JP6092775B2 - モールドの製造方法および微細凹凸構造を表面に有する成形体の製造方法 - Google Patents

モールドの製造方法および微細凹凸構造を表面に有する成形体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、複数の細孔からなる微細凹凸構造を表面に有するモールドの製造方法、および前記モールドを用いた、微細凹凸構造を表面に有する成形体の製造方法に関する。
本願は、2012年05月30日に日本に出願された特願2012−123090に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、微細加工技術の進歩によって、成形体の表面にナノスケールの微細凹凸構造を付与することが可能となった。ナノスケールの微細凹凸構造は、例えばモスアイ効果と呼ばれる反射防止機能や、ロータス効果と呼ばれる撥水機能のように、構造由来の機能が発現することから、ナノスケールの微細凹凸構造の産業上の利用が盛んに図られている。
成形体の表面に微細凹凸構造を付与する技術は様々である。これらのうち、モールドの表面に形成された微細凹凸構造を、成形体本体の表面に転写する方法は、簡便かつ少ない工程で成形体の表面に微細凹凸構造を付与できるため、工業生産に適している。近年、微細凹凸構造を表面に有する大面積のモールドを簡便に製造する方法として、アルミニウム基材を陽極酸化することによって複数の細孔を有する酸化皮膜(陽極酸化ポーラスアルミナ)を形成する方法が注目されている(例えば、特許文献1、2参照)。陽極酸化によって形成される酸化皮膜においては、印加電圧に比例して細孔の間隔(ピッチ)が大きくなる。細孔の間隔を比較的簡単に制御できる点においても、前記方法は、モールドの製造方法として適している。
ところで、陽極酸化を利用してモールドを製造する場合、モールドに好適な細孔の深さと規則的な配列とを両立するために、陽極酸化を二段階に分けて実施する方法(以下、本明細書においては「二段酸化法」とも記す。)が適している。すなわち、下記工程(1)〜工程(3)を順次行い、モールドに好適な細孔を得る。
工程(1):アルミニウム基材の表面を陽極酸化し、細孔の深さを無視して細孔を規則的に配列させる工程。
工程(2):工程(1)で形成された酸化皮膜の一部または全部を除去する工程。
工程(3):工程(2)の後、アルミニウム基材を再び陽極酸化して、規則的な配列を保ったまま任意の深さの細孔を形成する工程。
二段酸化法でモールドを製造する場合、工程(1)で形成される酸化皮膜(以下、「最初に形成される酸化皮膜」とも記す。)の厚さは、厚すぎても薄すぎても好ましくない。すなわち、酸化皮膜が薄い場合には、工程(2)の後もアルミニウム基材の機械加工の痕(例えば切削加工により生じる筋目模様)のようなマクロな凹凸が残ってしまう。機械加工の痕が残るモールドを用いると、アルミニウム基材の機械加工の痕が成形体本体の表面にも転写されてしまい、外観不良の原因となる。また、酸化皮膜が厚い場合、工程(2)の後に生じるアルミニウム基材の結晶粒界の段差のようなマクロな凹凸が視認できるほど顕著になる。結晶粒界の段差が顕著なモールドを用いると、成形体本体の表面にも結晶粒界の段差のようなマクロな凹凸が転写されてしまい、外観不良の原因となる。
以上のように、工程(1)で形成される酸化皮膜が厚すぎても薄すぎてもモールドとしての使用に適さない。
陽極酸化に供するアルミニウム基材の結晶粒のサイズや機械加工の方法にもよるが、最初に形成される酸化皮膜の厚さが0.5〜10μmの範囲であれば、モールドとしての使用に概ね障りがない。形成される酸化皮膜が上記範囲におさまるように、陽極酸化時間や電流密度を調整して、陽極酸化にて生じる積算電気量を適宜調整する必要がある。
例えば特許文献1では、濃度0.3M、温度17℃のシュウ酸電解液を用い、印加電圧40Vで陽極酸化し、細孔の間隔が100nmの酸化皮膜を形成する際に、陽極酸化時間を適宜変更して酸化皮膜の厚さを調整している。しかし、この条件下では、印加電圧が高いときに電流密度が著しく高くなり、酸化皮膜の形成速度が著しく速くなるため、酸化皮膜を10μm以下に抑えるのは困難である。適用できる印加電圧は、せいぜい70V未満である。
特許文献2では、濃度0.05mol/L、温度3℃のシュウ酸電解液を用い、印加電圧80Vで陽極酸化を実施している。電解液の濃度や温度を抑えることによって、電流密度を下げ、印加電圧80Vでの陽極酸化を可能としている。特許文献2には酸化皮膜の厚さに関する記載はないが、例え好適な厚さであったとしても、この条件を工業的に実現するためには、電解液を3℃の低温に維持する特殊な装置が必要であり、経済的ではない。
印加電圧を維持したまま電流密度を調整する方法としては、電解液を変更する方法が考えられる。特許文献1、2に記載されている種々の電解液を適宜選択することによって、電解液を低温に維持する特殊な装置を用いることなく酸化皮膜の厚さを容易に調整することは、理屈の上では可能である。
しかし、例えばリン酸等を電解液として用いて酸化皮膜を形成した場合は、印加電圧を80V以上に高くすることは可能であるが、酸化皮膜の厚さが不均一であったり、細孔の径が極端にばらついたりするという別の問題が生じ、モールドとしての使用に適する酸化皮膜を形成するのは困難であった。
特許第4658129号公報 特許第4368415号公報
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、印加電圧が高い場合においても電流密度を制御でき、特殊な装置を用いることなく、最初に形成される酸化皮膜の厚さや酸化時間を容易に調整でき、かつ最初に形成される酸化皮膜の厚さや酸化皮膜の少なくとも一部を除去することでアルミニウム基材上に形成される窪みの径を比較的均一にできるモールドの製造方法;および複数の突起からなる微細凹凸構造を表面に有する成形体を簡便に製造できる方法を提供する。
本発明者らは鋭意検討した結果、2種類以上の酸を好適な割合で混合した電解液を用いることによって、印加電圧が高い場合においても電流密度を制御でき、特殊な装置を用いることなく、最初に形成される酸化皮膜の厚さや酸化時間を容易に調整でき、かつ最初に形成される酸化皮膜の厚さや酸化皮膜の少なくとも一部を除去することでアルミニウム基材上に形成される窪みの径を比較的均一にできることを見出し、本発明を完成するに至った。
(1)本発明の第1の態様に係るモールドの製造方法は、アルミニウム基材の表面に、複数の細孔を有する酸化皮膜が形成されたモールドを製造する方法であって、
工程(a):2種類以上の酸を混合した電解液にてアルミニウム基材を60V以上120V以下の電圧で陽極酸化し、前記アルミニウム基材の表面に複数の細孔を有する酸化皮膜を形成する工程と、
工程(b):前記工程(a)で形成された前記酸化皮膜の少なくとも一部を除去する工程と
工程(c):前記工程(b)または下記工程(d)の後、アルミニウム基材を陽極酸化して、複数の細孔を有する酸化皮膜を形成する工程と、
工程(d):前記工程(c)の後、酸化皮膜の一部を除去し、細孔の孔径を拡大する工程と、
工程(e):前記工程(c)と前記工程(d)とを交互に繰り返す工程と
を有し、
