JP5574496B2

JP5574496B2 - 転写成形用金型及び微細構造体製造方法

Info

Publication number: JP5574496B2
Application number: JP2011213530A
Authority: JP
Inventors: 正彦竹谷; 数利焼本; 章弘内藤
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2031-09-28
Also published as: JP2013071385A

Description

本発明は、微細構造を有するスタンパに溶融樹脂を押圧又は塗布し、冷却固化させてその微細構造が転写成形された微細構造体を成形する転写成形用金型及び微細構造体製造方法に係り、特にナノサイズの微細構造体やアスペクト比の高い微細構造体の製造に好適に使用することができる転写成形用金型及び微細構造体製造方法に関する。

微細構造を有するスタンパに溶融樹脂又は樹脂基板を押圧し微細構造を転写成形して微細構造体を成形する各種成形方法が開発されており、これらの方法において、それぞれ生産性の向上、コスト低減の検討がなされている。そして、生産性の向上、コスト低減のために、多数の微細構造をスタンパに形成しワンショットで多数の製品を一度に製造する多数個取りが提案されている。この多数個取りには、押圧時の樹脂の流動分布や負荷の均一性を図ることが重要であるとされる。

例えば、特許文献１に、燃料電池セパレータ製造用の圧縮成形金型において、少なくとも２個以上の燃料電池セパレータ形成空間部をそれぞれ隔絶して有し、各セパレータ形成空間部の周囲に剰余材料溜用空間部が形成されてなる圧縮成形金型が提案されている。この圧縮成形金型によれば、セパレータ形成空間部に投入する成形材料がセパレータ形成空間部の隅々まで均一に流動するから寸法精度に優れた多数個の燃料電池セパレータを効率的に成型できるとされる。

一方、スタンパ又は金型のサイズに制限があるために、一つのスタンパ又は金型に多数の微細構造を形成することが困難な場合がある。このような場合に、特許文献２には、複数のスタンパを内部が多孔質の接着部材を介してベルト状支持体に接着固定させたナノインプリント用のベルト状金型が提案されている。そして、その明細書には、スタンパの端部は押圧の応力集中箇所となりやすく、被転写材料に深く食い込み肉薄になりやすい。このため、押圧時に各スタンパ間の隙間に被転写材料が流れ込んで厚みにバラツキが生じ、被転写材料の強度バランスが崩れて破断する恐れがあり、各スタンパ間の隙間を埋めるスペーサを設けるのがよいと記載されている。

ところで、転写成形された被成形体は冷却後スタンパ又は金型から剥離されるが、冷却時の被成形体とスタンパ又は金型との温度差により、スタンパ又は金型に設けられた微細構造と被成形体とがかみ合い状態になる。このかみ合い状態により、微細構造がナノサイズである場合やアスペクト比が大きいものである場合は、被成形体をスタンパ又は金型から剥離する際に、転写成形された被成形体、スタンパ又は金型の微細構造部分が損傷するという問題がある。

このような剥離時の損傷を防止するため、特許文献３に、被成形体の押圧時に被成形体の一部の材料を外周部に流れ出させて薄い庇状の外周部を形成し、その庇状の外周部を歪ませて先ず被成形体の外周部の一部分を剥離し、その剥離部分を起点に被成形体全体を成形型から剥離する成形方法が提案されている。

特許文献４には、被成形体の外周部に歪みを与え易くするために成形型の外周に鍔状部を設けた成形型が提案されている。すなわち、成形面の外周側が平坦である一方成形型と、該一方成形型の成形面と同じ大きさの成形面の外周側に、該一方成形型に対して開く角度をなす側壁を介して、当該成形面と平行な鍔状の平坦面が形成されている他方成形型とを有する成形金型が提案されている。そして、この成形金型によれば、成形物の直径が２００〜３００ｍｍの大きさで、金型の収縮によって成形物を破壊することなく、成形物の外形を高い形状精度で一度に多数個を成形することができるとされる。

特開2006-289774号公報特開2009-78521号公報特開2006-212859号公報特開2010-173196号公報

生産性を向上させるために多数個取りを行う場合は、特許文献１に記載するように、多数の微細構造を一つのスタンパ又は金型に設けた一体型の金型を使用するのが経済性、取扱及び管理上好ましい。従って、特許文献２に記載するようにやむをえず多数のスタンパを連接させたベルト状金型を使用する場合は別として、敢えて多数のスタンパ又は金型を組み合わせたスタンパ又は金型を使用する製造方法は採用されていない。

