ基がより好ましく、炭素数4以下のアルコキシ基が特に好ましい。ハロゲン原子としては、塩素原子または臭素原子が好ましい。アルコキシ基としてはさらにメトキシ基とエトキシ基が加水分解性が良好であり好ましい。Rは炭素数4以下のアルキル基が好ましく、メチル基とエチル基が特に好ましい。yは2または3が好ましい。
上記式で表される(メタ)アクリロイルオキシ基含有シラン化合物(S2)の代表例を以下に例示する。
CH=C(R)COO−CHCHCH−Si(OMe)、CH=C(R)COO−CHCHCH−Si(OEt)、CH=C(R)COO−CHCHCH−Si(OPr)、CH=C(R)COO−CHCHCH−SiMe(OMe)、CH=C(R)COO−CHCHCH−SiMe(OEt)、CH=C(R)COO−CHCHCH−SiMe(OPr)、CH=C(R)COO−CHCHCH−SiMe(OMe)、CH=C(R)COO−CHCHCH−SiMe(OEt)、CH=C(R)COO−CHCHCH−SiMe(OPr)、CH=C(R)COO−CHCHCH−SiCl、CH=C(R)COO−CHCHCH−SiBr、CH=C(R)COO−CHCHCH−SiMeCl、CH=C(R)COO−CHCHCH−SiMeBr、CH=C(R)COO−CHCHCH−SiMeCl、CH=C(R)COO−CHCHCH−SiMeBr。
コロイド状シリカ(B)の配合量は、硬化時の重合収縮が抑制され、優れた精度での形成が可能になりやすい点から、光硬化性単量体(A)の100質量部に対して固形分として5〜60質量部である。5質量部未満であると重合収縮が大きくなり転写精度が低下し、60質量部超であると組成物の粘度が増大し転写不可である。中でも、10〜50質量部が好ましい。なお、表面修飾されたコロイド状シリカを使用する場合の固形分量は修飾後のコロイド状シリカの固形分量である。
光硬化性組成物は、光重合開始剤(C)を含む。
光重合開始剤(C)の具体例としては、アリールケトン系光重合開始剤(例えば、アセトフェノン類、ベンゾフェノン類、アルキルアミノベンゾフェノン類、ベンジル類、ベンゾイン類、ベンゾインエーテル類、ベンジルジメチルケタール類、ベンゾイルベンゾエート類、α−アシルオキシムエステル類等)、含硫黄系光重合開始剤(例えば、スルフィド類、チオキサントン類等)、アシルホスフィンオキシド類(例えば、アシルジアリールホスフィンオキシド等)、その他の光重合開始剤がある。該光重合開始剤は2種以上併用してもよい。また、光重合開始剤はアミン類などの光増感剤と組み合わせて使用してもよい。光重合開始剤(C)の配合量は、光硬化性単量体(A)の100質量部に対して0.1〜10質量部含有する。特に、0.5〜5質量部が好ましい。この範囲にあると、硬化性が充分であり、硬化の際に全ての光重合開始剤(C)が分解しやすい。
具体的な光重合開始剤としては、例えば以下のような化合物があるがこれらのみに限定されるものではない。
4−フェノキシジクロロアセトフェノン、4−t−ブチル−ジクロロアセトフェノン、4−t−ブチル−トリクロロアセトフェノン、ジエトキシアセトフェノン、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン、1−(4−イソプロピルフェニル)−2−ヒドロキシ−2−メチルプロパン−1−オン、1−(4−ドデシルフェニル)−2−メチルプロパン−1−オン、1−{4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル}−2−ヒドロキシ−2−メチル−プロパン−1−オン、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2−メチル−1−{4−(メチルチオ)フェニル}−2−モルホリノプロパン−1−オン。
ベンジル、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル、ベンジルジメチルケタール、ベンゾフェノン、ベンゾイル安息香酸、ベンゾイル安息香酸メチル、4−フェニルベンゾフェノン、ヒドロキシベンゾフェノン、アクリル化ベンゾフェノン、3,3’−ジメチル−4−メトキシベンゾフェノン、3,3’,4,4’−テトラキス(t−ブチルペルオキシカルボニル)ベンゾフェノン、9,10−フェナントレンキノン、カンファーキノン、ジベンゾスベロン、2−エチルアントラキノン、4’,4”−ジエチルイソフタロフェノン、(1−フェニル−1,2−プロパンジオン−2(O−エトキシカルボニル)オキシム)、α−アシルオキシムエステル、メチルフェニルグリオキシレート。
4−ベンゾイル−4’−メチルジフェニルスルフィド、チオキサントン、2−クロロチオキサントン、2−メチルチオキサントン、2,4−ジメチルチオキサントン、イソプロピルチオキサントン、2,4−ジクロロチオキサントン、2,4−ジエチルチオキサントン、2,4−ジイソプロピルチオキサントン、2,4,6−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド、ベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド、2,6−ジメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド、ビス(2,6−ジメトキシベンゾイル)−2,4,4−トリメチルペンチルホスフィンオキシド。
光硬化性組成物は、さらに撥水性付与剤(D)を含むことが好ましい。光硬化性組成物の硬化物の表面の撥水性が向上し、離型性が優れ、モールドから円滑に剥離できる。本発明において、撥水性付与剤(D)とは、撥水性を発揮させる基(撥水性基)として、シリコーン鎖(ポリジオルガノシロキサン鎖)、長鎖ポリフルオロ有機基、またはその両者を有する化合物を意味する。この撥水性付与剤(D)は、(メタ)アクリロイルオキシ基などの光硬化性基を有することが好ましい。(メタ)アクリロイルオキシ基を有する撥水性付与剤(D)は、硬化反応時に光硬化性組成物中の他の成分と共有結合する。これにより撥水性付与剤(D)は光硬化性組成物の硬化物の表面に固定されて揮散しない。したがって、硬化物の表面は、長期にわたって撥水性を発現することができる。前記のように、本発明においては、(メタ)アクリロイルオキシ基を有している撥水性付与剤(D)は光硬化性単量体(A)に該当する化合物の1種であるとする。例えば、(メタ)アクリロイルオキシ基を1個有している撥水性付与剤(D)は単官能性単量体(A3)の1種である。
シリコーン鎖におけるケイ素原子に結合した有機基は、アルキル基、ポリフルオロアルキル基、またはフェニル基であることが好ましく、1つのシリコーン鎖にこれらの2種以上を有していてもよい。好ましいシリコーン鎖は、下記式(D1)で表されるポリジオルガノシロキサン鎖である。
−R11−SiR−(OSiR−R10 (D1)
ただし、R、Rは、独立に、炭素数1〜8のアルキル基、炭素数1〜8の含フッ素アルキル基またはフェニル基を、R10は炭素数1〜8のエーテル性酸素原子を含んでいてもよいアルキル基を、R11は炭素数2〜8のエーテル性酸素原子を含んでいてもよいアルキレン基を、mは1〜1000の整数を、表す。R、Rは、シロキサン単位毎に同一でも異なっていてもよい。R、Rとしては、メチル基、フェニル基、炭素数1〜8のポリフルオロアルキル基がより好ましく、特にいずれもメチル基であることが好ましい。R10としては、炭素数1〜4のアルキル基が好ましく、特にメチル基が好ましい。R11としては炭素数2〜4のポリメチレン基(特にトリメチレン基)またはエーテル性酸素原子を1個有する炭素数3〜6のアルキレン基が好ましい。mとしては、2〜500が好ましい。
長鎖ポリフルオロ有機基としては、炭素数4以上のパーフルオロアルキレン基、炭素数4以上のパーフルオロ(ポリオキシアルキレン)鎖、などのパーフルオロ化された炭素原子が4個以上連結した(ただし、炭素原子間にエーテル性酸素原子が存在していてもよい)部分を有する長鎖ポリフルオロ有機基が好ましい。
長鎖ポリフルオロ有機基としては、炭素数4以上のパーフルオロアルキル基、パーフルオロオキシエチレン基またはパーフルオロオキシプロピレン基から選ばれるパーフルオロオキシアルキレン基が2個以上繰り返したパーフルオロ(ポリオキシアルキレン)基、上記パーフルオロ(オキシアルキレン)基の片末端にパーフルオロアルキ基が結合し、他の片末端にモノもしくはポリオキシアルキレン基の結合した1価有機基、などが好ましい。長鎖ポリフルオロ有機基としては、下記式(D2)または式(D3)で表される長鎖ポリフルオロ有機基が好ましい。
−R12−Rf1 (D2)
−CH−R13−CF−(OR−O−Rf2 (D3)
ただし、
は炭素数2または3のパーフルオロアルキレン基を、Rf1は炭素数4〜20のパーフルオロアルキル基を、Rf2は炭素数1〜20のパーフルオロアルキル基を、R12は炭素数1〜6のアルキレン基を、R13は単結合、炭素数1〜5のアルキレン基または炭素数1〜5のフルオロアルキレン基を、hは1〜100の整数を、表す。
としてはテトラフルオロエチレン基またはヘキサフルオロプロピレン基が好ましい。Rf1としては炭素数4〜12の直鎖状パーフルオロアルキル基が、Rf2としては炭素数1〜12のパーフルオロアルキル基が、好ましい。Rf1としてはCF(CF−とCF(CF−がより好ましく、Rf2としてはCF−、CFCF−、CF(CF−、CF(CF−およびCF(CF−がより好ましい。R12としては炭素数2〜4のアルキレン基が好ましく、R13としては−(CH−(CF−で表される基または単結合(k、jは独立に0〜2の整数)が好ましい。
(メタ)アクリロイルオキシ基を有する撥水性付与剤(D)では、上記(D1)〜(D3)で表される基と(メタ)アクリロイルオキシ基とが、直接結合していてもよく、ウレタン結合を含む有機基を介して結合していてもよい。さらに、(D1)〜(D3)で表される基と(メタ)アクリロイルオキシ基または上記ウレタン結合を含む有機基との間には、ポリエーテル鎖やポリエステル鎖を介して(メタ)アクリロイルオキシ基と結合していてもよい。これらの鎖が存在すると、光硬化性単量体(A)との相溶性が向上する。ポリエーテル鎖としては、ポリオキシエチレン鎖、ポリオキシプロピレン鎖またはポリ(オキシエチレン/オキシプロピレン)鎖が好ましく、ポリエステル鎖としては環状エステル(特にε−カプロラクトン)の開環付加反応で形成されるポリエステル鎖が好ましい。ウレタン結合を含む有機基としては、(D1)〜(D3)で表される基を含む水酸基末端の化合物に、イソシアネートアルキル(メタ)アクリレート(特に、2−イソシアネートエチルメタクリレート)を反応させることによって形成される基であることが好ましい。ポリエーテル鎖やポリエステル鎖は、(D1)〜(D3)で表される基を含む水酸基末端の化合物にアルキレンオキシドや環状エステルを開環付加反応させて形成されるものが好ましい。(メタ)アクリロイルオキシ基を有しない撥水性付与剤(D)としては、(メタ)アクリロイルオキシ基を導入する前の水酸基含有化合物、(メタ)アクリロイルオキシ基の代わりに不飽和基を有しないアシルオキシ基を導入した化合物、不飽和基を有しないイソシアネート化合物を反応させて得られる化合物などが挙げられる。