前記工程(a)で用いる前記2種類以上の酸を混合した電解液として、下記の条件(α)を満足し、かつ下記酸Aが、シュウ酸であり、下記酸A以外の他の酸が、リン酸であり、シュウ酸の濃度が、0.3〜1.5Mであり、リン酸の濃度が、シュウ酸に対するリン酸のモル比率が10%以上150%以下となる濃度であるものを用いる。
(条件(α))
前記2種類以上の酸のうち酸解離定数Kaが最も高い酸Aのみの電解液にてアルミニウム基材を前記工程(a)と同じ条件で陽極酸化した場合の電流密度をD1とし、
前記工程(a)と同じ電解液にてアルミニウム基材を前記工程(a)と同じ条件で陽極酸化した場合の電流密度をD2としたとき、
前記D1および前記D2が下記式(1)を満足する。
(D1)/2>D2 ・・・(1)
(2)前記工程(a)において、前記アルミニウム基材を70V超120V未満の電圧で陽極酸化し、
前記工程(a)で用いる前記2種類以上の酸を混合した電解液として、下記の条件(β)をさらに満足するものを用いる、(1)のモールドの製造方法。
(条件(β))
前記酸Aの体積モル濃度に対する、前記酸A以外の他の酸の体積モル濃度の比(x=他の酸/酸A×100)が、下記式(2)を満足する。
0.85V−60<x<140 ・・・(2)
式中、Vは工程(a)における陽極酸化時の印加電圧である。
(3)前記工程(a)において、前記アルミニウム基材を75V以上110V以下の電圧で陽極酸化する、(2)のモールドの製造方法。
(4)前記工程(a)における前記2種類以上の酸を混合した電解液の初期温度が、6℃以上である、(1)〜(3)のいずれかのモールドの製造方法。
)前記工程(a)で用いる前記2種類以上の酸を混合した電解液が、シュウ酸とリン酸との混合液からなる、(1)〜()のいずれかのモールドの製造方法。
)前記工程(c)において、2種類以上の酸を混合した電解液にてアルミニウム基材を60V以上120V以下の電圧で陽極酸化し、
前記工程(c)で用いる前記2種類以上の酸を混合した電解液として、下記の条件(α’)を満足し、かつ下記酸A’が、シュウ酸であり、下記酸A’以外の他の酸が、リン酸であり、シュウ酸の濃度が、0.3〜1.5Mであり、リン酸の濃度が、シュウ酸に対するリン酸のモル比率が10%以上150%以下となる濃度であるものを用いる、(〜(5)のいずれかのモールドの製造方法。
(条件(α’))
前記2種類以上の酸のうち酸解離定数Kaが最も高い酸A’のみの電解液にてアルミニウム基材を前記工程(c)と同じ条件で陽極酸化した場合の電流密度をD1’とし、
前記工程(c)と同じ電解液にてアルミニウム基材を前記工程(c)と同じ条件で陽極酸化した場合の電流密度をD2’としたとき、
前記D1’および前記D2’が下記式(1’)を満足する。
(D1’)/2>D2’ ・・・(1’)
)前記工程(c)において、前記アルミニウム基材を70V超120V未満の電圧で陽極酸化し、
前記工程(c)で用いる前記2種類以上の酸を混合した電解液として、下記の条件(β’)をさらに満足するものを用いる、()のモールドの製造方法。
(条件(β’))
前記酸A’の体積モル濃度に対する、前記酸A’以外の他の酸の体積モル濃度の比(x’=他の酸/酸A’×100)が、下記式(2’)を満足する。
0.85V’−60<x’<140 ・・・(2’)
式中、V’は工程(c)における陽極酸化時の印加電圧である。
)前記工程(c)において、前記アルミニウム基材を75V以上110V以下の電圧で陽極酸化する、()のモールドの製造方法。
)前記工程(c)における前記2種類以上の酸を混合した電解液の初期温度が、6℃以上である、()〜()のいずれかのモールドの製造方法。
10)前記(1)〜()のいずれかのモールドの製造方法で得られたモールドの表面に形成された複数の細孔からなる微細凹凸構造を、成形体本体の表面に転写する、微細凹凸構造を表面に有する成形体の製造方法。
11)前記(10)の方法で製造された微細凹凸構造を表面に有する成形体が用いられた画像表示装置。
本発明のモールドの製造方法によれば、印加電圧が高い場合においても電流密度を制御でき、特殊な装置を用いることなく、最初に形成される酸化皮膜の厚さや酸化時間を容易に調整でき、かつ最初に形成される酸化皮膜の厚さや酸化皮膜の少なくとも一部を除去することでアルミニウム基材上に形成される窪みの径を比較的均一にできる。最初に形成される酸化皮膜の厚を0.5〜10μmの範囲にできるために、マクロな凹凸の発生を抑制でき、また、アルミニウム基材上に形成される窪みの径を比較的均一にすることができるために、このアルミニウム基材を用いて、複数の細孔を有する酸化皮膜を形成した際に、アルミニウム基材上に形成される細孔を比較的均一に配列した構造とすることができる。
また、本発明の微細凹凸構造を表面に有する成形体の製造方法によれば、複数の突起からなる微細凹凸構造を表面に有する成形体を簡便に製造できる。
アルミニウム基材の表面に複数の細孔を有する酸化皮膜が形成されたモールドの製造工程を示す断面図である。 微細凹凸構造を表面に有する成形体の製造装置の一例を示す構成図である。 微細凹凸構造を表面に有する成形体の一例を示す断面図である。
以下の用語の定義は、本明細書及び特許請求の範囲にわたって適用される。
「細孔」とは、アルミニウム基材の表面の酸化皮膜に形成された微細凹凸構造の凹部のことをいう。
「細孔の間隔」は、隣接する細孔同士の中心間距離を意味する。
「突起」とは、成形体の表面に形成された微細凹凸構造の凸部のことをいう。
「微細凹凸構造」は、凸部または凹部の平均間隔がナノスケールであるの構造を意味する。
「(メタ)アクリレート」は、アクリレートおよびメタクリレートの総称である。
「活性エネルギー線」は、可視光線、紫外線、電子線、プラズマ、熱線(赤外線等)等を意味する。
酸が多塩基酸の場合、単に「酸解離定数Ka」というときは、第一解離定数Ka1を意味する。
[モールドの製造方法]
本発明のモールドの製造方法は、下記の工程(a)および工程(b)を有する方法である。工程(a)を含む製造方法であれば本発明の課題を解決できるが、製造したモールドの評価に際して工程(b)を要するという観点から、少なくとも工程(a)および工程(b)を有すればよい。さらに、モールドに好適な細孔の深さと規則的な配列とを両立する点からは、工程(b)の後に、下記の工程(c)および工程(d)を有することが好ましく、細孔の形状を開口部から深さ方向に徐々に径が縮小するテーパー形状にできる点から、工程(b)の後に、下記の工程(c)〜(e)を有することがより好ましい。
工程(a):2種類以上の酸を混合した電解液にてアルミニウム基材を60V以上120V以下の電圧で陽極酸化し、前記アルミニウム基材の表面に複数の細孔を有する酸化皮膜を形成する工程。
工程(b):前記工程(a)で形成された酸化皮膜の少なくとも一部を除去する工程。
工程(c):前記工程(b)または下記工程(d)の後、アルミニウム基材を陽極酸化して、複数の細孔を有する酸化皮膜を形成する工程。
工程(d):前記工程(c)の後、酸化皮膜の一部を除去し、細孔の孔径を拡大する工程。
工程(e):前記工程(c)と前記工程(d)とを交互に繰り返す工程。
以下、各工程について詳細に説明する。
<工程(a)>
工程(a)は、2種類以上の酸を混合した電解液にてアルミニウム基材を60V以上120V以下の電圧で陽極酸化し、前記アルミニウム基材の表面に複数の細孔を有する酸化皮膜を形成する第一の酸化皮膜形成工程である。