一方、微細構造がナノサイズである場合やアスペクト比が大きいものである場合は、特許文献３又は４に記載されるように、転写成形された被成形体、スタンパ又は金型の微細構造部分を損傷する恐れが高い。このような損傷を防止するために、特許文献３又は４に提案された特殊な金型を用いる方法もある。しかし、この場合は、金型コストが高くなり、必ずしもスタンパ又は金型の微細構造部分の損傷を防止することができないという問題がある。また、スタンパ又は金型の損傷によるそれらの交換作業に多大な工数を要するという問題もある。

近年、ナノサイズあるいはアスペクト比の大きな微細構造を有する微細構造体が求められており、スタンパ又は金型は高価なものになっている。従って、スタンパ又は金型のコスト低減の要請は益々高くなっており、スタンパ又は金型の損傷によるスタンパ又は金型の交換作業の効率化も求められている。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、スタンパ又は金型のコスト低減の要請に応え、また、スタンパ又は金型の交換作業を効率化に行うことができ、ナノサイズの微細構造体やアスペクト比の高い微細構造体の製造に好適に使用することができる転写成形用金型及びそのような転写成形用金型を利用した平滑な表面を有する微細構造体の微細構造体製造方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、微細構造の転写成形時のスタンパ各部分は同一の環境下になく、特にスタンパの外周部と内部で異なること、また、微細構造を有するスタンパに溶融樹脂を押圧又は塗布し、冷却固化させてその微細構造が転写成形された微細構造体を成形する方法においては、溶融樹脂の流動性が高くバリ発生の問題が大きいことに着目して本発明を完成させた。

本発明に係る転写成形用金型は、微細構造を有するスタンパに溶融樹脂を押圧又は塗布し、冷却固化させてその微細構造が転写成形された微細構造体を成形する転写成形用金型であって、前記スタンパと、そのスタンパと周囲に所定のスキマをもって該スタンパを金型本体に保持固定するスタンパ固定部材と、前記スキマを詰める充填部材と、を有する。

上記発明において、充填部材は、転写成形された微細構造体をスタンパから剥離する剥離方向の抜け止め用のつば状部を有するものであるのがよい。そして、充填部材のつば状部は、スタンパとスタンパ固定部材とにより形成される所定のスキマに充填部材用素材を入れ込んで据込み加工をすることにより形成されてなるものであるのがよい。

また、充填部材は、その材質がアルミニウム、銅、真鍮またはポリジメチルシロキサン（PDMS）であるのがよく、所定のスキマは、5μm〜2mmとすることができる。

また、上記発明において、スタンパ、スタンパ固定部材又は充填部材は、スタンパの表面とスタンパ固定部材又は充填部材の表面との相互の段差が50μm以下になるように配設されているのがよい。

また、上記発明により、複数個のスタンパを配設した転写成形用金型、すなわち、複数個のスタンパが、充填部材を介してスタンパ固定部材に保持固定されてなる転写成形用金型を好適に構成することができる。

本発明に係る微細構造体製造方法は、微細構造を有するスタンパがスタンパ固定部材を介して金型本体に装着された金型を使用し、該スタンパに押圧又は塗布された溶融樹脂を冷却固化させて該微細構造が転写成形された微細構造体を成形する微細構造体製造方法であって、前記スタンパ、スタンパ固定部材又は金型本体との間に生じさせたスキマに充填部材をつめて転写成形し、転写成形面のバリ、突起又は凹部の高さ又は深さが50μm以下である平滑な微細構造体を成形する微細構造体製造方法である。

本発明によれば、ナノサイズ又はアスペクト比が大きい微細構造体を経済的又効率的に製造することができる多数個取りの転写成形用金型を構成することができる。そして、この転写成形用金型により、転写成形面のバリ、突起又は凹部の高さ又は深さが50μm以下である平滑な微細構造体を製造することができる。

本発明に係る転写成形用金型を示す模式図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢＢ断面図である。充填部材素材から充填部材の成形方法を説明する模式図である。充填部材の他の成形方法を説明する模式図である。充填部材の他の成形方法を説明する模式図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ部拡大図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を基に説明する。本発明に係る転写成形用金型は、微細構造を有するスタンパに溶融樹脂を押圧又は塗布し、冷却固化させてその微細構造が転写成形された微細構造体を成形する転写成形用金型である。そして、本転写成形用金型は、溶融樹脂の流動によるバリ発生の問題を生じやすい金型に好適に使用される転写成形用金型である。なお、本転写成形用金型は、溶融樹脂がスタンパに塗布され押圧されて微細構造体が成形されるものであっても、また、塗布のみにより微細構造体が成形されるものであっても使用することができる。

