JP5571777B2 - 標的表面上に光回折効果を生成するための方法及び回折光学素子の転写箔 - Google Patents

Description

本発明は、光回折効果をもたらす複製された微細構造を標的表面上に生成するための方法に関する。本発明は、本方法において使用される転写箔にも関する。

光回折効果（ＤＯＥ）とは、物体の表面上に生成された微細構造を意味し、微細構造は、光ビームの進行に影響する特徴を有する。回折光学素子を用いて、製品及び包装の外観が変更されることができ、製品は、異なる視る角度から異なって見えるように作られることができる。視力によって又はホログラムのような様々な光学装置及び光学鑑定機（optical identifier）を用いて読まれることができる情報を、光学素子を用いて製品及びその包装に加えることができる。

三つの異なる基本技術が、回折光学素子を製造するのに使用される。熱エンボス加工は、金属金型、典型的にはニッケル製の金型を使用し、微細構造は、加熱せしめられたポリマー箔の表面内に金属金型で押圧される。熱エンボス加工は、ロール・ツー・ロール法を使用する印刷機で、経済的且つ迅速な態様において実現されることができる。この方法で製造された典型的な商品が、回折を生じる製品包装紙、並びにクレジットカード及び紙幣の安全性ホログラム（safety hologram）である。熱エンボス加工技術は、工業的な工程において、光学素子を製造するのに使用されることができ、その線幅は１００ｎｍよりも小さい。回折光学素子を製造する他の方法が射出成形技術及びＵＶエンボス加工であり、射出成形技術では、光学的な微細構造が、スチール又はニッケル製の金型内に溶解高分子を圧力をかけて注入することによって製造され、ＵＶエンボス加工では、金型内に設置された液状モノマー又は液状ポリマーが、ＵＶ光を用いて硬くされる。

回折光学素子の工業的な製造は、比較的簡単であるが、それでもなおコスト高な機械及び生産装置を必要とする。このため、回折光学素子の小規模製造は非常にコスト高である。

回折光学箔（diffractive optical foil）の製造は、印刷機を用いると容易である。しかしながら、箔状以外の光学素子は印刷機で製造されることができない。三次元物体の表面上に回折光学素子を生成することが望まれる場合、明らかによりコスト高な射出成形技術が使用されなければならない。

回折光学素子を使用する更なる不都合は、回折光学素子が常に工業的な製造器具を必要とするということである。このため、工業製品の表面又は家庭における物体を、回折光学素子を用いて活性化することは不可能である。

本発明の目的は、標的表面上に回折光学素子を生成するための方法と、回折光学素子の転写箔とを提供することであり、本発明を用いて、従来技術に関する欠点及び不具合が著しく減少せしめられうる。

本発明の目的は、独立クレームにおいて表されるものにおいて特徴付けられる方法及び転写箔を用いて遂げられる。本発明のいくつかの有利な実施形態が従属クレームにおいて表される。

本発明に係る方法では、光回折効果をもたらす微細構造が標的表面上に生成される。転写箔が本方法において使用され、光回折効果をもたらす元の微細構造が転写箔の表面上に存在する。転写箔は、目的に適した可撓性を有する箔の形態のいくつかの材料、例えば熱可塑性プラスチックの転写箔である。転写箔の元の微細構造は、いくつかの適切な方法、例えば電子ビームリソグラフィー、化学エッチング、プラズマエッチング、又はグラビア印刷技術、フレキソ印刷技術、オフセット印刷技術、若しくはスクリーン印刷のような様々な印刷技術で生成されうる。元の微細構造は、好ましくは、熱エンボス加工で、レーザー加工によって、又はホロリソグラフィー（hololithography）で転写箔の表面上に生成される。本方法において使用される転写箔は標的表面の微細構造の製造工程の一部として製造されることができ、又は所望の元の微細構造を有する前もって製造され若しくはどこかから入手された転写箔が本方法において使用されうる。標的表面は、原理上、物体の任意の表面、例えば、塗装木材面（painted wooden surface）、漆塗り木材面（lacquered wooden surface）、プラスチック面、又はコート紙面にされることができ、これら表面は転写箔の材料との十分良好な接着性を有する。標的表面は平坦に成形され又は曲げられうる。

選択された転写箔は、その元の微細構造が標的表面と接触するように、標的表面上に設置される。その後、転写箔は、転写箔の材料のガラス転移温度に近いがその融解温度よりも低い温度に加熱せしめられる。加熱中、転写箔からの材料は標的表面に接着する。転写箔は加熱中又は加熱直後に標的表面に対して押圧されうる。最後に、転写箔は物体の表面から取り除かれる。標的表面に接着した転写箔からの材料は、複製された微細構造を生成し、複製された微細構造は転写箔の元の微細構造の鏡像である。