工程(a)を行うと、例えば図1に示すように、アルミニウム基材10の表面に複数の細孔12を有する酸化皮膜14が形成される。
アルミニウム基材の表面の一部または全部を電解液に浸漬して陽極酸化することによって、電解液に浸漬した部分に酸化皮膜を形成できる。陽極酸化の初期に形成される酸化皮膜は、細孔の位置や大きさが不均一で規則性は皆無であるが、酸化皮膜が厚くなるとともに、徐々に細孔の配列の規則性が増していく。
アルミニウム基材の形状は、特に限定されず、板状、円柱状、円筒状等、モールドとして使用可能な形状であればどのような形状であってもよい。
アルミニウム基材としては、公知の研磨方法(機械研磨、羽布研磨、化学研磨、電解研磨等)によって表面が研磨され、少なくとも陽極酸化する部分が鏡面化されたものが好ましい。
アルミニウム基材の純度は、99.0質量%超が好ましく、99.5質量%以上がより好ましく、99.9質量%以上がもっとも好ましい。アルミニウム基材の純度が99.0質量%超であれば、モールドの製造過程において、不純物の金属間化合物が脱落して発生するマクロな凹凸が多くなりすぎない。
アルミニウム基材の平均結晶粒径は、100μm以下が好ましく、80μm以下がより好ましく、60μm以下がさらに好ましい。平均結晶粒径が100μm以下であれば、二段酸化法を採用した場合に、第一の酸化皮膜を除去した際に生じるマクロな凹凸構造が比較的目立たず、特に透明材料のモールドとしての使用に適する。
アルミニウム基材の平均結晶粒径は、アルミニウム基材の被加工面における任意に選ばれた100個以上の結晶粒について算出された円換算直径の平均値である。被加工面の結晶粒の観察は光学顕微鏡等で行うことができ、円換算直径の平均値は、例えば日本ローパー社製の「Image−Pro PLUS」等の画像解析ソフトウエアを用いることで求められる。
工程(a)においては、酸解離定数の異なる2種類以上の酸を混合した電解液を用いて、アルミニウム基材を陽極酸化する。工程(a)において電解液として用いる酸性水溶液としては、無機酸類(硫酸(pKa=約−3)、リン酸(pKa=約2.12)、クロム酸(pKa=約0.74)、硝酸(pKa=約−1.32)等)、有機酸類(シュウ酸(pKa=約1.27)、マロン酸(pKa=約2.85)、酒石酸(pKa=約3)、コハク酸(pKa=約4.2)、リンゴ酸(pKa=約3.4)、クエン酸(pKa=約3.09)等)から選択された2種類以上の酸を混合した水溶液が挙げられる。なお、本明細書において例示されなかった酸であっても、陽極酸化によってアルミニウム表面に、複数の細孔を有する酸化皮膜を形成し得るものであれば使用可能である。
工程(a)で用いる2種類以上の酸を混合した電解液として、下記の条件(α)を満足するものを用いる。
(条件(α))
2種類以上の酸のうち酸解離定数Kaが最も高い酸A(以下、「第1の酸」とも記す。)のみの電解液にてアルミニウム基材を工程(a)と同じ条件(同じ酸Aの濃度、同じ電圧、同じ温度)で陽極酸化した場合の電流密度(最大値)をD1とし、
工程(a)と同じ電解液にてアルミニウム基材を工程(a)と同じ条件(同じ電圧、同じ温度)で陽極酸化した場合の電流密度(最大値)をD2としたとき、
D1およびD2が下記式(1)を満足する。
(D1)/2>D2 ・・・(1)
式(1)を満足する電解液の組成の決定方法としては、まず、第1の酸を決め、印加電圧に応じて第1の酸よりも酸解離定数の低い別の酸(以下、「第2の酸」とも記す。)の種類および割合を決定する方法が好ましい。
酸解離定数Kaの高い酸(酸解離定数の負の常用対数であるpKaが小さい酸)は、一般的に強い酸であり、電解液として用いた場合に電流密度が高くなる傾向にある。例えば、酸解離定数pKaが約−3である硫酸は、25V付近の電圧を印加した際に細孔の間隔が約60nmの微細凹凸構造を有する陽極酸化ポーラスアルミナが得られることが知られているが、これよりも高い電圧を印加すると、電流密度が非常に高くなり、アルミニウムの抵抗によるジュール熱により熱暴走を生じアルミニウムが溶断する場合がある。また、酸解離定数pKaが約1.27であるシュウ酸の場合、40V付近の電圧を印加した際に細孔の間隔が約100nmの微細凹凸構造を有する陽極酸化ポーラスアルミナが得られることが知られているが、これよりも高い電圧を印加した場合には、電流密度が非常に高くなり、熱暴走を生じる場合がある。
一方で、酸解離定数pKaが約2.12のリン酸を用いて陽極酸化を行う場合、約160Vの電圧を印加した場合に、細孔の間隔が約350nmの比較的規則性のある微細凹凸構造を有する陽極酸化ポーラスアルミナが得られることが知られている。しかし、リン酸やマロン酸(pKa約2.85)、酒石酸(pKa約3)等の酸解離定数が低い酸を用いて陽極酸化を行った場合、酸化皮膜の形成が非常に遅い、微細凹凸構造の規則性が酸解離定数の高い酸を用いて陽極酸化した場合と比較して非常に低い、形成される酸化皮膜の膜厚にムラが発生しやすい、という問題があった。また、微細凹凸構造における細孔の間隔が大きく、反射防止物品の製造に用いるモールドには不向きであった。反射防止物品の製造等に好適な細孔の間隔が約100〜300nmの微細凹凸構造を得るためには、60V以上120V以下の電圧を印加して陽極酸化する必要があるが、酸解離定数の低い酸にて60V以上120V以下の電圧を印加し陽極酸化しても、酸化皮膜がほとんど成長せず、規則的な微細凹凸構造も得られない。
このため、従来は、60V以上の電圧を印加して比較的規則性の高い微細凹凸構造を有する陽極酸化ポーラスアルミナを得るためには、酸解離定数の高い酸を電解液として用い低温度下で陽極酸化を行い、電流密度が高くなりすぎることを抑制することが行われてきた。しかしながら、ジュール熱により発熱するアルミニウムを低温に維持しながら、大電圧を印加してアルミニウムを陽極酸化するには特殊な装置が必要であり、特に大面積のアルミニウム基材を陽極酸化することは困難であった。
本発明者らは、硫酸、シュウ酸等の酸解離定数が高い酸に、リン酸、マロン酸、酒石酸等の酸解離定数が低いを酸を混合することにより、電流密度を大幅に低下することができ、簡便に60V以上120V以下の電圧を印加し、陽極酸化ポーラスアルミナを得ることができることを見出し、本発明を成すに至った。例えば、シュウ酸0.3M、リン酸0.1Mの混合液を用い、60V15℃での環境下で陽極酸化をした場合、シュウ酸のみを用いて陽極酸化した場合と比較して、電流密度を大きく低減することができる。
このように、印加電圧が例えば80Vの場合、細孔が規則性高く配列した、厚さのムラの小さい酸化皮膜を比較的容易に形成できる、40V付近の電圧域で好適に用いられるシュウ酸を第1の酸とし、リン酸、マロン酸、酒石酸等の酸解離定数がシュウ酸よりも低い酸を混合し、陽極酸化処理を行えばよい。なお、シュウ酸を第1の酸とし、リン酸を第2の酸とすることがより好ましい。
第1の酸と第2の酸とを混合する割合は、上述したD1およびD2が上述した式(1)を満たす割合となるように設定される。
より具体的には、第1の酸に対する第2の酸のモル比率は、10%以上150%以下であることが好ましく、12.5%以上140%以下であることがより好ましく、15%以上135%以下であることがさらに好ましい。モル比率を10%以上とすることで、第1の酸のみを用いて陽極酸化した場合と比較して、電流密度を半分以下に低下させることができる。モル比率を140%以下とすることで、酸化皮膜の厚さや酸化皮膜の少なくとも一部を除去することでアルミニウム基材上に形成される窪みの径が不均一になる等の第2の酸による悪影響を十分に小さくできる。