(メタ)アクリロイルオキシ基を有する撥水性付与剤(D)として特に好ましい化合物は、下記式(D4)で表される化合物である。なお、R、R、R10、Rf2、mは前記と同じものを表す。
CH=C(R)COO−B−[Q2]−A−[Q1] (D4)
ただし、
[Q1]:−CHCHCH−SiR−(OSiR−R10
−CHCF−(OC−O−Rf2、または
−CH−(OC−O−Rf2
[Q2]:−(C2pC(=O)O)−、または
−(CHCHO)−(CH(CH)CHO)
A:単結合または−CHCHO−。
B:−CHCHNHC(=O)O−または単結合。
n:1〜100の整数。
p:3〜5の整数、q:1〜20の整数。
z:0〜100、w:0〜100であって、5≦z+w≦100を満たす整数。
nとしては2〜50が好ましい。前記のように、mとしては2〜500が好ましい。m、nが当該範囲であると、硬化物は撥水性に優れる。化合物(D4)は部位[Q2]を有することにより、光硬化性組成物中の他の化合物との相溶性を発現する機能を有する。qとしては、2〜10の整数がより好ましい。z、wとしては、zは0〜80、wは0〜80であって、5≦z+w≦80を満たす整数がより好ましい。該範囲であると、化合物(D4)は光硬化性組成物中の他の成分に対して適度な相溶性を有する。すなわち、相溶性が高すぎると、化合物(D4)は塗膜表面に偏析しにくくなり、硬化物の表面は撥水性を充分に発現できない。相溶性が低すぎると、硬化物の透明性が損なわれる。
化合物(D4)は以下のようにして製造できる。例えば、片末端に水酸基を有するポリジメチルシリコーンの水酸基に、そのままラクトンを重合させるか、エチレンカーボネートを付加させたのちにラクトンを重合させる。さらに、生成物の末端に存在する水酸基に(メタ)アクリル酸または(メタ)アクリル酸クロリドを用いエステル結合により(メタ)アクリロイルオキシ基を導入するか、2−イソシアネートエチル(メタ)アクリレートを用いてウレタン結合により(メタ)アクリロイルオキシ基を導入する。または、例えば、一方の末端が水酸基(ただし、水酸基が結合する炭素原子はメチレン基などの炭化水素基の炭素原子)で他方の末端がパーフルオロアルキル基であるポリオキシテトラフルオロエチレン化合物の末端水酸基に、そのままラクトンを重合させるか、エチレンカーボネートを付加させたのちにラクトンを重合させる。さらに、生成物の末端に存在する水酸基に(メタ)アクリル酸または(メタ)アクリル酸クロリドを用いエステル結合により(メタ)アクリロイルオキシ基を導入するか、2−イソシアネートエチル(メタ)アクリレートを用いてウレタン結合により(メタ)アクリロイルオキシ基を導入する。
撥水性付与剤(D)の配合量は、光硬化性単量体(A)の100質量部に対して0.02〜10質量部であるのが好ましく、0.05〜5質量部であることがより好ましい。当該範囲であると、光硬化性組成物の硬化物の透明性が損なわれず、かつ硬化物の表面は撥水性に優れる。(メタ)アクリロイルオキシ基を有しない撥水性付与剤(D)の場合は、上記範囲内で少ない使用量(0.02〜5質量部)であることが好ましく、特に0.05〜3質量部であることがより好ましい。
光硬化性組成物は、貯蔵安定性を確保し、また、コーティングプロセスでの望まない重合を抑制するため、重合禁止剤(E)を含むことが好ましい。重合禁止剤(E)の具体例としては、N−ニトロソフェニルヒドロキシアミン、N−ニトロソフェニルヒドロキシアミンアルミニウム錯体などがある。重合禁止剤(E)の配合量は、光硬化性単量体(A)の100質量部に対して0.1〜10質量部であるのが好ましい。この範囲にあると、貯蔵安定性、プロセス安定性に優れ、また、光硬化性も良好である。
光硬化性組成物には、上記の成分以外に、必要に応じて紫外線吸収剤、光安定剤、酸化防止剤、熱重合防止剤、消泡剤、増粘剤、沈降防止剤、顔料(有機着色顔料、無機顔料)、着色染料、赤外線吸収剤、蛍光増白剤、分散剤、導電性微粒子、帯電防止剤、防曇剤およびカップリング剤からなる群から選ばれる1種以上の機能性配合剤を含めてもよい。
紫外線吸収剤としては、合成樹脂用紫外線吸収剤として通常使用されているベンゾトリアゾール系紫外線吸収剤、ベンゾフェノン系紫外線吸収剤、サリチル酸系紫外線吸収剤、フェニルトリアジン系紫外線吸収剤などが好ましい。光安定剤としては、合成樹脂用光安定剤として通常使用されているヒンダードアミン系光安定剤が好ましい。酸化防止剤としては、2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾールなどのヒンダードフェノール系酸化防止剤、トリフェニルホスファイトなどのリン系酸化防止剤などが挙げられる。これら機能性配合剤としては、単官能性単量体(A3)に属する(メタ)アクリロイルオキシ基を1個有する化合物が好ましい。単官能性単量体(A3)に属する機能性配合剤は、光硬化性組成物の硬化反応時に他の成分と共有結合し、これにより光硬化性組成物の硬化物中に固定されて表面にブリードアウトしてくるおそれが少ない。具体的には、2−{2−ヒドロキシ−5−(2−アクリロイルオキシエチル)フェニル}ベンゾトリアゾール、2−ヒドロキシ−3−メタクリロイルオキシプロピル−3−(3−ベンゾトリアゾール−4−ヒドロキシ−5−t−ブチルフェニル)プロピオネートなど紫外線吸収剤、N−メチル−4−メタクリロイルオキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジンなどのヒンダードアミン系光安定剤などが挙げられる。
熱重合防止剤としてハイドロキノンモノメチルエーテルなどが挙げられる。増粘剤としては、ポリメチルメタクリレート系ポリマー、水添ひまし油系化合物、脂肪酸アミド系化合物などが挙げられる。有機着色顔料としては、縮合多環系有機顔料、フタロシアニン系有機顔料などが挙げられる。無機顔料としては、二酸化チタン、酸化コバルト、モリブデンレッド、チタンブラックなどが挙げられる。また、着色染料としては、有機溶剤可溶性アゾ系金属錯塩染料、有機溶剤可溶性フタロシアニン系染料などが挙げられる。赤外線吸収剤としては、ポリメチン系、フタロシアニン系、金属錯体系、アミニウム系、ジイモニウム系、アントラキノン系、ジチオール金属錯体系、ナフトキノン系、インドールフェノール系、アゾ系、トリアリールメタン系の化合物などが挙げられる。
導電性微粒子としては、亜鉛、アルミニウム、ニッケルなどの金属粉、リン化鉄、アンチモンドープ型酸化スズなどが挙げられる。帯電防止剤としては、ノニオン系帯電防止剤、カチオン系帯電防止剤、アニオン系帯電防止剤などが挙げられる。カップリング剤としては、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤などが挙げられる。
本発明の光硬化性組成物において、光硬化性単量体(A)、コロイド状シリカ(B)および光重合開始剤(C)の必須3成分以外の成分(撥水性付与剤(D)と重合禁止剤(E)を含む)の合計量は、光硬化性組成物に対して20質量%以下であることが好ましい。ただし、この光硬化性組成物とは下記溶剤を含まないものをいう。特に、光硬化性組成物に対して10質量%以下であることが好ましい。
溶剤を実質的に含まない本発明の光硬化性組成物の50℃における粘度は1〜200mPa/sであることが好ましく、150mPa/s以下がより好ましく、120mPa/s以下が特に好ましい。光硬化性組成物がナノインプリント法による微細パターン形成体の製造に用いられるとき、光硬化性組成物は溶剤を実質的に含まない状態でモールドに押圧して挟持されることとなる。したがって、溶剤を実質的に含まない光硬化性組成物の粘度は上記範囲内であることが好ましい。溶剤を実質的に含まないとは、光硬化性組成物全量に対する溶剤の量が5質量%未満であることを意味する。
光硬化性組成物の塗工性、基材表面との密着性を向上させる目的で、本発明の光硬化性組成物に溶剤を配合して使用してもよい。溶剤を含む光硬化性組成物を、以下光硬化性組成物溶液という。溶剤としては、光硬化性単量体(A)、光重合開始剤(C)、その他の添加剤の溶解性に問題がなければ特に限定されず、上記性能を満足させるものであればよい。また、2種以上の溶剤を併用してもよい。溶剤の使用量は、光硬化性単量体(A)に対して質量で100倍以下が好ましく、特に50倍以下が好ましい。
溶剤としては、エチルアルコール、ブチルアルコール、イソプロピルアルコール等の低級アルコール類、メチルイソブチルケトン、メチルエチルケトン、アセトン等のケトン類、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、テトラヒドロフラン、メチル−t−ブチルエーテル等のエーテル類、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等のセロソルブ類などの溶剤が好ましく挙げられる。そのほか、n−ブチルアセテート、酢酸イソアミル、ジエチレングリコールモノアセテート等のエステル類、ポリフルオロヘキサン等のポリフルオロ脂肪族炭化水素類、ポリフルオロメチルシクロヘキサン、ポリフルオロ−1,3−ジメチルシクロヘキサン等のポリフルオロ脂肪族炭化水素類、ビス(トリフルオロメチル)ベンゼン等のポリフルオロ芳香族炭化水素類、塩化メチレン等の塩素化炭化水素類、トルエン、キシレン、ヘキサン等の炭化水素類なども使用できる。これらの溶剤は、2種以上混合して使用してもよい。
本発明の光硬化性組成物に溶剤を配合して使用する場合、光硬化性組成物を塗布する基板の種類に応じて、適当な溶剤を選択するのが好ましい。例えば、基板が延伸されたPETである場合、低級アルコール類、セロソルブ類、エステル類、エーテル類、それらの混合物などが適当である。
本発明の光硬化性組成物は、基板表面に塗布して塗膜とした後光硬化される用途に使用されることが好ましい。光硬化性組成物の塗膜は各種塗布法で形成できる。また、本発明の光硬化性組成物の溶液を使用する場合は、同様の塗布法で光硬化性組成物溶液の塗膜を形成し、その後溶剤を揮発除去(以下、乾燥ともいう)して、溶剤を実質的に含まない光硬化性組成物の塗膜とすることができる。次いで、光硬化性組成物の塗膜に光を照射して光硬化性組成物を光硬化させる。塗布法としては、例えば、ディッピング法、スピンコート法、フローコート法、スプレー法、バーコート法、グラビアコート法、ロールコート法、ブレードコート法、エアーナイフコート法等の方法が挙げられる。