図１は、本発明に係る転写成形用金型の例を示し、本転写成形用金型10は、スタンパ15と、そのスタンパ15と周囲に所定のスキマをもってスタンパ15を金型本体20に保持固定するスタンパ固定部材11と、前記スキマを詰める充填部材16と、を有している。スタンパ固定部材11はスタンパ押え12及びスタンパ受け13からなり、スタンパ15は、スタンパ押え12とスタンパ受け13を螺旋結合することによりスタンパ固定部材11に保持固定される。また、スタンパ固定部材11も金型本体20に螺旋結合（図示せず）により保持固定されている。なお、本例の場合、スタンパ15は30個設けられ、30個取りができるようになっている。スタンパ15の個数は、必要に応じて決めることができる。

スタンパ15は、その上面に微細構造15aを有している。スタンパ15は公知のものを使用することができ、例えば、電鋳により微細構造が形成されたニッケル合金製のものを使用することができる。また、石英製あるいはガラス製のものであってもよい。本例のスタンパ15は、円板状をしている。このような形状のスタンパの場合、以下に説明する充填部材16の据込み加工、スタンパ15の交換作業等に好都合である。

本発明においては、充填部材16が重要である。先ず、充填部材16は、スタンパ15とスタンパ押え12との間のスキマに溶融樹脂が侵入しない程度に密接している必要があり、稼動中にスキマから飛び出し又は抜き出ることが無いようなものでなければならない。このため、充填部材16は、図１（ｂ）に示すように、転写成形された微細構造体をスタンパ15から剥離する剥離方向の抜け止め用のつば状部16aを有するものであるのがよい。つば状部16aは、スタンパ15の全周にわたるもの、あるいは部分的なものとすることができる。

また、充填部材16は、スタンパの表面から突出する頭部16bの高さが50μ以下であるのがよく、その頭部16bがスタンパ15の上面と面一になるのが好ましい。しかしながら、充填部材16が、図１（ｂ）に示すようにスキマに覆い被さるような形状の頭部16bを有する場合は、スタンパ15とスタンパ押え12との間のスキマに溶融樹脂の侵入を防止する上で好ましい。

微細構造を有するスタンパに溶融樹脂を押圧又は塗布し、冷却固化させてその微細構造が転写成形された微細構造体を成形する転写成形用金型においては、溶融樹脂の流動によりバリが生じやすい。このため、充填部材16は、溶融樹脂の侵入を確実に阻止できる程度にスキマに密着したものでなければならない。このような要求に対して、充填部材16は、以下に説明するように、スタンパ15とスタンパ固定部材11とにより形成されるスキマ18に充填部材用素材17を入れ込んで据込み加工を行って成形したものを用いるのがよい。これにより、スキマ18に溶融樹脂の侵入を阻止することができる程度に充填部材16を密着させることができ、また、所要形状のつば状部16aや頭部16bを有する充填部材16を成形することができる。充填部材用素材17は、適用する樹脂や作業温度等に応じ、アルミニウム、銅、真鍮またはポリジメチルシロキサン（PDMS）を使用することができる。

充填部材16の据込み加工を行うには、スキマ18及び充填部材用素材17は所定の寸法精度に管理する必要がある。また、充填部材用素材17は適度の強度、耐熱性を有するものでなければならない。スキマ18は、充填部材16の材質、あるいはスタンパ15の形状、材質等に応じ、5μm〜2mmにすることができる。充填部材用素材17としてアルミニウム又はアルミニウム合金を用いる場合は、薄くて耐熱性、強度及び耐久性のある充填部材16を成形することができ、熱伝導性のよい転写成形用金型を構成することができる。

充填部材16の据込み加工は以下のように行われる。すなわち、図２に示すように、スタンパ15とスタンパ固定部材11との間に所定のスキマ18が設けられた転写成形用金型10において（図２(ａ)）、スキマ18に充填部材用素材17を入れ込む（図２(ｂ)）。そして、押圧リング30により充填部材用素材17を押圧する（図２(ｃ)）。充填部材用素材17は、塑性変形によりスキマ18の下端部18a及び押圧リング30の溝部30aに流動して、スキマ18内に密着し、つば状部16a及び頭部16bを有する充填部材16が形成される（図２(ｄ、ｅ)）。なお、充填部材16の成形は、一つ毎に行うことができ、また、ワンショットで多数の充填部材16の成形を行うこともできる。

また、充填部材16の据込み加工は、図３に示す押圧リング30を用いて行うことができる。この場合、機械加工を行って頭部16bをスタンパ15の上面とほぼ面一にするのがよい。また、充填部材16は、図４に示す方法により成形することができる。この方法は、微細な形状の頭部16bを有する充填部材16を成形するのに好適である。すなわち、所要の据込み形状31aを設けた押圧リング31と補助リング32を用い、スタンパ押え12を金型にしてスタンパ15と押圧リング31により充填部材用素材17を押圧して充填部材16を成形する。