電解液の濃度は、シュウ酸を第1の酸、リン酸を第2の酸とする場合を例示しながら説明する。
シュウ酸の濃度は、0.3〜1.5Mが好ましく、0.3〜1.0Mがより好ましく、0.3〜0.8Mがさらに好ましい。シュウ酸の濃度がこの範囲内であれば、60V以上120V以下の電圧域で陽極酸化した時に酸化皮膜に形成される細孔の径や、アルミニウム基材上に形成される窪みの径を比較的均一に保つことが可能となる。
リン酸の濃度は、シュウ酸に対するリン酸のモル比率が10%以上150%以下となるような濃度とすることが好ましい。リン酸の濃度がこの範囲内にあれば、陽極酸化時に流れる電流密度を十分に抑制することができる。電流密度が低いと、熱暴走やヤケと呼ばれる高電流密度に起因する欠陥を防ぐだけでなく、均一な厚さの酸化皮膜を形成する点で効果がある。
なお、同一の濃度、同一の印加電圧であっても、電解液の温度を下げると電流密度は顕著に低下する。電解液の温度を容易に調整、維持できる点から、電解液の初期温度は、6℃以上が好ましく、8℃以上がより好ましく、10℃以上がさらに好ましい。一方、電解液として酸水溶液を用いる場合、蒸発による濃度変化を抑える点から、電解液の初期温度は、30℃以下が好ましい。30℃以下であれば電解液の濃度を管理するのに都合がよい。
工程(a)において形成される酸化皮膜の厚さは、0.5〜10μmが好ましい。酸化皮膜の厚さがこの範囲内にあれば、後述の工程(b)において酸化皮膜を除去した際に、アルミニウム基材の表面の機械加工の痕は十分に除かれ、かつ結晶粒界の段差が視認できるほど大きくはない。モールド由来のマクロな凹凸の成形体本体の表面への転写を回避できるため、モールドとしての使用に適する。
酸化皮膜の厚さは電流密度と酸化時間の積である積算電気量に比例する。電流密度と酸化時間を変更することによって、酸化皮膜の厚さを調整することができる。
工程(a)における印加電圧は、2種類以上の酸を混合した電解液をあえて用いることを考慮すると、60V以上120V以下であり、70V超120V未満が好ましく、窪みの径のばらつきが少なく、膜厚ムラの小さい高品位な酸化皮膜を得ることができる点から、75V以上110V以下がより好ましい。硫酸、シュウ酸、リン酸等の従来から代表的に用いられている電解液においては、細孔が規則性高く配列した、厚さのムラの小さい酸化皮膜を比較的容易に形成できる好適な電圧域がそれぞれ経験的に知られており、60V以上120V以下の電圧域はその何れの電圧域からも外れている。すなわち、2種類以上の酸を混合した電解液の効果を最も発揮しやすい電圧域といえる。
なお、印加電圧が高くなると、電流密度が大きく上昇しやすいため、熱暴走やヤケが発生する危険性が高まる傾向にある。よって、印加電圧に応じて第2の酸の混合比率を調節することが好ましい。すなわち、工程(a)で用いる2種類以上の酸を混合した電解液としては、下記の条件(β)をさらに満足するものが好ましい。
(条件(β))
第1の酸の体積モル濃度に対する、第2の酸の体積モル濃度の比(x=第2の酸/第1の酸×100)が、下記式(2)を満足する。
0.85V−60<x<140 ・・・(2)
式中、Vは工程(a)における陽極酸化時の電圧である。
体積モル濃度比xを、(0.85V−60)%以上とすることで、電流密度が過度に上昇することを抑制し、熱暴走やヤケの発生を抑制しつつ簡便に陽極酸化を行うことができる。体積モル濃度比xを140%以下とすることで、酸化皮膜の形成が極端に遅くなることを抑制でき、さらに酸化皮膜に形成される細孔の径やアルミニウム基材上に形成される窪みの径を比較的均一に保つことができる。
<工程(b)>
工程(b)は、工程(a)で形成された酸化皮膜の一部または全部を除去する酸化皮膜除去工程である。
工程(b)を行うと、例えば図1に示すように、酸化皮膜14の全部が除去され、アルミニウム基材10の表面に窪み16が露出する。
酸化皮膜の一部または全部を除去することによって、酸化皮膜の底部のバリア層からなる窪みまたはバリア層の形状に対応した窪みがアルミニウム基材の表面に露出する。工程(a)において規則的に配列した細孔を形成することによって、工程(b)において酸化皮膜の一部または全部を除去して形成される窪みも、規則的に配列したものとなる。
酸化皮膜14の一部または全部を除去する方法としては、アルミニウムを溶解せず、アルミナを選択的に溶解する溶液に浸漬する方法が挙げられる。このような溶液としては、例えば、クロム酸/リン酸混合液等が挙げられる。
<工程(c)>
工程(c)は、工程(b)または下記工程(d)の後、アルミニウム基材を電解液に浸漬して再び陽極酸化して、複数の細孔を有する酸化皮膜を形成する第二の酸化皮膜形成工程である。
工程(b)の後に工程(c)を行うと、例えば図1に示すように、アルミニウム基材10が陽極酸化されて、複数の細孔12を有する酸化皮膜14が再び形成される。
また、工程(d)の後に工程(c)を行うと、既存の酸化皮膜の下に新たな酸化皮膜が形成され、既存の細孔の底部から下方に延びる新たな細孔が形成される。
アルミニウム基材の表面に窪みが形成された状態で再び陽極酸化すると、窪みが細孔発生点として作用し、新たな酸化皮膜の細孔は、窪みに対応した位置に発生する。特に、窪みが規則的に配列している場合、陽極酸化の初期、すなわち新たに形成される酸化皮膜が薄い状態であっても、規則的に配列した細孔が形成され、サブミクロンオーダーで細孔の深さが調節され、規則的に配列した細孔を容易に製造することができる。
工程(c)においては、酸解離定数の異なる2種類以上の酸を混合した電解液を用いて、アルミニウム基材を陽極酸化することが好ましい。
工程(c)で用いる2種類以上の酸を混合した電解液としては、下記の条件(α’)を満足するものが好ましい。
(条件(α’))
2種類以上の酸のうち酸解離定数Kaが最も高い酸A’(以下、「第1の酸」とも記す。)のみの電解液にてアルミニウム基材を工程(c)と同じ条件(同じ酸A’の濃度、同じ電圧、同じ温度)で陽極酸化した場合の電流密度(最大値)をD1’とし、
工程(c)と同じ電解液にてアルミニウム基材を工程(c)と同じ条件(同じ電圧、同じ温度)で陽極酸化した場合の電流密度(最大値)をD2’としたとき、
D1’およびD2’が下記式(1’)を満足する。
(D1’)/2>D2’ ・・・(1’)
式(1’)を満足する電解液の組成の決定方法としては、まず、第1の酸を決め、印加電圧に応じて第1の酸よりも酸解離定数の低い別の酸(以下、「第2の酸」とも記す。)の種類および割合を決定する方法が好ましい。
第1の酸と第2の酸とを混合する割合は、上述したD1’およびD2’が上述した式(1’)を満たす割合となるように設定される。
なお、印加電圧が高くなると、電流密度が大きく上昇しやすいため、熱暴走やヤケが発生する危険性が高まる傾向にある。よって、印加電圧に応じて第2の酸の混合比率を調節することが好ましい。すなわち、工程(c)で用いる2種類以上の酸を混合した電解液としては、下記の条件(β’)をさらに満足するものが好ましい。
(条件(β’))