なお、光線としては、紫外線、電子線、X線、放射線および高周波線等が好ましく挙げられ、特に180〜500nmの波長を有する紫外線が経済的に好ましい。光源としては、キセノンランプ、低圧水銀灯、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライドランプ、カーボンアーク灯、タングステンランプ等の紫外線照射装置、電子線照射装置、X線照射装置、高周波発生装置等が使用できる。
光の照射時間は、光硬化性単量体(A)の種類、光重合開始剤(C)の種類、塗膜の厚さ、光源等の条件により適宜変えうる。通常は0.1〜60秒間照射することにより目的が達成され、実験により適切な照射時間を決定すればよい。さらに硬化反応を完結させる目的で、光照射後に加熱処理することもできる。
上記基板としては、各種材料からなる基板を使用できる。例えば、ガラス基板、石英基板、金属基板、シリコン基板、セラミック基板などの無機質材料からなる基板、プラスチック基板などの有機質材料からなる基板、それら材料の複合体からなる基板などが挙げられる。基板の厚さは限定されるものではなく、薄いフィルム状の基板であってもよい。2枚の基板間で光硬化性組成物を光硬化させる場合には、少なくとも一方の基板は光線透過性である必要がある。基板上でまたは2枚の基板間で光硬化させた後、硬化物の膜(以下、硬化膜ともいう)は基板から剥離することもできる。剥離される基板の表面は離型性の表面を有することが好ましい。硬化膜が剥離されない基板は、硬化膜との密着性を向上させた表面を有することが好ましい。これらの基板表面の特性は、基板表面を表面処理することで付与することができる。
本発明の光硬化性組成物を硬化させて得られる硬化膜の厚さは、所望により種々の厚さを採用できる。通常は0.1〜50μmの厚さの硬化膜が好ましく、特に0.2〜10μmの厚さの硬化膜を形成することが好ましい。
本発明の光硬化性組成物は、下記のような特性を得やすい。
・硬化物の屈折率(n)が1.3〜1.6。
・硬化物の厚さが200μmのときの可視光線透過率が92%以上。
・硬化物表面の、室温における水に対する接触角が初期90°以上かつ耐湿試験後(60℃、90%Rh、500時間)85°以上。
・硬化物の線膨張係数が−50℃から200℃において100ppm/℃以下。
屈折率(nd)は、厚さ10μmの硬化物について、アッベ屈折率計(589nm、25℃)を用いて測定する。
可視光線透過率は、積分式光線透過率測定器を用い、400nm〜780nmの光の全光量T1とサンプル透過光T2との比(T2×100/T1)により求める。
水に対する接触角は、接触角測定装置を用いて測定する。
本発明の光硬化性組成物を硬化させて得た硬化物は微細パターン形成体であるのが好ましい。本発明の光硬化性組成物は、微細パターンを表面に有するモールドを本発明の光硬化性組成物の被膜に押圧して、モールドの微細パターンを転写した後に、光照射により硬化物にして微細パターンの反転パターンを表面に有する微細パターン形成体を提供する光硬化性組成物として用いられるのが好ましい。モールドは表面に微細パターンを有する前記基板であってもよく、前記基板とは別ものであってもよい。以下、前記基板であるか否かに係わらず、表面に微細パターンを有するものをモールドといい、表面に微細パターンを有しないものを基板という。
本発明は、また、前記光硬化性組成物を、表面に微細パターンを有するモールドの該パターン面上で硬化させた硬化体からなる、微細パターン形成体である。前記光硬化性組成物がモールド表面の微細な凹凸パターンに接した状態で硬化されることにより、モールドの微細パターンが反転した(モールドの凹凸とは逆の凹凸となった)微細パターンを表面に有する硬化体からなる微細パターン形成体が得られる。
微細パターン形成体は、モールドと基板の間または2つのモールドの間に光硬化性組成物を挟持して押圧し、その状態で光硬化性組成物を光硬化させて製造されることが好ましい。より具体的には、前記基板上に光硬化性組成物の塗膜を形成する方法と同様にして、モールドまたは基板の表面に光硬化性組成物の塗膜を形成し、次いで塗膜表面に他方のモールドまたは基板を押圧して光硬化性組成物を挟持し、その状態で光硬化性組成物を光硬化させる。特に、基板表面に光硬化性組成物の塗膜を形成し、次いで塗膜表面にモールドを押圧して光硬化性組成物を挟持し、その状態で光硬化性組成物を光硬化させることが好ましい。
微細パターン形成体は、基板やモールドから剥離した光硬化性組成物の硬化物単独からなるものばかりでなく、その製造に使用した基板やモールドと一体状態のままであってもよい。すなわち、微細パターン形成体の片面や両面に基板やモールドが付着した状態のものであってもよい。微細パターン形成体を基板やモールドが付着した状態で使用する場合は、微細パターン形成体と基板やモールドの接触面は高い接着強度を有していることが好ましい。逆に、基板やモールドの少なくとも一方と微細パターン形成体とが剥離される場合は、剥離される基板やモールドの表面は充分な離型性を有することが好ましい。
微細パターン形成体用の基板としては、前記の基板が使用できる。特にガラス基板やプラスチック基板が好ましい。これら基板としては、必要に応じて、透明性、寸法安定性、離型性、耐磨粍性等を考慮して決めればよい。具体的には、プラスチック基板の場合には、例えば、芳香族ポリカーボネート樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリメタクリルイミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、環状ポリオレフィン樹脂、ABS樹脂、MS(メチルメタクリレート・スチレン)樹脂等の材料からなる基板が挙げられる。また、基板が後で剥離される場合や反射型の素子として使用される場合には、不透明なセラミックス基板や金属基板であってもよい。基板が後で剥離される場合は、基板表面に予め離型性にする表面処理を施しておくことができる。また、基板が剥離されない場合は、基板の表面に予め密着性を高める表面処理(シランカップリング処理、シラザン処理等)を施しておくことができる。
モールドとしては、シリコンウェハ、SiC、マイカ、金属等の非透光材料からなるモールド、ガラス、石英、透明プラスチック等の透光材料からなるモールドが挙げられる。ただし、基板とモールドの組合わせまたは2枚のモールドの組合わせの少なくとも一方は光硬化のために照射する光に対して透光性である必要がある。基板の場合と同様に、モールドが後で剥離される場合は、モールド表面に予め離型性にする表面処理を施しておくことができ、モールドが剥離されない場合は、モールドの表面に予め密着性を高める表面処理を施しておくことができる。
光硬化性組成物の光硬化後基板またはモールドが剥離される場合であってかつそれが透光性の材料からなる場合、その透光性のプラスチック材料としてはポリジメチルシロキサンなどの透明シリコーン樹脂や透明フッ素樹脂が好ましい。これらは高い透明性を有すると同時に離型性に優れた材料である。これら材料からなる基板やモールドは、全体がこれら材料からなっていてもよく、光硬化性組成物に接する表面にこれら材料の層を有するものであってもよい。特に、透明フッ素樹脂は、透明性と離型性に優れ、繰り返し使用しても離型性が低下しないことより、微細パターンを有するモールドの表面材料として好ましい。
上記透明フッ素樹脂は、主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有する含フッ素重合体であり、この含フッ素重合体は無定形または非結晶性の重合体で透明性が高い。主鎖に含フッ素脂肪族環構造を有するとは、重合体における含フッ素脂肪族環の環を構成する炭素原子の1個以上が重合体の主鎖を構成する炭素原子であることをいう。含フッ素脂肪族環の環を構成する原子は、炭素原子以外に酸素原子や窒素原子等を含んでいてもよい。好ましい含フッ素脂肪族環は1〜2個の酸素原子を有する含フッ素脂肪族環である。含フッ素脂肪族環を構成する原子の数は4〜7個であるのが好ましい。主鎖を構成する炭素原子は、環状単量体を重合させて得た重合体である場合には重合性二重結合の炭素原子に由来し、ジエン系単量体を環化重合させて得た重合体である場合には2個の重合性二重結合の4個の炭素原子に由来する。
上記環状単量体とは、含フッ素脂肪族環を有し、かつ該含フッ素脂肪族環を構成する炭素原子−炭素原子間に重合性二重結合を有する単量体、または、含フッ素脂肪族環を有し、かつ該含フッ素脂肪族環を構成する炭素原子と含フッ素脂肪族環外の炭素原子の間に重合性二重結合を有する単量体である。上記ジエン系単量体とは、2個の重合性二重結合を有する単量体である。環状単量体およびジエン系単量体において、炭素原子に結合した水素原子と炭素原子に結合したフッ素原子の合計数に対する炭素原子に結合したフッ素原子の数の割合は、それぞれ、80%以上であるのが好ましく、100%であるのが特に好ましい。環状単量体としては、例えば、パーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)やパーフルオロ(2−メチレン−1,3−ジオキソラン)が挙げられる。環化重合しうるジエン系単量体としては、例えば、パーフルオロ−3−オキサ−1,6−ヘプタジエンやパーフルオロ−3−オキサ−1,5−ヘキサジエンが挙げられる。これら透明フッ素樹脂を使用したモールドとしては、例えば国際公開第2006/059580号パンフレット記載のモールドが挙げられる。
本発明の微細パターン形成体の製造方法は、少なくとも以下の工程A、工程Bおよび工程Cを有する方法であることが好ましい。
工程Aでは、本発明の光硬化性組成物を、表面に微細パターンを有するモールドの該パターン面と基板の表面との間に挟持して押圧する。次の工程Bでは、光照射により光硬化性組成物を硬化させて、モールドの微細パターンが転写された表面を有する硬化物からなる微細パターン形成体を形成する。その次の工程Cでは、モールドおよび基板の少なくとも一方を硬化物から剥離して、微細パターン形成体、または、基板と一体の微細パターン形成体、または、モールドと一体の微細パターン形成体を得る。さらに必要に応じて工程Dとして、微細パターン形成体を基板またはモールドから剥離して分離された微細パターン形成体を得る。
以下に本発明の好ましい製造方法を図面を参照して説明する。