以上、転写成形用金型10について説明した。本転写成形用金型10は、充填部材16により多数のスタンパ15がスタンパ固定部材11に密着された状態に構成することができる。そして、本転写成形用金型10は、スタンパ15、スタンパ固定部材11及び充填部材16の上面がほぼ面一状態になるように構成することができる。このため、本転写成形用金型10によれば、転写成形面のバリ、突起又は凹部の高さ又は深さが50μm以下である平滑な微細構造体を製造することができる。

また、ナノサイズ又はアスペクト比が大きい微細構造の多数個取りの転写成形用金型においては、比較的外周部分の微細構造が損傷を受けやすいが、本転写成形用金型10においては、損傷を受けたスタンパ15の交換を容易に行うことができる。なお、上記において、微細構造体が同一パターンを有する多数個取りの転写成形用金型について説明したが、必ずしも同一パターンでなくてもよい。本発明は、パターンの異なる入れ子型の転写成形用金型においても実施することができる。

本転写成形用金型10に係る発明は、上述のように、金型の充填部材を巧みに利用した発明である。このような発明は、微細構造を有するスタンパがスタンパ固定部材を介して金型本体に装着された金型を使用し、該スタンパに押圧又は塗布された溶融樹脂を冷却固化させて該微細構造が転写成形された微細構造体を成形する微細構造体製造方法に広く利用することができる。すなわち、上記金型において、スタンパ、スタンパ固定部材又は金型本体との間に生じさせたスキマに所要の充填部材をつめて転写成形することにより、転写成形面のバリ、突起又は凹部の高さ又は深さが50μm以下である平滑な微細構造体を成形することができる。

充填部材の材質の適否を検討する試験を行った。試験は、全体の形状が図１（ｂ）に示す転写成形用金型を使用してポリスチレン（PS）樹脂からなる微細構造体を成形し、バリの発生の程度、成形性、耐久性、操作・作業性について評価を行うことにより行った。転写成形用金型の金型温度は135℃、スタンパ塗布時の溶融樹脂の温度は230℃、押圧力は5MPa、押圧時間は23secであった。充填部材の厚さ及び断面形状は表１に示す。

試験結果を表１に示す。なお、各評価項目において、×、△、○、◎は、４段階の評価を示し、×が不可、◎が最良の評価である。表１に示すように、充填部材の材質がアルミニウムであるものは、本発明の充填部材として最も好ましく、PDMS（ポリジメチルシロキサン）であるものも充填部材として好ましい。PDMS製充填部材の場合、厚さが0.05mm、0.025mmのものの評価は同等であった。充填部材の材質がPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）であるものは、試験条件（PTFEの厚さ、対象溶融樹脂の種類等）によっては使用可能性が推測される。

10 転写成形用金型
11 スタンパ固定部材
12 スタンパ押え
13 スタンパ受け
15 スタンパ
16 充填部材
17 充填部材用素材
18 スキマ
20 金型本体
30、31 押圧リング
32 補助リング

Claims

微細構造を有するスタンパに溶融樹脂を押圧又は塗布し、冷却固化させてその微細構造が転写成形された微細構造体を成形する転写成形用金型であって、
前記スタンパと、そのスタンパと周囲に所定のスキマをもって該スタンパを金型本体に保持固定するスタンパ固定部材と、前記スキマを詰める充填部材と、を有する転写成形用金型。
充填部材は、転写成形された微細構造体をスタンパから剥離する剥離方向の抜け止め用のつば状部を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の転写成形用金型。
充填部材のつば状部は、スタンパとスタンパ固定部材とにより形成される所定のスキマに充填部材用素材を入れ込んで据込み加工をすることにより形成されてなるものであることを特徴とする請求項２に記載の転写成形用金型。
充填部材は、その材質がアルミニウム、銅、真鍮またはポリジメチルシロキサン（PDMS）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の転写成形用金型。
所定のスキマは、5μm〜2mmであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の転写成形用金型。
スタンパ、スタンパ固定部材又は充填部材は、スタンパの表面とスタンパ固定部材又は充填部材の表面との相互の段差が50μm以下になるように配設されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の転写成形用金型。
複数個のスタンパが、充填部材を介してスタンパ固定部材に保持固定されてなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の転写成形用金型。
微細構造を有するスタンパがスタンパ固定部材を介して金型本体に装着された金型を使用し、該スタンパに押圧又は塗布された溶融樹脂を冷却固化させて該微細構造が転写成形された微細構造体を成形する微細構造体製造方法であって、
前記スタンパ、スタンパ固定部材又は金型本体との間に生じさせたスキマに充填部材をつめて転写成形し、転写成形面のバリ、突起又は凹部の高さ又は深さが50μm以下である平滑な微細構造体を成形する微細構造体製造方法。