第1の酸の体積モル濃度に対する、第2の酸の体積モル濃度の比(x’=第2の酸/第1の酸×100)が、下記式(2’)を満足する。
0.85V’−60<x’<140 ・・・(2’)
式中、V’は工程(c)における陽極酸化時の印加電圧である。
工程(c)における電解液は、工程(a)で用いた電解液と同じものが好ましい。なお、工程(c)においては、必ずしも2種類以上の酸を混合した電解液を用いる必要はない。上述のように、細孔発生点として作用する窪みが形成されているアルミニウム基材をさらに陽極酸化する場合、陽極酸化の条件が異なっていても規則的に配列した細孔が形成されやすい。したがって、工程(c)における電解液は、1種類の酸水溶液からなる電解液を用いてもよい。また、2種類以上の酸を混合した電解液を用いる場合、第1の酸の割合は、特に制限されない。また、必要に応じて酸の種類を変更してもよい。
電解液の濃度は、例えばシュウ酸を第1の酸、リン酸を第2の酸とする電解液を用いる場合、シュウ酸の濃度は0.1〜0.8Mは好ましく、リン酸の濃度は、シュウ酸に対するモル比率が10%以上150%以下となる濃度が好ましい。酸の濃度がこの範囲内であれば、細孔の深さをナノオーダーで容易に調整することができる。
工程(c)における印加電圧は、2種類以上の酸を混合した電解液をあえて用いることを考慮すると、60V以上120V以下が好ましく、70V超120V未満がより好ましく、窪みの径のばらつきが少なく、膜厚ムラの小さい高品位な酸化皮膜を得ることができる点から、75V以上110V以下がさらに好ましい。
工程(c)の陽極酸化における電圧は、工程(a)の印加電圧と同じことが好ましい。
陽極酸化の時間は、電解液の組成や印加電圧の大きさ、所望する細孔の深さによって変動するため特に限定されないが、細孔の深さを精密に調整するためには3秒以上が好ましい。
電解液の初期温度は特に制限されないが、長期間の使用にて水の蒸発による電解液の濃度変化が起こりにくい点から、30℃以下が好ましく、20℃以下がより好ましい。また、電解液を低温で維持する特殊な装置を用いる必要がない点から、6℃以上が好ましく、8℃以上がより好ましく、10℃以上がさらに好ましい。
<工程(d)>
工程(d)は、工程(c)の後、酸化皮膜の一部を除去し、細孔の孔径を拡大する孔径拡大処理工程である。
工程(c)の後に工程(d)を行うと、例えば図1に示すように、工程(c)によって形成された酸化皮膜14の一部が除去されて、細孔12の孔径が拡大する。
孔径拡大処理の具体的方法としては、アルミナを溶解する溶液に浸漬して、酸化皮膜に形成されている細孔をエッチングによって拡大させる方法が挙げられる。このような溶液としては、例えば、5.0質量%程度のリン酸水溶液等が挙げられる。浸漬する時間を長くするほど、細孔の孔径は大きくなる。
<工程(e)>
工程(e)は、工程(c)と工程(d)とを交互に繰り返して細孔の深さと形状を調整する繰り返し工程である。
工程(c)と工程(d)とを交互に繰り返すことによって、例えば図1に示すように、細孔12の形状を開口部から深さ方向に徐々に径が縮小するテーパー形状にでき、その結果、周期的な複数の細孔12からなる酸化皮膜14が表面に形成されたモールド18を得ることができる。
工程(c)および工程(d)の条件、例えば、陽極酸化の電解液濃度や酸化時間、孔径拡大処理の時間、孔径拡大処理に利用する溶液の温度や濃度を適宜設定することによって、様々な形状の細孔を有する酸化皮膜を形成できる。モールドを用いて製造される成形体の用途等に応じて、これら条件を適宜設定すればよい。
工程(c)の回数は、回数が多いほど滑らかなテーパー形状にすることができる点から、工程(e)の前に行った工程(c)も含めて少なくとも3回が好ましい。同じく、工程(d)の回数も、回数が多いほど滑らかなテーパー形状にすることができる点から、工程(e)の前に行った工程(d)も含めて少なくとも3回が好ましい。それぞれの回数が2回以下の場合、非連続的に細孔の孔径が減少する傾向にあり、このようなモールドを用いて反射防止物品(反射防止膜等)を製造した場合、その反射率低減効果が劣る可能性がある。
工程(e)は、工程(c)で終了してもよく、工程(d)で終了してもよい。
工程(c)および工程(e)における陽極酸化を長時間施すほど深い細孔を得ることができるが、微細凹凸構造を転写するためのモールドとして用いる場合、工程(e)を経て最終的に得られる酸化皮膜の厚さは、0.01〜0.8μm程度でよい。工程(c)における電圧以外の陽極酸化の条件(電解液の種類、濃度、温度等)も必ずしも工程(a)と一致させる必要はなく、酸化皮膜の厚さを調整しやすい条件に適宜変更してもよい。また、工程(c)および工程(d)を繰り返す際に、前回に行った各工程と同一の条件で行う必要はなく、各種条件を適宜変更しても構わない。
<モールド>
本発明のモールドの製造方法によれば、アルミニウム基材の表面に、開口部から深さ方向に徐々に径が縮小するテーパー形状の細孔が比較的規則的に配列して形成され、その結果、微細凹凸構造を有する酸化皮膜(陽極酸化ポーラスアルミナ)が表面に形成されたモールドを製造できる。
隣接する細孔の平均間隔は、可視光の波長以下が好ましく、150〜600nmがより好ましい。細孔の平均間隔が150nm以上であれば、モールドの表面を転写して得られる成形体(反射防止物品等)の反射防止性能を損なうことなく耐擦傷性能を向上でき、かつ突起同士の合一に起因する成形体の白化を抑制することができる。細孔の平均間隔が600nm以下であれば、モールドの表面の転写によって得られた成形体の表面(転写面)において可視光の散乱が起こりにくくなり、十分な反射防止機能が発現するため、反射防止膜等の反射防止物品の製造に適する。
また、モールドを反射防止物品(反射防止膜等)の製造に用いる場合、細孔の平均間隔が600nm以下であるとともに、細孔の深さが100nm以上であることが好ましく、150nm以上であることがより好ましい。細孔の深さが100nm未満のモールドを用いた場合、反射防止物品の反射防止性能が十分ではなくなるおそれがある。
また、モールドの細孔のアスペクト比(=深さ/平均間隔)は、0.25以上が好ましく、0.5以上がさらに好ましく、0.75以上がもっとも好ましい。アスペクト比が0.25以上であれば、反射率が低い表面を形成でき、その入射角依存性も十分に小さくなる。
モールドの微細凹凸構造が形成された表面は、離型が容易になるように、離型処理が施されていてもよい。離型処理の方法としては、例えば、リン酸エステル系ポリマー、シリコーン系ポリマー、フッ素ポリマー等をコーティングする方法、フッ素化合物を蒸着する方法、フッ素系表面処理剤またはフッ素シリコーン系表面処理剤をコーティングする方法等が挙げられる。
<作用効果>
以上説明した本発明のモールドの製造方法にあっては、工程(a)において、2種類以上の酸を混合した電解液であって、かつ2種類以上の酸のうち酸解離定数Kaが最も高い第1の酸のみの電解液にてアルミニウム基材を工程(a)と同じ条件で陽極酸化した場合の電流密度をD1とし、工程(a)と同じ電解液にてアルミニウム基材を工程(a)と同じ条件で陽極酸化した場合の電流密度をD2としたとき、D2がD1の半分以下となるように、2種類以上の酸が混合された電解液を用いて、アルミニウム基材を陽極酸化しているため、印加電圧域が60V以上120V以下と高い領域であっても、電流密度を容易に制御可能で、かつ最初に形成される酸化皮膜を薄膜化し、しかもこの酸化皮膜の厚さや酸化皮膜の少なくとも一部を除去することでアルミニウム基材上に形成される窪みの径の不均一化を抑止できる。