図1は、基板1上に、光硬化性組成物3を載置し、微細パターンを形成したモールド2をその上に配置した状態を模式的に示す断面図である。
図2は、基板1とモールド2とで光硬化性組成物3を挟持して押圧した状態を示し、光硬化性組成物3の表面が凹凸状に変形した状態を模式的に示す断面図である。
図1と図2とで、上記工程Aを示している。
基板上に光硬化性組成物を配置するためには、具体的には以下のような方法がある。
図1で示したように、光硬化性組成物を基板表面に配置してから、光硬化性組成物がモールドのパターン面に接するように、モールドを基板側に押圧する。また、逆に、光硬化性組成物をモールドのパターン面に配置してから、光硬化性組成物が基板に接するように、基板をモールド側に押圧してもよい。また、予め、基板とモールドとを組み合わせて、基板表面とモールドのパターン面との間に空隙を形成し、次いでこの空隙に光硬化性組成物を注入し充填して基板とモールドとで押圧するようにしてもよい。また、注入圧を利用して光硬化性組成物を基板とモールドとに押圧するようにしてもよい。
基板面またはモールドのパターン面に光硬化性組成物を薄膜状に配置する場合には、前記塗布法以外に、ポッティング法、キャスト法、ラングミュアープロジェット法、真空蒸着法等の方法を用いることもできる。光硬化性組成物は、基板全面に被覆させても基板一部のみに被覆させてもよい。基板とモールドを押圧する際のプレス圧力(ゲージ圧)は、10MPa以下が好ましく、0.1〜5MPaがより好ましい。基板とモールドとの間の空隙に光硬化性組成物を注入し充填する方法としては、通常の液晶表示素子等で用いられている真空注入法や加圧注入法と類似の方法を使用できる。また、毛細管現象を用いた注入方法でもよい。
図3は、光硬化性組成物に光照射を行い、光硬化性組成物を硬化させて硬化物4とした状態を示す正面図である。図3は工程Bを示している。
工程Bにおける光照射による光硬化性組成物の硬化は、透光材料製モールドを用いた場合には該モールド側から光照射する方法、透光材料製基板を用いた場合には該基板側から光照射する方法によって行えばよい。照射する光は、前記のように使用する光硬化性組成物が硬化をする波長の光であればよく、通常は200〜400nmの光が好ましく用いられる。光照射の光源としては、高圧水銀灯等が用いられる。
本発明の光硬化性組成物は低粘性かつ硬化性が高い傾向があるため、工程Aまたは工程Bを低温域、すなわち0〜60℃で行うのが好ましい。また、この組成物の硬化物は離型性が高く、モールドから円滑に剥離できるため、工程C、または工程Dも低温域、すなわち0〜60℃で行うのが好ましい。したがって、本発明の製造方法は全工程を低温域、すなわち0〜60℃で行うことが可能であり有利である。
図4は、硬化した状態からモールド2を剥離した状態を示す正面図である。図4は、工程Cを示している。図4では、硬化物4が基板1に付着した状態を示しており、モールド2のみが剥離されている。この状態では、硬化物4が基板1に付着した微細パターン形成体とされている。
図5は、硬化物4から基板1を剥離して、硬化物4のみとした状態を示す正面図である。図5は工程Dを示している。図5では、硬化物4が基板1から剥離されて、硬化物4のみとなっている状態を示している。この状態では、硬化物4のみで微細パターン形成体とされている。
本発明の微細パターン形成体は、図4に示すように、硬化物4が基板1に付着したまま微細パターン形成体として光学素子として使用してもよいし、図5に示すように、基板1を剥離して硬化物4のみからなる微細パターン形成体として光学素子として使用してもよい。硬化物4がモールドに一体化したまま使用することも可能である。
上記のほかに、ロール状やコンベヤー状のモールドを用いて、長尺の微細パターン形成体の連続製造方法も可能である。また、上記のようにして剥離した微細パターン形成体を他の素子、例えば、位相板、回折格子、偏光板、レンズ等に積層して用いてもよい。
ロール状のモールドを用いる場合、モールドは離型性を有することが好ましい。例えば、表面を離型処理したロール状モールド、表面に離型層を有するロール状モールド等が挙げられる。
表面を離型処理したロール状モールドとしては、例えば、金属、ゴム、樹脂、またはセラミック製のロール状モールドであって表面を離型剤で処理したモールドが挙げられる。
表面に離型層を有するロール状モールドとしては、例えば、金属、ゴム、樹脂、またはセラミック製のロール状モールドであって表面に離型処理層を設けたモールドが挙げられる。離型処理層としては、表面張力の小さい層(フッ素樹脂、シリコン樹脂、ポリオレフィン系樹脂、またはそれらのオリゴマー等からなる被覆層;メッキ、蒸着、プラズマ、焼付け等により形成した金属複合酸化物層、またはセラミック層等)が挙げられる。
特に、離型性に優れたフッ素樹脂からなる被覆層を有するロール状モールドが好ましい。そのようなモールドの製造方法としては、ロール表面にフッ素樹脂を塗布し、フッ素樹脂層に微細パターンを形成する方法;フィルム(PETやポリイミド等)または金属箔の表面にフッ素樹脂を塗布し、フッ素樹脂層に微細パターンを形成し、フッ素樹脂層を有するフィルムまたは金属箔をロールに貼り付ける方法が挙げられる。
本発明における微細パターンは、表面に凸部と凹部とを有する微細パターンであり、特に、凸部と凹部とが繰り返し形成された微細パターンであり、凸部と凸部との間隔の平均値が、1nm〜500μmである微細パターンが好ましい。この微細パターンにおいて凸部と凸部との間隔(L1)の平均値は、1nm〜100μmが好ましく、10nm〜10μmが特に好ましい。凸部の幅(L2)の平均値は、1nm〜50μmが好ましく、10nm〜5μmが特に好ましい。凸部の高さ(L3)の平均値は、1nm〜100μmが好ましく、10nm〜10μmが特に好ましい。硬化物4のみからなる微細パターン形成体の厚さ(L4)は、凸部の高さ(L3)と微細パターン形成体の本体の厚さの合計の厚さであり、微細パターン形成体の本体の厚さ(L4−L3)は、10nm以上が好ましく、その上限は限定されない。特に、微細パターン形成体の本体の厚さ(L4−L3)は、そこにおける凸部の高さ(L3)の平均値と同等以上であることが好ましく、さらに、そこにおける凸部の高さ(L3)の平均値と同等以上であってかつ100nm以上であることが好ましい。微細パターン形成体の本体の厚さ(L4−L3)の上限は限定されるものではないが、厚すぎると硬化物の光透過性の低下や熱膨張の影響の増大などの問題が懸念される。したがって、この厚さの上限は1mmが好ましく、特に500μmが好ましい。
凸部の形状としては、円柱状、角柱状、三角錐状、多面体状、半球状等が挙げられる。凸部の断面形状としては、断面四角形、断面三角形、断面半円形等が挙げられる。
本発明においては、モールドの微細パターンの最小寸法が50μm以下、より小さくは500nm以下、さらに小さくは50nm以下であっても、微細パターンを高精度に硬化物に転写できる。微細パターンの最小寸法とは、モールドの凸部の高さ、凸部の幅、凹部の幅のうち最小の値を意味する。最小寸法の下限は、特に限定されず、1nmが好ましい。
本発明の微細パターン形成体の製造方法は、光インプリント法であるため、従来のリソグラフィ法に比べ製造工程が少なく、微細パターン形成体を生産性よく製造でき、かつ大面積化できる。
本発明の製造方法により得た微細パターン形成体は、表面にモールドの微細パターンが高精度に転写されている。この微細パターン形成体は、マイクロレンズアレイ、光導波路素子、光スイッチング素子、フレネルゾーンプレート素子、バイナリー光学素子、ブレーズ光学素子、フォトニクス結晶等の光学素子、反射防止部材、バイオチップ部材、マイクロリアクターチップ部材、触媒担持部材等として有用である。
本発明の光硬化性組成物を本発明の製造方法で製造して得た微細パターン形成体は、特に、ワイヤグリッド偏光子として有用である。
本発明の光硬化性組成物の硬化膜の屈折率(nd)が1.6以下であると、青色光領域におけるP偏光の透過性が高くなり、高い偏光分離能を広帯域にわたり示す。
本発明の光硬化性組成物の硬化膜の可視光線透過率が92%以上であると、P偏光の透過性が高くなり、偏光分離能が高くなる。
本発明の光硬化性組成物の硬化膜の水に対する接触角が90°以上であると、光インプリント法により凸条を形成する際、モールドとの離型性がよくなり、精度の高い転写が可能となり、得られるワイヤグリッド偏光子が目的とする性能を充分に発揮できる。
図6は、本発明のワイヤグリッド偏光子の一例を示す斜視図である。ワイヤグリッド偏光子10は、複数の凸条12が互いに平行にかつ一定のピッチPpで表面に形成された、光硬化樹脂からなる微細パターン形成体14と、微細パターン形成体14の凸条12上に形成された金属細線16とを有する。
凸条12のピッチPpは、凸条12の幅Dpと、凸条12間に形成される溝の幅との合計である。凸条12のピッチPpは、300nm以下が好ましく、50〜200nmがより好ましい。ピッチPpを300nm以下とすることにより、ワイヤグリッド偏光子10が充分に高い反射率、および、400nm程度の短波長領域においても高い偏光分離能を示す。また、回折による着色現象が抑えられる。
凸条12の幅DpとピッチPpの比(Dp/Pp)は、0.1〜0.6が好ましく、0.25〜0.55がより好ましい。Dp/Ppを0.1以上とすることにより、ワイヤグリッド偏光子10の偏光分離能が充分に高くなる。Dp/Ppを0.6以下とすることにより、干渉による透過光の着色が抑えられる。
凸条12の高さHpは、50〜500nmが好ましく、60〜300nmがより好ましい。高さHpを50nm以上とすることにより、凸条12上への金属細線16の選択的な形成が容易となる。高さHpを500nm以下とすることにより、ワイヤグリッド偏光子10の偏光度の入射角度依存性が小さくなる。
金属細線16の幅Dmは、凸条12の幅Dpと同じであることが好ましい。
金属細線16の高さHmは、30〜300nmが好ましく、50〜200nmがより好ましい。高さHmを30nm以上とすることにより、ワイヤグリッド偏光子10が充分に高い反射率および偏光分離能を示す。高さHmを300nm以下とすることにより、光の利用効率が上がる。
微細パターン形成体14の厚さHは、0.5〜100μmが好ましく、0.6〜50μmがより好ましく、0.8〜20μmが特に好ましい。
金属細線は、凸条上のみに形成され、凸条間の溝にはほとんど形成されていない。金属細線が凸条上のみに形成されているため、ワイヤグリッド偏光子の屈折率は、金属細線に隠れた凸条における光硬化性組成物の硬化物の屈折率ではなく、凸条間の溝に存在する空気の屈折率となる。そのため、平坦な基板上に金属細線が形成された従来のワイヤグリッド偏光子に比べ、レイリー共鳴の最大波長が短波長にシフトし、短波長側の偏光分離能が向上する。