標的表面上に生成された複製された微細構造の高さは、標的表面の法線の方向において、好ましくは元の微細構造の高さよりもやや小さく、すなわち１００〜２００ｎｍ、好ましくは１００〜１５０ｎｍである。しかしながら、複製された微細構造の寸法は、複製された微細構造が光と相互作用すると光回折効果をもたらすようになっている。

本発明に係る方法の一つの有利な実施形態では、転写箔の材料は酢酸セルロースである。転写箔の材料を、それが標的表面に接着する状態にすべく、転写箔の材料は１００〜１３０℃の温度に加熱せしめられる。

本発明に係る方法の別の有利な実施形態では、転写箔が所定位置に置かれる前に、接着性を改善する物質、すなわちプライマーが標的表面上に分配される。接着性を改善する物質は、例えば、印刷製品向けであるいくつかの適切な市販のプライマーでありうる。接着性を改善する物質を用いて、転写箔と標的表面との間の接着性を改善することができ、このことによって、ガラス面のような弱い接着性を有する表面上においても、複製された微細構造を生成することが可能となる。

光回折効果をもたらす微細構造は、光装飾効果をもたらす複製された微細構造、又は光ビームのための結合回折格子（coupling grating）として機能する複製された微細構造のような別の目的のために、本発明に係る方法で製造されることができる。

本発明の利点は、本発明によって、簡易且つ経済的な態様において、三次元物体上に及び物体の湾曲面上に回折光学素子を生成することが可能となることである。本発明は、光学素子の生成が以前は非常にコスト高であり又は不可能でさえあった斯かる物体及び表面上に回折光学素子を生成する可能性も提供する。

本発明によって、特別な技能を必要とすることなく、家庭において利用可能な手段を用いて物体の表面上に回折光学素子を生成することが可能となることが本発明の更なる利点である。このため、本発明は、例えば装飾用途における光学素子の使用可能性を著しく高める。

今日使用されている装置を用いて容易に製造できることが、本発明に係る回折光学素子の転写箔の一つの利点である。

図１ａは、図を用いて、例示的な態様において、本発明に係る方法を示す。 図１ｂは、図を用いて、例示的な態様において、本発明に係る方法を示す。 図１ｃは、図を用いて、例示的な態様において、本発明に係る方法を示す。 図１ｄは、図を用いて、例示的な態様において、本発明に係る方法を示す。 図２は、単純なフローチャートを用いて、本発明に係る方法を示す。

以下、本発明が詳細に説明される。説明では、添付の図面が参照される。
一連の図１ａ〜１ｄは、一連の図を用いて、例示的な態様において、本発明に係る方法の異なるステップを示す。図２は、単純なフローチャートを用いて、本発明に係る方法を示す。本方法は転写箔１００を使用し、転写箔１００の表面上には、いくつかの適切な方法を使用して微細構造が生成され（図１ａ）、微細構造は光学的効果を得る。光学的効果を得る微細構造とは、本明細書では、溝を用いて転写箔の表面内に生成されたパターン、いわゆる回折格子を意味し、このパターンにおいて、溝の幅及び深さは、１００〜１０００ｎｍ、好ましくは３００〜１０００ｎｍ程度であり、隣接パターン間の距離、いわゆる格子周期は、４００〜３０００ｎｍ、好ましくは８００〜１５００ｎｍ程度である。表面の斯かる微細構造と、その表面に当たる光との相互作用によって、多くの光学現象、特に光分散及び光回折が引き起こされる。可視的な光学的効果が、これら現象の効果から発生せしめられ、通常、見る方向に依存して変化する。転写箔の表面上に生成された微細構造は、この説明では、元の微細構造１０２と呼ばれる。

元の微細構造を製造するための多くの異なる方法、例えば、電子ビームリソグラフィー、化学エッチング、プラズマエッチング、又はグラビア印刷技術、フレキソ印刷技術、若しくはオフセット印刷技術のような様々な印刷技術が知られている。本方法において使用される転写箔の元の微細構造は、好ましくは、レーザー加工によって、ホロリソグラフィーによって、又はニッケル金型を用いた熱エンボス加工によって製造される。熱エンボス加工は、ロール・ツー・ロール法を使用するロール印刷機で、又は静的な態様（static manner）におけるエンボス加工によってなされうる。光回折効果をもたらす微細構造をポリマー箔の表面上に生成することは、斯かる従来技術のようになされ、このため、この文脈では、更に詳細に議論されることはない。