したがって、本発明のモールドの製造方法によれば、印加電圧が高い場合においても、特殊な装置を用いることなく、最初に形成される酸化皮膜の厚さや酸化時間を容易に調整でき、かつ最初に形成される酸化皮膜の厚さや酸化皮膜の少なくとも一部を除去することでアルミニウム基材上に形成される窪みの径を比較的均一にできる。
また、本発明のモールドの製造方法によれば、印加電圧を高くして、細孔の間隔が大きいモールドを製造する場合であっても、特殊な装置を用いることなく、最初に形成される酸化皮膜の厚を0.5〜10μmの範囲にできるため、最初に形成される酸化皮膜を除去した後に生じる、結晶粒界や機械加工の痕、酸化皮膜の厚さのムラに由来するマクロな凹凸が抑えられ、マクロな凹凸が少ないモールドを製造できる。
[成形体の製造方法]
本発明の成形体の製造方法は、本発明のモールドの製造方法で得られたモールドの表面に形成された複数の細孔からなる微細凹凸構造を、成形体本体の表面に転写する方法である。
モールドの微細凹凸構造(細孔)を転写して製造された成形体は、その表面にモールドの微細凹凸構造の反転構造(突起)が、鍵と鍵穴の関係で転写される。
モールドの微細凹凸構造を成形体本体の表面に転写する方法としては、例えば、モールドと透明基材(成形体本体)の間に未硬化の活性エネルギー線硬化性樹脂組成物を充填し、モールドの微細凹凸構造に活性エネルギー線硬化性樹脂組成物が接触した状態で、活性エネルギー線を照射して活性エネルギー線硬化性樹脂組成物を硬化させた後にモールドを離型する方法が好ましい。これによって、透明基材の表面に、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の硬化物からなる微細凹凸構造が形成された成形体を製造できる。得られた成形体の微細凹凸構造は、モールドの微細凹凸構造の反転構造となる。
<成形体本体>
透明基材としては、活性エネルギー線の照射を、透明基材を介して行うため、活性エネルギー線の照射を著しく阻害しないものが好ましい。透明基材の材料としては、例えば、ポリエステル樹脂(ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等)、ポリメタクリレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、塩化ビニル樹脂、ABS樹脂、スチレン樹脂、ガラス等が挙げられる。
<活性エネルギー線硬化性樹脂組成物>
活性エネルギー線硬化性樹脂組成物を用いる方法は、熱硬化性樹脂組成物を用いる方法に比べて加熱や硬化後の冷却を必要としないため、短時間で微細凹凸構造を転写することができ、量産に好適である。
活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の充填方法としては、モールドと透明基材の間に活性エネルギー線硬化性樹脂組成物を供給した後に圧延して充填する方法、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物を塗布したモールド上に透明基材をラミネートする方法、あらかじめ透明基材上に活性エネルギー線硬化性樹脂組成物を塗布してモールドにラミネートする方法等が挙げられる。
活性エネルギー線硬化性樹脂組成物は、重合反応性化合物と、活性エネルギー線重合開始剤とを含有する。上記の他に、用途に応じて非反応性のポリマーや活性エネルギー線ゾルゲル反応性成分が含まれていてもよく、増粘剤、レベリング剤、紫外線吸収剤、光安定剤、熱安定剤、溶剤、無機フィラー等の各種添加剤が含まれていてもよい。
重合反応性化合物としては、分子中にラジカル重合性結合および/またはカチオン重合性結合を有するモノマー、オリゴマー、反応性ポリマー等が挙げられる。
ラジカル重合性結合を有するモノマーとしては、単官能モノマー、多官能モノマーが挙げられる。
ラジカル重合性結合を有する単官能モノマーとしては、(メタ)アクリレート誘導体(メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、i−ブチル(メタ)アクリレート、s−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、アルキル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、フェノキシエチル(メタ)アクリレート、イソボルニル(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、アリル(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、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、2−メトキシエチル(メタ)アクリレート、2−エトキシエチル(メタ)アクリレート等)、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリロニトリル、スチレン誘導体(スチレン、α−メチルスチレン等)、(メタ)アクリルアミド誘導体((メタ)アクリルアミド、N−ジメチル(メタ)アクリルアミド、N−ジエチル(メタ)アクリルアミド、ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド等)等が挙げられる。これらは、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
ラジカル重合性結合を有する多官能モノマーとしては、二官能性モノマー(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、イソシアヌール酸エチレンオキサイド変性ジ(メタ)アクリレート、トリ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、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、1,5−ペンタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,3−ブチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリブチレングリコールジ(メタ)アクリレート、2,2−ビス(4−(メタ)アクリロキシポリエトキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−(メタ)アクリロキシエトキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−(3−(メタ)アクリロキシ−2−ヒドロキシプロポキシ)フェニル)プロパン、1,2−ビス(3−(メタ)アクリロキシ−2−ヒドロキシプロポキシ)エタン、1,4−ビス(3−(メタ)アクリロキシ−2−ヒドロキシプロポキシ)ブタン、ジメチロールトリシクロデカンジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAのエチレンオキサイド付加物ジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAのプロピレンオキサイド付加物ジ(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ジ(メタ)アクリレート、ジビニルベンゼン、メチレンビスアクリルアミド等)、三官能モノマー(ペンタエリスリトールトリ(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、トリメチロールプロパンエチレンオキサイド変性トリ(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変性トリアクリレート、トリメチロールプロパンエチレンオキシド変性トリアクリレート、イソシアヌール酸エチレンオキサイド変性トリ(メタ)アクリレート等)、四官能以上のモノマー(コハク酸/トリメチロールエタン/アクリル酸の縮合反応混合物、ジペンタエリストールヘキサ(メタ)アクリレート、ジペンタエリストールペンタ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート、テトラメチロールメタンテトラ(メタ)アクリレート等)、二官能以上のウレタンアクリレート、二官能以上のポリエステルアクリレート等が挙げられる。これらは、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
カチオン重合性結合を有するモノマーとしては、エポキシ基、オキセタニル基、オキサゾリル基、ビニルオキシ基等を有するモノマーが挙げられ、エポキシ基を有するモノマーが特に好ましい。
分子中にラジカル重合性結合および/またはカチオン重合性結合を有するオリゴマーまたは反応性ポリマーとしては、不飽和ジカルボン酸と多価アルコールとの縮合物等の不飽和ポリエステル類;ポリエステル(メタ)アクリレート、ポリエーテル(メタ)アクリレート、ポリオール(メタ)アクリレート、エポキシ(メタ)アクリレート、ウレタン(メタ)アクリレート、カチオン重合型エポキシ化合物、側鎖にラジカル重合性結合を有する上述のモノマーの単独または共重合ポリマー等が挙げられる。
活性エネルギー線重合開始剤としては、公知の重合開始剤を用いることができ、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物を硬化させる際に用いる活性エネルギー線の種類に応じて適宜選択することが好ましい。
光硬化反応を利用する場合、光重合開始剤としては、カルボニル化合物(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、ベンゾフェノン、p−メトキシベンゾフェノン、2,2−ジエトキシアセトフェノン、α,α−ジメトキシ−α−フェニルアセトフェノン、メチルフェニルグリオキシレート、エチルフェニルグリオキシレート、4,4’−ビス(ジメチルアミノ)ベンゾフェノン、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン等)、硫黄化合物(テトラメチルチウラムモノスルフィド、テトラメチルチウラムジスルフィド等)、2,4,6−トリメチルベンゾイルジフェニルフォスフィンオキサイド、ベンゾイルジエトキシフォスフィンオキサイド等が挙げられる。これらは、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
電子線硬化反応を利用する場合、重合開始剤としては、ベンゾフェノン、4,4−ビス(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン、2,4,6−トリメチルベンゾフェノン、メチルオルソベンゾイルベンゾエート、4−フェニルベンゾフェノン、t−ブチルアントラキノン、2−エチルアントラキノン、チオキサントン(2,4−ジエ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等)、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、ベンジルジメチルケタール、1−ヒドロキシシクロヘキシル−フェニルケトン、2−メチル−2−モルホリノ(4−チオメチルフェニル)プロパン−1−オン、2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルホリノフェニル)−ブタノン等)、ベンゾインエーテル(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等)、アシルホスフィンオキサイド(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サイド、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サイド、ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルホスフィンオキサイド等)、メチルベンゾイルホルメート、1,7−ビスアクリジニルヘプタン、9−フェニルアクリジン等が挙げられる。これらは、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
活性エネルギー線硬化性樹脂組成物における活性エネルギー線重合開始剤の含有量は、重合性化合物100質量部に対して、0.1〜10質量部が好ましい。活性エネルギー線重合開始剤が0.1質量部未満では、重合が進行しにくい。一方、活性エネルギー線重合開始剤が10質量部を超えると、硬化樹脂が着色したり、機械強度が低下したりすることがある。
非反応性のポリマーとしては、アクリル樹脂、スチレン系樹脂、ポリウレタン樹脂、セルロース樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリエステル樹脂、熱可塑性エラストマー等が挙げられる。
活性エネルギー線ゾルゲル反応性組成物としては、例えば、アルコキシシラン化合物、アルキルシリケート化合物等が挙げられる。
アルコキシシラン化合物としては、RSi(OR’)で表されるものが挙げられる。RおよびR’は炭素数1〜10のアルキル基を表し、xおよびyはx+y=4の関係を満たす整数である。具体的には、テトラメトキシシラン、テトラ−iso−プロポキシシラン、テトラ−n−プロポキシシラン、テトラ−n−ブトキシシラン、テトラ−sec−ブトキシシラン、テトラ−tert−ブトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリプロポキシシラン、メチルトリブトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、トリメチルメトキシシラン、トリメチルプロポキシシラン、トリメチルブトキシシラン等が挙げられる。
アルキルシリケート化合物としては、RO[Si(OR)(OR)O]で表されるものが挙げられる。R〜Rはそれぞれ炭素数1〜5のアルキル基を表し、zは3〜20の整数を表す。具体的にはメチルシリケート、エチルシリケート、イソプロピルシリケート、n−プロピルシリケート、n−ブチルシリケート、n−ペンチルシリケート、アセチルシリケート等が挙げられる。