金属細線の材料としては、可視光に対する反射率が高く、可視光の吸収が少なく、かつ高い導電率を有する点から、銀、アルミニウム、クロム、マグネシウムが好ましく、アルミニウムが特に好ましい。
金属細線の断面形状としては、正方形、長方形、台形、円形、楕円形、その他様々な形状が挙げられる。
金属細線は、厚さおよび幅が非常に微細であり、わずかな傷つきによりワイヤグリッド偏光子の性能が低下する。また、錆により金属細線の導電率が低下し、ワイヤグリッド偏光子の性能が低下する。よって、金属細線の損傷および錆を抑えるために、金属細線を保護層で被覆してもよい。
金属細線16の形成方法としては、蒸着法、スパッタ法、めっき法等が挙げられ、凸条12上に金属細線16を選択的に形成する点から、斜方蒸着法が好ましい。本発明のように狭いピッチかつ凸条の高さがある場合、斜方蒸着を充分低い角度から行うことにより、凸条12上に選択的に金属の層を形成することができる。また、薄い金属の層を斜方蒸着法により形成し、その後めっき法で他の金属の層をその上に重ねて、所望の厚みの金属細線を形成することもできる。
以上説明した本発明のワイヤグリッド偏光子は、複数の凸条が互いに平行にかつ一定のピッチで表面に形成された微細パターン形成体と、該微細パターン形成体の凸条上に形成された金属細線とを有するため、可視光領域で高い偏光分離能を示す。また、微細パターン形成体が光硬化性組成物からなるため、耐熱性、耐久性に優れる。
以下、本発明を実施例(例1〜30、52〜57)、比較例(例31〜51)に基づき説明するが、本発明はこれらに限定されない。例1〜57の光硬化性組成物の組成を表1、2に示した。例についての各種物性の測定および評価は以下に示す方法で行った。例1〜57の結果を表3〜5に示した。
・光硬化性組成物の測定および評価
[水酸基の割合]
光硬化性組成物における多官能性単量体(A1)と2官能性単量体(A2)の合計量(mol)に対する水酸基の総量(mol)の割合(%)を原料の配合割合から算出し表2に記載(「OH」と表記)した。なお、2官能性単量体(A2)を含まない光硬化性組成物である例40〜50では水酸基の割合を省略した。
[2官能性単量体(A2)の割合]
光硬化性組成物における多官能性単量体(A1)と2官能性単量体(A2)の合計量(mol)に対する2官能性単量体(A2)の量(mol)の割合(%)を原料の配合割合から算出した。なお、表2において、「A2/(A1+A2)」と表記した。
[コロイド状シリカ(B)の割合]
光硬化性単量体(A)の100質量部に対するコロイド状シリカ(B)(固形分)の割合を算出し表3に「B/A」として表記した。
[粘度]
E型粘度系(TOKIMEC社製、TVE−20L)を用い、溶剤を実質的に含まない光硬化性組成物の25℃および50℃における粘度(mPa・s)を測定した。なお、例1〜30においては、25℃の粘度が200mPa・sを超えるものについてのみ50℃における粘度を測定した。
・硬化膜の測定および評価
[屈折率]
硬化膜(厚さ10μm)について、アッベ屈折率計(589nm、25℃)を用いて測定した。
[ヘーズ]
硬化膜(厚さ200μm)について、ヘーズメーター(東洋精機社製、HAZE−GARDII)を用いてヘーズ(%)を測定した。
[透過率]
硬化膜(厚さ200μm)について、積分式光線透過率測定器を用い、400nm〜780nmの光の全光量T1とサンプル透過光T2との比(T2/T1×100)により透過率(%)を求めた。
[接触角]
自動接触角計(DSA10D02:独クルス社製)を用いて、乾燥状態(20℃、相対湿度65%)で蒸留水の液滴(3μL)を針先に作り、これを硬化膜の表面に接触させて液滴を作った。固体と液体が接触する点における液体表面に対する接線と固体表面がなす角で、液体を含む方の角度(°)を測定した。また、接触角は初期サンプルと、耐湿試験後のサンプル(60℃、相対湿度95%の湿潤環境下に500時間保存)について測定した。
[線膨張係数]
硬化膜(厚さ100μm)について、荷重たわみ試験装置(島津製作所製、TMA−50)を用いて、温度−50℃〜200℃で昇温、降温を行い、線膨張係数(ppm/℃)を測定した。
・微細パターン形成体の測定および評価
[耐久性試験]
微細パターン形成体を恒温恒湿槽(タバイエスペックス社製、PH−2KT)を用いて高温高湿(60℃、90%RH)に1000時間保持した。クラック発生状況および白濁状況を目視および顕微鏡により観察した。
・ワイヤグリッド偏光子の測定および評価
[光学特性]
紫外可視分光光度計(JASCO社製)を用いて、ワイヤグリッド偏光子に対してp偏光、s偏光それぞれを入射させ、450nm〜700nmにおけるp偏光の透過率(Tp%)、s偏光の反射率(Rs%)を測定した。また、s偏光の透過率(Ts%)も測定し、消光比(ER)を下式に基づいて計算した。
消光比(ER)=10×log10(Tp/Ts)
各原料は、下記に示すものを用いた。
(1)光硬化性単量体(A)
DPH:「NK エステル A−DPH」(新中村化学工業社製)
本願発明者らのH−NMR分析によると、ジペンタエリスリトールペンタアクリレートおよびジペンタエリスリトールヘキサアクリレートが、41:59(mol比)で含まれていた。
TMP:「NK エステル AD−TMP」(新中村化学工業社製)
本願発明者らの分析によると、ジトリメチロールプロパントリアクリレートおよびジトリメチロールプロパンテトラアクリレートが、36:64(mol比)で含まれていた。
TMM3L:「NK エステル A−TMM−3L」(新中村化学工業社製)
本願発明者らの分析によると、ペンタエリスリトールジアクリレートおよびペンタエリスリトールトリアクリレートが、42:58(mol比)で含まれていた。
TMMT:「NK エステル A−TMMT」(新中村化学工業社製)
本願発明者らの分析によると、ペンタエリスリトールトリアクリレートおよびペンタエリスリトールテトラアクリレートが、15:85(mol比)で含まれていた。
TMPT:「NK エステル A−TMPT」(新中村化学工業社製)、トリメチロールプロパントリアクリレート。
NPG:「NK エステル A−NPG」(新中村化学工業社製)、ネオペンチルグリコールジアクリレート。
HD:「NK エステル A−HD−N」(新中村化学工業社製)、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート。
DOD:「NK エステル A−DOD−N」(新中村化学工業社製)、1,10−デカンジオールジアクリレート。
NOD:「NK エステル A−NOD−N」(新中村化学工業社製)、トリシクロデカンジメタノールジアクリレート。
DCP:「NK エステル A−DCP」(新中村化学工業社製)トリシクロデカンジメタノールジアクリレート。
EA−5520「NK オリゴ EA−5520」(新中村化学工業社製)1,4−ブタンジオールジグリシジルエーテルジアクリレート。
EA−1020「NK オリゴ EA−1020」(新中村化学工業社製)ビスフェノールA型エポキシジアクリレート。
AAE−100:「ブレンマー AAE−100」(日本油脂社製)ジエチレングリコールモノアクリレート。
C12Ac:「ブレンマー LA」(日本油脂社製)ラウリルアクリレート。
C16Ac:「ブレンマー CA」(日本油脂社製)セチルアクリレート。
B18A:「ブレンマー B18A」(日本油脂社製)2−ステアリルイコシルアクリレート。
AAE−300:「ブレンマー AAE−300」(日本油脂社製)ヘキサエチレングリコールモノアクリレート。
ALE−200:「ブレンマー ALE−200」(日本油脂社製)ラウロキシテトラエチレングリコールモノアクリレート。
U−15HA:水酸基を有するジペンタエリスリトールポリアクリレートと部分ヌレート化ヘキサメチレンジイソシアネートの反応生成物であるウレタンアクリレート(1分子あたり平均15個のアクリロイルオキシ基を含有)。
(2)コロイド状シリカ(B)
B−1:エチルセロソルブ分散型コロイド状シリカ(シリカ含量30質量%、平均粒径11nm)100質量部に、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン2.5質量部を加え80℃にて窒素気流下5時間加熱撹拌した後、12時間室温下で熟成して得られた。固形分濃度は、30%であった。
B−2:エチルセロソルブ分散型コロイド状シリカ(シリカ含量30質量%、平均粒径11nm)100質量部に、3−メタクリロイルオキシトリメトキシシラン2.5質量部を加え80℃にて窒素気流下5時間加熱撹拌した後、12時間室温下で熟成して得られた。固形分濃度は、30%であった。
(3)光重合開始剤(C)
C−1:「IRGACURE907」(チバスペシャリティーケミカルズ社製)。
C−2:「IRGACURE184」(チバスペシャリティーケミカルズ社製)。
C−3:「IRGACURE754」(チバスペシャリティーケミカルズ社製)。
C−4:「IRGACURE2959」(チバスペシャリティーケミカルズ社製)。
C−5:「IRGACURE127」(チバスペシャリティーケミカルズ社製)。
(4)撥水性付与剤(D)
D−1:撹拌機および冷却管を装着した300mLの4つ口フラスコに、チタンテトライソブトキサイド(80mg)、片末端に水酸基を有するジメチルシリコーンオイル(信越化学工業社製「X−22−170BX」、水酸基価は18.5。)(100g)およびε−カプロラクトン(25g)を入れ、150℃にて5時間撹拌し、ジメチルシリコーンオイルの片末端にε−カプロラクトンが開環付加した、白色ワックス状の化合物を得た。カプロラクトンの平均重合度は6.6であった。
得られた化合物を室温に冷却し、酢酸ブチル(50g)および2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール(250mg)を加え、30分間撹拌した後、2−イソシアネートエチルメタクリレート(5.05g)を加えて、室温でさらに24時間撹拌し、末端がメタクリロイルオキシ基で修飾された化合物を得た。数平均分子量は、約3750であった。
(5)重合禁止剤(E)
E−1:「Q1301」(和光純薬社製)。
[例1]
(例1−1)光硬化性組成物の調製例