回折光学素子の転写箔１００の材料は、熱及び圧力の影響下で鋳造されるいくつかの熱可塑性プラスチック箔、すなわち熱可塑性箔である。多くの異なる熱可塑性箔を、本発明に係る方法において使用することができる。使用されるプラスチック箔に必須の特徴は、特に、十分低いガラス転移温度、及び別材料への良好な接着性である。転写箔の厚みは、使用される材料に従って選択される。好ましくは、転写箔の厚みは１５〜２００μｍである。

転写箔の製造後、転写箔は、元の微細構造１０２が標的表面１２０に対して据わるように、標的表面上に設置される（図１ｂ）。標的表面の形状は三次元物体又は三次元フィルムの平坦な面又は湾曲面でありうる。転写箔は、例えばテープを使用して標的表面に対して動かないように取り付けられうる。

次に、転写箔は、転写箔の材料が十分柔らかくなるような温度に加熱せしめられ、それと同時に物体の表面に対して軽く押圧されうる（図１ｃ）。加熱と、転写箔と標的表面との間の接触との相互作用を通して、転写箔の元の微細構造１０２の材料の一部が標的表面１２０に接着する。短い加熱の後、転写箔は物体の表面から取り除かれ、このことによって、転写箔の元の微細構造が標的物体の表面上に鏡像として複製される（図１ｄ）。パターンの複製とは、複製された微細構造１０４が標的物体の表面上に生成されることを意味し、複製された微細構造１０４は元の微細構造とほぼ同一である。本来、標的物体の表面上に生成された複製された微細構造における溝の深さは元の微細構造における溝の深さほど大きくない。すなわち、表面の法線の方向における複製された微細構造の寸法は元の微細構造における寸法よりも小さい。しかしながら、標的表面上に生成された複製された微細構造の寸法は、複製された微細構造が光との相互作用において光回折効果をもたらすべく機能するようになっている。

転写箔の加熱は、アイロン、ヘアドライヤー、又は温風送風機のような家庭において使用される簡易手段でなされうる。物体であってその標的表面に転写箔が取り付けられる物体を、転写箔を加熱するのに必要とされる時間の間、適切な温度のオーブン内に設置することによって、加熱はオーブン内においてなされることもできる。

転写箔の適切な温度及び加熱時間は転写箔の材料に依存する。転写箔の表面上の微細構造が標的表面上に複製されうるように、転写箔の温度は、いわゆるガラス転移温度の近くに上昇せしめられる必要がある。ガラス転移温度の高さは転写箔の材料に依存する。ガラス転移温度の近くで、熱エネルギーは、転写箔における分子の運動と、標的物体の表面への分子の接着とを可能とする。しかしながら、温度は、転写箔の元の微細構造が完全に破壊されないように、材料の融解温度までは上昇せしめられることができない。

本発明に係る方法の一つの有利な実施形態では転写箔が使用され、その材料は酢酸セルロースである。酢酸セルロースを使用することによって、転写箔の元の微細構造は標的表面上に複製されることができ、標的表面は十分な柔らかさ及び十分良好な接着性を有する。広く使用されている多くの材料、例えば、ほとんどの熱可塑性物質、コート紙、板紙、塗装木材、及び漆塗り木材はこれら特性を有する。酢酸セルロースを使用するとき、転写箔は例えばアイロンで約１２５°に加熱せしめられて標的表面上に押圧される。別の代替案は、例えばテープで標的表面に転写箔を最初に取り付けて、例えば１０〜３０秒の時間の間、ヘアドライヤー又は温風送風機で転写箔を加熱することである。物体であって、その標的表面上に転写箔が取り付けられた物体は、損傷することなく加熱に耐えることができる場合、適切な時間、オーブン内に設置されることもできる。加熱の間、標的表面と接触している転写箔の微細構造の表面は標的物体の表面に接着する。接触を確実なものとすべく、転写箔は標的物体の表面に対して軽く押圧されうる。押圧のために必要な押圧力が非常に小さいので、押圧は手作業でなされうる。転写箔は、標的表面に対して押圧されると、それと同時に少しだけ伸張し、このことによって、標的表面の形状に従ってより良好に成形される。このため、本方法は、二以上の方向に湾曲している標的表面上にも微細構造を生成することができる。したがって、例えばやや凸状の表面において微細構造を生成することが可能である。

転写箔が取り除かれると、複製された微細構造１０４が標的表面上の転写箔から残され、標的表面のパターンは転写箔の元の微細構造の鏡像とほぼ同一である。標的表面のこの複製された微細構造は、光との相互作用において、光回折効果を得るように機能する。