撹拌機および冷却管を装着した1000mLの4つ口フラスコに、単量体(DPH)(60g)、単量体(NPG)(40g)、光重合開始剤(C−1)(1.3g)、撥水性付与剤(D−1)(0.13g)重合禁止剤(E−1)(1.0g)、およびシクロヘキサノン(65.0g)を入れ、常温および遮光にした状態で、1時間撹拌して均一化した。続いて撹拌しながら、100gのコロイド状シリカ(B−1)(固形分は30g)をゆっくりと加え、さらに常温および遮光にした状態で1時間撹拌して均一化した。次いで、シクロヘキサノン(340g)を加え、常温および遮光にした状態で1時間撹拌して光硬化性組成物1の溶液を得た。
(例1−2)硬化膜の形成例
厚さ0.5mmのガラス板(100mm×100mm)からなる基材の表面に、得られた光硬化性組成物1の溶液をスピンコータを用いて塗工(1000rpm×10秒)し、90℃の熱風循環オーブン中で1分間保持して乾燥せしめ、光硬化性組成物1の塗膜を形成した。次いで、高圧水銀ランプを用いて1200mJ/cm(波長300〜390nm領域の紫外線積算エネルギー量。以下同じ。)の紫外線を照射して、該塗膜を硬化せしめて、膜厚200μmの硬化膜を形成した。同様にして、膜厚100μmの硬化膜、膜厚10μmの硬化膜を形成した。ガラス板一体型の硬化膜について、その評価結果を表3に示した。
(例1−3)微細パターン形成体の製造例その1
凹凸構造を表面に有するモールドとして、石英製モールド(20mm四方)を使用した。該モールドは、その表面の中心の10mm四方に、格子形状の凹凸構造(図1において、M1=500nm、M2=250nm、M3=350nm。凸条は図1において奥行方向に10mmの長さを持つ。凸条の長手方向に直交する断面形状は矩形である。)が形成されている。
厚さ100μmの高透過PETフィルム(帝人デュポン社製「帝人テトロンO3」(20mm×20mm)からなる基材の表面に、光硬化性組成物1の溶液をスピンコータを用いて塗工(1000rpm×10秒)し、90℃の熱風循環オーブン中で1分間保持して乾燥し、光硬化性組成物1の塗膜を形成した。
次いで、石英製モールドを図1および図2に示すように、PETフィルム上の光硬化性組成物1の塗膜に押し付けて、そのまま0.5MPa(ゲージ圧)でプレスした。
つぎに25℃にて、モールド側から高圧水銀灯を15秒間照射して、光硬化性組成物1の硬化物を得た。モールドを硬化物から剥離して、モールドの凹凸構造が反転した凹凸構造を表面に有する光硬化性組成物1の硬化物がPETフィルム上に形成された微細パターン形成体を得た。得られた微細パターン形成体の厚さ(図5のL4;以下同様)は1μmであった。さらに、PET基板から硬化物を剥離して硬化物のみからなる微細パターン形成体を得ることもできた。微細パターン形成体のサイズを表6に示した。
(例1−4)ワイヤグリッドの製造例その1
例1−3で得られたPET基板付きの微細パターン形成体の凸条上に、斜方蒸着法にてアルミニウムを蒸着させ、凸条上に金属膜(厚さ:150nm、幅:250nm)を形成し、PET基板を有するワイヤグリッド偏光子を得た。その評価結果を表5に示した。また、ワイヤグリッドのサイズを表7に示した。
(例1−5)微細パターン形成体の製造例その2
凹凸構造を表面に有するモールドとして、ニッケル製モールド(20mm四方)を使用した。該モールドは、その表面の中心の10mm四方に、格子形状の凹凸構造(図1において、M1=150nm、M2=90nm、M3=200nm。凸条は図1において奥行方向に10mmの長さを持つ。凸条の長手方向に直交する方向の断面形状は矩形である。)が形成されている。
厚さ500μmの石英基板(4インチΦ)からなる基材の表面に、光硬化性組成物1の溶液をスピンコータを用いて塗工(1000rpm×10秒)し、90℃の熱風循環オーブン中で1分間保持して乾燥し、光硬化性組成物1の塗膜を形成した。
次いで、ニッケル製モールドを図1および図2に示すように、石英基板上の光硬化性組成物1の塗膜に押し付けて、そのまま0.5MPa(ゲージ圧)でプレスした。
つぎに25℃にて、石英基板側から高圧水銀灯を15秒間照射して、光硬化性組成物1の硬化物を得た。モールドを硬化物から剥離して、モールドの凹凸構造が反転した凹凸構造を表面に有する光硬化性組成物1の硬化物が石英基板に形成された微細パターン形成体を得た。得られた微細パターン形成体の厚さは2μmであった。さらに、石英基板から硬化物を剥離して硬化物のみからなる微細パターン形成体を得ることもできた。微細パターン形成体のサイズを表6に示した。
(例1−6)ワイヤグリッドの製造例その2
例1−5で得られた石英基板付きの微細パターン形成体の凸条上に、斜方蒸着法にてアルミニウムを蒸着させ、凸条上に金属膜(厚さ:60nm、幅:60nm)を形成し、石英基板を有するワイヤグリッド偏光子を得た。その評価結果を表5に示した。また、ワイヤグリッドのサイズを表7に示した。
(例1−7)透明フッ素樹脂層付石英基板の透明フッ素樹脂層表面に格子形状の凹凸構造を有するモールドの作製例
国際公開第2006/05980号パンフレットの「実施例4」に記載されている方法で、3−オキサ−1,6−ヘプタジエンの環化重合体からなる透明フッ素樹脂層(層厚1μm)を表面に有する石英基板(20mm四方)を製造した。次いで、例1−3で用いた石英モールドを120℃に加熱し、上記石英基板の透明フッ素樹脂層側に2.0MPa(絶対圧)で10分間、圧着させた。モールドと石英基板の温度を30℃以下にしてからモールドを剥離した。
その結果、石英基板の透明フッ素樹脂層の表面の中心の10mm四方に、格子形状の凹凸構造(図1において、M1=500nm、M2=250nm、M3=350nm。凸条は図1において奥行方向に10mmの長さを持つ。凸条の長手方向に直交する断面形状は矩形である。)を有するモールドを得た。
(例1−8)微細パターン形成体の製造例その3
厚さ100μmの高透過PETフィルム(帝人デュポン社製「帝人テトロンO3」(20mm×20mm)からなる基材の表面に、例1−1で調製した光硬化性組成物1の溶液をスピンコータを用いて塗工(1000rpm×10秒)し、90℃の熱風循環オーブン中で1分間保持して乾燥し、光硬化性組成物1の塗膜を形成した。
次いで、例1−7で作製した透明フッ素樹脂層付石英基板からなるモールドを図1および図2に示すように、PETフィルム上の光硬化性組成物1の塗膜に押し付けて、そのまま0.5MPa(ゲージ圧)でプレスした。
つぎに25℃にて、PETフィルム側から高圧水銀灯を15秒間照射して、光硬化性組成物1の硬化物を得た。モールドを硬化物から剥離して、モールドの凹凸構造が反転した凹凸構造を表面に有する光硬化性組成物1の硬化物がPETフィルム上に形成された微細パターン形成体を得た。得られた微細パターン形成体の厚さは1μmであった。さらに、PET基板から硬化物を剥離して硬化物のみからなる微細パターン形成体を得ることもできた。微細パターン形成体のサイズを表6に示した。
(例1−9)ワイヤグリッドの製造例その3
例1−8で得られたPET基板付きの微細パターン形成体の凸条上に、斜方蒸着法にてアルミニウムを蒸着させ、凸条上に金属膜(厚さ:60nm、幅:250nm)を形成し、石英基板を有するワイヤグリッド偏光子を得た。その評価結果を表5に示した。また、ワイヤグリッドのサイズを表7に示した。
(例1−10)透明フッ素樹脂層表面に格子形状の凹凸構造を有する円筒型モールドの作製例その1
以下に説明する方法で、3−オキサ−1,6−ヘプタジエンの環化重合体からなる透明フッ素樹脂層(層厚1μm)をアクリル樹脂製のパイプ(厚さ1.8mm、直径30mm、長さ150mm)の表面に有する円筒状のモールド前駆体を製造した。まず、帯電防止剤(ティーエーケミカル社製、コニソルF−205)を、水/イソプロパノール(1/7質量比)の混合溶剤で5倍に希釈し、塗布用の帯電防止剤を調製した。該帯電防止剤を、アクリル樹脂製のパイプに、パイプを120rpmの速度で回転させながらスプレーコート法で1分間塗布し、ドライヤーで乾燥させ、帯電防止層を形成した。帯電防止層の表面抵抗は、109Ω/□であった。
国際公開第2006/05980号パンフレットの「実施例2」に記載されている「組成物1」を帯電防止層上に、パイプを120rpmの速度で回転させながらスプレーコート法にて1分間塗布し、ドライヤーで乾燥させ、プライマー層を形成した。
国際公開第2006/05980号パンフレットの「実施例3」に記載されている「組成物2」をプライマー層上に、パイプを120rpmの速度で回転させながらスプレーコート法にて2分間塗布し、ドライヤーで乾燥させた。3−オキサ−1,6−ヘプタジエンの環化重合体からなる透明フッ素樹脂層の表面が流動しなくなったら、パイプを乾燥機に入れ、140℃で2時間乾燥させ、円筒型モールド前駆体を得た。帯電防止層、プライマー層および3−オキサ−1,6−ヘプタジエンの環化重合体からなる透明フッ素樹脂層の合計の厚さは、約1μmほどであった。
オリジナルモールドとして、ニッケル製モールド(50mm四方)を使用した。該モールドは、その表面の全面に、格子形状の凹凸構造(凸条と凸条との間隔:150nm、凸条の幅:90nm、凸条の高さ:200nm。凸条は奥行方向に50mmの長さを持つ。凸条の長手方向に直交する方向の断面形状は矩形である。)が形成されている。
図7および図8に示すように、オリジナルモールド20を150℃に加熱した。オリジナルモールド20の表面に、円筒型モールド前駆体30の外周面を約1.0MPaの圧力で押しあてた状態で、円筒型モールド前駆体30をオリジナルモールド20の凸条の長手方向に、1rpmの回転速度で回転させた。その結果、円筒型モールド前駆体30の透明フッ素樹脂層32に、オリジナルモールド20の凸条が反転したパターンが形成されており、継ぎ目のないパターン層を有する円筒型モールドが得られた。円筒型モールドの凸条と凸条との間隔は150nm、凸条の幅は60nm、凸条の高さは196nmであり、凸条の長手方向に直交する方向の断面形状は矩形であった。
(例1−11)微細パターン形成体の製造例その4
厚さ100μmの高透過PETフィルム(帝人デュポン社製「帝人テトロンO3」(長さ2m×幅200mm)からなる基材の表面に、例1−1で調製した光硬化性組成物1の溶液をダイコーターを用いて塗工し、90℃の熱風循環式連続乾燥炉の中を1分で通過させ、溶媒を乾燥し、光硬化性組成物1の塗膜を形成した。
図9に示すように、例1−10で作製した円筒型モールド40を1rpmの回転速度で回転させながら、光硬化性組成物1の塗膜52に、室温下、約0.1MPaの圧力で押しあてた状態で、PETフィルム50側から塗膜52に高圧水銀灯60を30秒間照射して、光硬化性組成物1を硬化させた。モールドの凹凸構造が反転した凹凸構造を表面に有する光硬化性組成物1の硬化物がPETフィルム上に形成された微細パターン形成体が得られた。得られた微細パターン形成体の厚さは1μmであった。さらに、PET基板から硬化物を剥離して硬化物のみからなる微細パターン形成体を得ることもできた。微細パターン形成体のサイズを表6に示した。
(例1−12)ワイヤグリッドの製造例その3
例1−11で得られたPET基板付きの微細パターン形成体の凸条上に、斜方蒸着法にてアルミニウムを蒸着させ、凸条上に金属膜(厚さ:60nm、幅:90nm)を形成し、PET基板を有するワイヤグリッド偏光子を得た。その評価結果を表5に示した。また、ワイヤグリッドのサイズを表7に示した。
(例1−13)透明フッ素樹脂層表面に格子形状の凹凸構造を有する円筒型モールドの作製例その2
国際公開第2006/05980号パンフレットの「実施例4」に記載されている方法と同様にして、ポリイミドフィルム(東レ・デュポン社製「カプトン500H」、厚さ125μm、長さ630mm、幅150mm)の表面に、3−オキサ−1,6−ヘプタジエンの環化重合体からなる透明フッ素樹脂層(層厚1μm)を形成した。次いで、例1−10で用いたニッケル製モールドを150℃に加熱し、ポリイミドフィルムの短辺端から30〜80mm、長辺端から50〜100mmの位置で、ポリイミドフィルムの透明フッ素樹脂層側に2.0MPa(絶対圧)で10分間、圧着させた。モールドとポリイミドフィルムの温度を30℃以下にしてからモールドを剥離し、透明フッ素樹脂層上にニッケル製モールドの凸条が反転したパターンを形成した。
再び上記ニッケル製モールドを150℃に加熱し、形成した凸凹形状パターンからポリイミドフィルムの長尺方向に55mm移動した位置で透明フッ素樹脂層側に2.0MPa(絶対圧)で10分間、圧着させた。このプロセスをさらに4回繰り返し、ポリイミドフィルムの透明フッ素樹脂層上に、長尺方向に50mm間隔で、凸凹条パターンを6個形成した。
このポリイミドフィルムを直径200mm、幅200mmのステンレス製ロールにまきつけ、ポリイミドフィルムの両端を接着剤により貼り合せ表面にパターンを有する円筒型モールドを作製した。
(例1−14)微細パターン形成体の製造例その5
例1−11と同様の手法で厚さ100μmの高透過PETフィルム(帝人デュポン社製「帝人テトロンO3」(長さ2m×幅200mm)からなる基材の表面に、光硬化性組成物1の塗膜を形成した。
例1−13で作製した円筒型モールドを用いた以外は例1−11と同様にして、モールドの凹凸構造が反転した凹凸構造を表面に有する光硬化性組成物1の硬化物がPETフィルム上に形成された微細パターン形成体を得た。得られた微細パターン形成体の厚さは1μmであった。さらに、PET基板から硬化物を剥離して硬化物のみからなる微細パターン形成体を得ることもできた。微細パターン形成体のサイズを表6に示した。
(例1−15)ワイヤグリッドの製造例その4
例1−14で得られたPET基板付きの微細パターン形成体の凸条上に、斜方蒸着法にてアルミニウムを蒸着させ、凸条上に金属膜(厚さ:60nm、幅:90nm)を形成し、PET基板を有するワイヤグリッド偏光子を得た。その評価結果を表5に示した。また、ワイヤグリッドのサイズを表7に示した。
(例1−16)透明フッ素樹脂層表面に格子形状の凹凸構造を有する円筒型モールドの作製例その3
国際公開第2006/05980号パンフレットの「実施例4」に記載されている方法と同様にして、3−オキサ−1,6−ヘプタジエンの環化重合体からなる透明フッ素樹脂層(層厚1μm)を表面に有する厚さ75μmのSUS406箔(新日鉄マテリアルズ社製、100mm×100mm)を製造した。次いで、例1−10で用いたニッケル製モールドを150℃に加熱し、上記SUS箔の透明フッ素樹脂層の中央部分に2.0MPa(絶対圧)で10分間、圧着させた。モールドとSUS箔の温度を30℃以下にしてからモールドを剥離し、透明フッ素樹脂層上にニッケル製モールドの凸条が反転したパターンを形成した。このようなSUS箔を2枚用意した。
直径100mm、幅200mmのマグネットロールの側面に、上記SUS箔の1枚を、凸条の方向が円周に平行になるようにして、貼り付けた。その貼り付けたSUS箔と向かい合う位置に、別の1枚のSUS箔を貼り付けた。表面にパターンを有する円筒型モールドが得られた。
(例1−17)微細パターン形成体の製造例その5
例1−11と同様の手法で厚さ100μmの高透過PETフィルム(帝人デュポン社製「帝人テトロンO3」(長さ2m×幅200mm)からなる基材の表面に、光硬化性組成物1の塗膜を形成した。
例1−16で作製した円筒型モールドを用いた以外は例1−11と同様にして、モールドの凹凸構造が反転した凹凸構造を表面に有する光硬化性組成物1の硬化物がPETフィルム上に形成された微細パターン形成体を得た。得られた微細パターン形成体の厚さは1μmであった。さらに、PET基板から硬化物を剥離して硬化物のみからなる微細パターン形成体を得ることもできた。微細パターン形成体のサイズを表6に示した。
(例1−18)ワイヤグリッドの製造例その5
例1−17で得られたPET基板付きの微細パターン形成体の凸条上に、斜方蒸着法にてアルミニウムを蒸着させ、凸条上に金属膜(厚さ:60nm、幅:90nm)を形成し、PET基板を有するワイヤグリッド偏光子を得た。その評価結果を表5に示した。また、ワイヤグリッドのサイズを表7に示した。
[例2]
(例2−1)光硬化性組成物の調製例
原料の配合を表1のように変更した他は例1−1と同様にして、光硬化性組成物2を得た。なお、表1の原料の配合の単位は、グラム(g)である。
(例2−2)硬化膜の形成例
光硬化性組成物1を光硬化性組成物2に変更した他は例1−2と同様にして、硬化膜を得た。その評価結果を表3に示した。
(例2−3)微細パターン形成体の製造例
光硬化性組成物1を光硬化性組成物2に変更した他は例1−3と同様にして、微細パターン形成体を得た。得られた微細パターン形成体の厚さは1μmであった。微細パターン形成体のサイズを表6に示した。
(例2−4)ワイヤグリッドの製造例
例2−3で得られたPET基板付きの微細パターン形成体の凸条上に、例1−4と同様にして凸条上に金属膜(厚さ:150nm、幅:250nm)を形成し、PET基板を有するワイヤグリッド偏光子を得た。その評価結果を表5に示した。また、ワイヤグリッドのサイズを表7に示した。
[例3]
(例3−1)光硬化性組成物の調製例
原料の配合を表1のように変更した他は例1−1と同様にして、光硬化性組成物3を得た。
(例3−2)硬化膜の形成例
光硬化性組成物1を光硬化性組成物3に変更した他は例1−2と同様にして、硬化膜を得た。その評価結果を表3に示した。
(例3−3)微細パターン形成体の製造例
光硬化性組成物1を光硬化性組成物3に変更した他は例1−3と同様にして、微細パターン形成体を得た。得られた微細パターン形成体の厚さは1μmであった。微細パターン形成体のサイズを表6に示した。
(例3−4)ワイヤグリッドの製造例
例3−3で得られたPET基板付きの微細パターン形成体の凸条上に、例1−4と同様にして凸条上に金属膜(厚さ:150nm、幅:250nm)を形成し、PET基板を有するワイヤグリッド偏光子を得た。その評価結果を表5に示した。また、ワイヤグリッドのサイズを表7に示した。
[例4]
(例4−1)光硬化性組成物の調製例
原料の配合を表1のように変更した他は例1−1と同様にして、光硬化性組成物4を得た。
(例4−2)硬化膜の形成例
光硬化性組成物1を光硬化性組成物4に変更した他は例1−2と同様にして、硬化膜を得た。その評価結果を表3に示した。
(例4−3)微細パターン形成体の製造例
光硬化性組成物1を光硬化性組成物4に変更した他は例1−3と同様にして、微細パターン形成体を得た。得られた微細パターン形成体の厚さは1μmであった。微細パターン形成体のサイズを表6に示した。
(例4−4)ワイヤグリッドの製造例
例4−3で得られたPET基板付きの微細パターン形成体の凸条上に、例1−4と同様にして凸条上に金属膜(厚さ:150nm、幅:250nm)を形成し、PET基板を有するワイヤグリッド偏光子を得た。その評価結果を表5に示した。また、ワイヤグリッドのサイズを表7に示した。
[例5]
(例5−1)光硬化性組成物の調製例
原料の配合を表1のように変更した他は例1−1と同様にして、光硬化性組成物5を得た。
(例5−2)硬化膜の形成例
光硬化性組成物1を光硬化性組成物5に変更した他は例1−2と同様にして、硬化膜を得た。その評価結果を表3に示した。
(例5−3)微細パターン形成体の製造例
凹凸構造を表面に有するモールドとして、シリコン製モールド(20mm四方)を使用した。該モールドは、その表面の中心の10mm四方に、格子形状の凹凸構造(図1において、M1=200nm、M2=120nm、M3=200nm。凸条は図1において奥行方向に10mmの長さを持つ。凸条の長手方向に直交する断面形状は矩形である。)が形成されている。
フッ素系離型剤(ダイキン社製:オプツールDX)1gを溶かしたフッ素系溶媒100g溶液中に上記モールドを浸し10分静置した。モールドを溶液から取り出し、60℃、90%RHの恒温高湿槽内で1時間静置した。槽内から取り出したモールドが室温に戻ったら、上記フッ素系溶媒100mL中にモールドを2時間浸し、未反応のフッ素系離型剤をリンスした。フッ素系溶媒から、モールドを取り出し、エアブロー後、60℃の恒温槽内で1時間乾燥した。
厚さ100μmの高透過PETフィルム(帝人デュポン社製「帝人テトロンO3」(20mm×20mm)からなる基材の表面に、光硬化性組成物5の溶液をスピンコータを用いて塗工(1000rpm×10秒)し、90℃の熱風循環オーブン中で1分間保持して乾燥し、光硬化性組成物5の塗膜を形成した。
次いで、離型処理したシリコン製モールドを図1および図2に示すように、PETフィルム上の光硬化性組成物5の塗膜に押し付けて、そのまま0.5MPa(ゲージ圧)でプレスした。
つぎに25℃にて、PETフィルム側から高圧水銀灯を15秒間照射して、光硬化性組成物5の硬化物を得た。モールドを硬化物から剥離して、モールドの凹凸構造が反転した凹凸構造を表面に有する光硬化性組成物5の硬化物がPETフィルム上に形成された微細パターン形成体を得た。得られた微細パターン形成体の厚さは1μmであった。さらに、PETフィルムから硬化物を剥離して硬化物のみからなる微細パターン形成体を得ることもできた。微細パターン形成体のサイズを表6に示した。
(例5−4)ワイヤグリッドの製造例
例5−3で得られたPET基板付きの微細パターン形成体の凸条上に、例1−4と同様にして凸条上に金属膜(厚さ:150nm、幅:80nm)を形成し、PET基板を有するワイヤグリッド偏光子を得た。その評価結果を表5に示した。また、ワイヤグリッドのサイズを表7に示した。