本発明に係る方法では、転写箔の元の微細構造１０２の一部が標的表面に接着し、このことによって、元の微細構造の鏡像が標的表面上に複製される。しかしながら、標的表面に接着する材料の量は、転写箔の元の微細構造の寸法と比較して非常に小さい。典型的には、転写箔の元の微細構造は溝から構成され、溝の深さは、転写箔の表面の水準から測定されるとき、１００〜２００ｎｍである。驚くことに、酢酸セルロースから製造された転写箔を使用すると、標的物体の表面上に形成された複製された微細構造における溝の深さが元の微細構造における溝の深さよりも僅かに小さいのみであることが発見されてきた。このことは試験において示され、試験では転写箔は酢酸セルロースから製造され、転写箔の元の微細構造の高さは１５０ｎｍであった。第１の複製された微細構造及び第２の複製された微細構造が本発明に係る方法で転写箔の元の微細構造から標的表面上に生成され、第１の複製された微細構造の高さは約１２０ｎｍであり、第２の複製された微細構造の高さも約１２０ｎｍであった。転写箔の酢酸セルロースと標的表面の材料との相互作用によって標的表面が柔らかくされると考えられ、このことによって、標的表面の材料が、複製された微細構造の一部を構成する。

このため、第１の転写の後でさえも、元の微細構造は、その溝の深さが転写前よりも小さいが、それでもなお転写箔上に残される。したがって、本発明は、既に一度又は数回使用された転写箔を用いて、本方法に係る転写の反復を可能とする。生成された複製された微細構造の質が著しく低下する前に、例えば酢酸セルロースから製造された転写箔が少なくとも二度使用されうることが試験を通して発見されてきた。

酢酸セルロースの使用に伴う制限は、転写箔が、比較的高い温度に加熱せしめられなければならないということである。十分良好な接着性を有するが低いガラス転移温度を有する材料から転写箔を製造することによって、転写温度は低くされうる。斯かる熱可塑性材料は特にエチルビニルアセテート及びポリビニルブチラールである。転写箔がこれら材料から製造されるとき、転写温度、すなわち、元の微細構造が標的表面に接着するように転写箔が加熱せしめられなければならない温度は約８０℃でありうる。本発明に係る方法では、任意の適切な転写箔材料、好ましくは熱可塑性材料が使用されることができ、この材料特性は、上述された方法で転写箔の表面から標的表面へ元の微細構造を複製することを可能とし、元の微細構造の複製は光回折効果を生成する。

本発明に係る方法及び転写箔は、特に、複製された微細構造を生成するのに適し、複製された微細構造は標的表面上に光装飾効果をもたらす。しかしながら、本発明の使用可能性は装飾用途のみに限定されることなく、本発明は、回折格子が必要とされるいくつかの他の目的において使用されうる。本方法で製造される一つの斯かる微細構造が、レーザーのような光ビームのための結合回折格子である。

本方法のいくつかの有利な実施形態と、本発明に係る回折光学素子の転写箔とが上述される。本発明は、上述された解決策に限定されるものではなく、本発明のアイデアは特許請求の範囲内の非常に多くの態様において適用されうる。

Claims (12)

1. 光回折効果をもたらす複製された微細構造（１０４）を標的表面（１２０）上に生成するための方法において、
   転写箔（１００）であって、光回折効果をもたらす元の微細構造（１０２）が当該転写箔（１００）の表面上に存在する転写箔（１００）が使用され、
   該転写箔が、前記元の微細構造が前記標的表面と接触するように、該標的表面上に設置され、
   前記転写箔が、該転写箔の材料のガラス転移温度に近いが該転写箔の材料の融解温度よりも低い温度に加熱せしめられ、このことによって、前記転写箔の材料が前記標的表面に接着し、
   該転写箔が前記標的表面から取り除かれ、転写箔材料から作られた複製された微細構造が前記標的表面上に生成されることを特徴する、方法。
2. 前記転写箔が前記加熱中又は該加熱後に前記標的表面に対して押圧されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記元の微細構造（１０２）が熱エンボス加工によって前記転写箔（１００）の表面内に生成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 転写箔（１００）が使用される当該方法において、該転写箔の材料が熱可塑性プラスチックであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記転写箔（１００）の材料が酢酸セルロースであることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記転写箔（１００）の材料が二酢酸セルロース又は三酢酸セルロースであることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記転写箔（１００）が１００〜１３０℃の温度に加熱せしめられることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記転写箔（１００）が手作業で前記標的表面（１２０）に対して押圧されることを特徴とする、請求項２〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記転写箔（１００）が前記標的表面（１２０）上に設置される前に、接着性を改善する物質が分配されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 複製された微細構造（１０４）が前記標的表面（１２０）内に生成され、該標的表面の法線の方向における前記複製された微細構造の高さが１００〜２００ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 光装飾効果をもたらす複製された微細構造（１０４）が前記標的表面（１２０）上に生成されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 光ビームのための結合回折格子として機能する複製された微細構造（１０４）が前記標的表面（１２０）上に生成されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。

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