[例6]
(例6−1)光硬化性組成物の調製例
原料の配合を表1のように変更した他は例1−1と同様にして、光硬化性組成物6を得た。
(例6−2)硬化膜の形成例
光硬化性組成物1を光硬化性組成物6に変更した他は例1−2と同様にして、硬化膜を得た。その評価結果を表3に示した。
(例6−3)微細パターン形成体の製造例
凹凸構造を表面に有するモールドとして、ニッケル製モールド(20mm四方)を使用した。該モールドは、その表面の中心の10mm四方に、山形形状の凹凸構造(凸条の長手方向に直交する方向の断面形状が、底辺80nm、高さ200nmの二等辺三角形である。となりあう凸条の頂点間の距離は、80nmである。凸条は図1において奥行方向に10mmの長さを持つ。)が形成されている。
厚さ100μmの高透過PETフィルム(帝人デュポン社製「帝人テトロンO3」(20mm×20mm)からなる基材の表面に、得られた光硬化性組成物6の溶液をスピンコータを用いて塗工(1000rpm×10秒)し、90℃の熱風循環オーブン中で1分間保持して乾燥し、光硬化性組成物6の塗膜を形成した。
次いで、石英製モールドを図1および図2に示すように、PETフィルム上の光硬化性組成物6の塗膜に押し付けて、そのまま0.5MPa(ゲージ圧)でプレスした。
つぎに25℃にて、PETフィルム側から高圧水銀灯を15秒間照射して、光硬化性組成物6の硬化物を得た。モールドを硬化物から剥離して、モールドの凹凸構造が反転した凹凸構造を表面に有する光硬化性組成物6の硬化物がPETフィルム上に形成された微細パターン形成体を得た。得られた微細パターン形成体の厚さは1μmであった。さらに、PET基板から硬化物を剥離して硬化物のみからなる微細パターン形成体を得ることもできた。
[例7]〜[例57]
原料の配合を表1、2のように変更した他は例1−1と同様にして、光硬化性組成物7〜57の調整を行った。なお、表2の原料の配合の単位は、グラム(g)である。例1−2と同様にして、硬化膜の形成を試みた。例6−3と同様にして、微細パターン形成体の形成を試みた。硬化膜の物性等を表3、4に示す。
例32、38、39においては、光硬化性組成物がゲル化したため、硬化反応を行わなかった。表4においてXと表記した。
例31、33、36、37、46、51は、光硬化性組成物が高粘度であったため、転写ができなかった。表4においてYと表記した。
例34、40〜45、47〜50は、転写は可能であったが、耐久性試験でクラックが発生した。表4においてZと表記した。
例35、43〜45は、転写は可能であったが、耐久性試験で白濁化していた。表4においてWと表記した。
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本発明により、マイクロレンズアレイ、光導波路素子、光スイッチング素子、フレネルゾーンプレート、バイナリー光学素子、ブレーズ光学素子、フォトニクス結晶等の光学素子、反射防止部材、バイオチップ部材、マイクロリアクターチップ部材、触媒担持体等として有用な微細パターンを有する硬化物層を有する微細パターン形成体を効率よく製造できる。
特に、ワイヤーグリッド偏光子を高い生産性で製造することが可能である。

なお、2007年9月28日に出願された日本特許出願2007−255416号及び2007年11月27日に出願された日本特許出願2007−306402号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims (15)

  1. 下記の光硬化性組成物を、表面に微細パターンを有するモールドの該パターン面上で硬化させた硬化体からなることを特徴とする微細パターン形成体。
    光硬化性組成物:光硬化性単量体(A)、平均粒径200nm以下のコロイド状シリカ(B)および光重合開始剤(C)を含み、それらの含有量が光硬化性単量体(A)の100質量部に対して、コロイド状シリカ(B)(固形分)が5〜60質量部、光重合開始剤(C)が0.1〜10質量部である、光硬化性組成物であり、
    前記光硬化性単量体(A)は、少なくとも下記多官能性単量体(A1)と下記2官能性単量体(A2)とからなり、
    多官能性単量体(A1)または2官能性単量体(A2)に属する化合物の少なくとも一部は水酸基を有し、多官能性単量体(A1)と2官能性単量体(A2)の合計量(mol)に対する上記水酸基の総量(mol)の割合が10%以上である光硬化性組成物。
    多官能性単量体(A1):1分子中に3個以上の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物。
    2官能性単量体(A2):1分子中に2個の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物。
  2. 光硬化性単量体(A)は、その全量に対して80〜100質量%が多官能性単量体(A1)と2官能性単量体(A2)とからなる、請求項1に記載の微細パターン形成体
  3. 多官能性単量体(A1)と2官能性単量体(A2)の合計量(mol)に対する2官能性単量体(A2)の量(mol)の割合が20〜80%である、請求項1または2に記載の微細パターン形成体
  4. 多官能性単量体(A1)は、3価以上の多価アルコールと(メタ)アクリル酸とのポリエステルである、請求項1〜3のいずれかに記載の微細パターン形成体
  5. 多官能性単量体(A1)または2官能性単量体(A2)に属する水酸基を有する化合物は、3価以上の多価アルコールと(メタ)アクリル酸との部分エステルである水酸基含有ポリ(メタ)アクリレートである、請求項1〜4のいずれかに記載の微細パターン形成体
  6. さらに撥水性付与剤(D)を、光硬化性単量体(A)の100質量部に対して0.02〜10質量部含む、請求項1〜5のいずれかに記載の微細パターン形成体
  7. 溶剤を実質的に含まない光硬化性組成物の50℃における粘度が1〜200mPa/sである、請求項1〜6のいずれかに記載の微細パターン形成体
  8. 光硬化性組成物を硬化して得られる硬化物の屈折率(nd)が1.3〜1.6であり、
    硬化物の厚さが200μmのときの可視光線透過率が92%以上であり、
    硬化物表面の、室温における水に対する接触角が初期90°以上かつ耐湿試験後(60℃、90%Rh、500時間)で85°以上であり、
    硬化物の−50℃から200℃における線膨張係数が100ppm/℃以下である、請求項1〜7のいずれかに記載の微細パターン形成体
  9. 前記微細パターンは、表面に凸部と凹部とが繰り返し形成された微細パターンであって、
    凸部と凸部との間隔の平均値は、10nm〜10μm、
    凸部の幅の平均値は、10nm〜5μm、
    凸部の高さの平均値は、10nm〜10μmである、請求項1〜8のいずれかに記載の微細パターン形成体。
  10. 表面に微細パターンを有するモールドの該パターン面と基板の表面との間に下記の光硬化性組成物を挟持して押圧し(工程A)、次いで光照射により光硬化性組成物を硬化させて、モールドの微細パターンが転写された表面を有する硬化物からなる微細パターン形成体を形成し(工程B)、次いでモールドおよび基板の少なくとも一方を硬化物から剥離して、微細パターン形成体、または、基板と一体の微細パターン形成体、または、モールドと一体の微細パターン形成体を得る(工程C)ことを特徴とする微細パターン形成体の製造方法。
    光硬化性組成物:光硬化性単量体(A)、平均粒径200nm以下のコロイド状シリカ(B)および光重合開始剤(C)を含み、それらの含有量が光硬化性単量体(A)の100質量部に対して、コロイド状シリカ(B)(固形分)が5〜60質量部、光重合開始剤(C)が0.1〜10質量部である、光硬化性組成物であり、
    前記光硬化性単量体(A)は、少なくとも下記多官能性単量体(A1)と下記2官能性単量体(A2)とからなり、
    多官能性単量体(A1)または2官能性単量体(A2)に属する化合物の少なくとも一部は水酸基を有し、多官能性単量体(A1)と2官能性単量体(A2)の合計量(mol)に対する上記水酸基の総量(mol)の割合が10%以上である光硬化性組成物。
    多官能性単量体(A1):1分子中に3個以上の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物。
    2官能性単量体(A2):1分子中に2個の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物。
  11. 溶剤を実質的に含まない光硬化性組成物の50℃における粘度が1〜200mPa/sである、請求項10に記載の微細パターン形成体の製造方法。
  12. 前記微細パターンは、表面に凸部と凹部とが繰り返し形成された微細パターンであって、
    凸部と凸部との間隔の平均値は、10nm〜10μm、
    凸部の幅の平均値は、10nm〜5μm、
    凸部の高さの平均値は、10nm〜10μmである、請求項10または11に記載の微細パターン形成体の製造方法。
  13. 請求項1〜9のいずれかに記載の微細パターン形成体を用いたことを特徴とする光学素子。
  14. 光学素子がワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項13に記載の光学素子。
  15. 光硬化性単量体(A)、平均粒径200nm以下のコロイド状シリカ(B)および光重合開始剤(C)を含み、それらの含有量が光硬化性単量体(A)の100質量部に対して、コロイド状シリカ(B)(固形分)が5〜60質量部、光重合開始剤(C)が0.1〜10質量部である、光硬化性組成物であり、
    前記光硬化性単量体(A)は、少なくとも下記多官能性単量体(A1)と下記2官能性単量体(A2)とからなり、
    多官能性単量体(A1)または2官能性単量体(A2)に属する化合物の少なくとも一部は水酸基を有し、多官能性単量体(A1)と2官能性単量体(A2)の合計量(mol)に対する上記水酸基の総量(mol)の割合が10%以上であることを特徴とする、表面に微細パターンを有するモールドの該パターン面上で硬化させるために用いられる、光硬化性組成物。
    多官能性単量体(A1):1分子中に3個以上の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物。
    2官能性単量体(A2):1分子中に2個の(メタ)アクリロイルオキシ基を有する化合物。
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