<製造装置>
微細凹凸構造を表面に有する成形体は、例えば、図2に示す製造装置を用いて、下記のようにして製造される。
微細凹凸構造(図示略)を表面に有するロール状モールド20と、ロール状モールド20の表面に沿って移動する帯状のフィルム42(透明基材)との間に、タンク22から活性エネルギー線硬化性樹脂組成物38を供給する。
ロール状モールド20と、空気圧シリンダ24によってニップ圧が調整されたニップロール26との間で、フィルム42および活性エネルギー線硬化性樹脂組成物38をニップし、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物38を、フィルム42とロール状モールド20との間に均一に行き渡らせると同時に、ロール状モールド20の微細凹凸構造の凹部内に充填する。
ロール状モールド20の下方に設置された活性エネルギー線照射装置28から、フィルム42を通して活性エネルギー線硬化性樹脂組成物38に活性エネルギー線を照射し、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物38を硬化させることによって、ロール状モールド20の表面の微細凹凸構造が転写された硬化樹脂層44を形成する。
剥離ロール30により、表面に硬化樹脂層44が形成されたフィルム42をロール状モールド20から剥離することによって、図3に示すような成形体40を得る。
活性エネルギー線照射装置28としては、例えば、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ等が挙げられる。
活性エネルギー線の照射量は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の硬化が進行するエネルギー量であればよく、通常、100〜10000mJ/cm程度である。
<成形体>
このようにして製造された成形体40は、図3に示すように、フィルム42(透明基材)の表面に硬化樹脂層44が形成されたものである。
硬化樹脂層44は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の硬化物からなる膜であり、表面に微細凹凸構造を有する。
本発明におけるモールドを用いた場合の成形体40の表面の微細凹凸構造は、酸化皮膜の表面の微細凹凸構造を転写して形成されたものであり、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の硬化物からなる複数の突起46を有する。
微細凹凸構造としては、略円錐形状、角錐形状等の突起(凸部)が複数並んだ、いわゆるモスアイ構造が好ましい。突起間の間隔が可視光の波長以下であるモスアイ構造は、空気の屈折率から材料の屈折率へと連続的に屈折率が増大していくことで有効な反射防止の手段となることが知られている。
<用途>
本発明の製造方法で得られた成形体は、表面の微細凹凸構造によって、反射防止性能、撥水性能等の種々の性能を発揮する。
微細凹凸構造を表面に有する成形体がシート状またはフィルム状の場合には、反射防止膜として、例えば、画像表示装置(テレビ、携帯電話のディスプレイ等)、展示パネル、メーターパネル等の対象物の表面に貼り付けたり、インサート成形したりして用いることができる。また、撥水性能を活かして、風呂場の窓や鏡、太陽電池部材、自動車のミラー、看板、メガネのレンズ等、雨、水、蒸気等にさらされるおそれのある対象物の部材としても用いることができる。
微細凹凸構造を表面に有する成形体が立体形状の場合には、用途に応じた形状の透明基材を用いて反射防止物品を製造しておき、これを上記対象物の表面を構成する部材として用いることもできる。
また、対象物が画像表示装置である場合には、その表面に限らず、その前面板に対して、微細凹凸構造を表面に有する成形体を貼り付けてもよいし、前面板そのものを、微細凹凸構造を表面に有する成形体から構成することもできる。例えば、イメージを読み取るセンサーアレイに取り付けられたロッドレンズアレイの表面、FAX、複写機、スキャナ等のイメージセンサーのカバーガラス、複写機の原稿を置くコンタクトガラス等に、微細凹凸構造を表面に有する成形体を用いても構わない。また、可視光通信等の光通信機器の光受光部分等に、微細凹凸構造を表面に有する成形体を用いることによって、信号の受信感度を向上させることもできる。
また、微細凹凸構造を表面に有する成形体は、上述した用途以外にも、光導波路、レリーフホログラム、光学レンズ、偏光分離素子等の光学用途や、細胞培養シートとしての用途に展開できる。
<作用効果>
以上説明した本発明の微細凹凸構造を表面に有する成形体の製造方法にあっては、本発明のモールドの製造方法で得られたモールドを用いることによって、このモールドの微細凹凸構造の反転構造を表面に有する成形体を一工程で簡便に製造できる。
また、上述したように本発明のモールドの製造方法によれば、印加電圧を高くして、細孔の間隔が大きいモールドを製造した場合であっても、結晶粒界や機械加工の痕、酸化皮膜の厚さのムラに由来するマクロな凹凸がモールドの転写面に生じにくい。したがって、本発明のモールドの製造方法で得られたモールドを用いることによって、突起の間隔が大きい(例えば150nm以上)のものであっても、モールド由来のマクロな凹凸が目立たない、外観品位に優れる成形体を製造できる。
以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
各種測定、評価は、以下の方法にて行った。
(工程(a)で形成された酸化皮膜の厚さ)
工程(a)を行った後、アルミニウム基材の酸化面の一部を切り取って、その縦断面に白金を1分間蒸着し、電解放出型走査電子顕微鏡(日本電子株式会社製、「JSM−7400F」)を用いて、加速電圧3.00kVで観察した。断面サンプルを2000倍に拡大して観察し、観察範囲で酸化皮膜の厚さを測定した。この測定を2点で行い、下記の基準にて評価した。
◎:測定を行った2点間の酸化皮膜の厚さに差がなく、概ね均一である。
○:測定を行った2点間の酸化皮膜の厚さの差が0.5μm未満である。
△:測定を行った2点間の酸化皮膜の厚さの差が0.5μm以上0.8μm未満である。
×:測定を行った2点間の酸化皮膜の厚さの差が0.8μm以上であり、厚さが不均一である。
(アルミニウム基材上に形成された窪みの径のばらつき)
工程(a)で形成された酸化皮膜を除去したあと、アルミニウム基材の一部を切り取って、白金を1分間蒸着し、電解放出型走査電子顕微鏡(日本電子株式会社製、「JSM−7400F」)を用いて、加速電圧3.00kVで観察した。表面サンプルを10000倍に拡大して観察し、観察範囲(12μm×9μm)で皮膜セルの痕跡である窪みの径を測定し、視野の中で比較的小さな窪みと比較的大きな窪みを3点ずつ任意に選定し、大きな窪みの径の平均値の小さな窪みの径の平均値に対する比率を求めた。この測定を一サンプルにつき2点の観察範囲で実施し、下記の基準にて評価した。
◎:概ね窪みの径が均一。
○:径が小さい窪みに対し1.5倍以上の径を有する窪みがある。
△:径が小さい窪みに対し1.8倍以上の径を有する窪みがある。
×:径が小さい窪みに対し2.0倍以上の径を有する窪みがある。
(モールドの細孔の平均間隔および深さ)
酸化皮膜が表面に形成されたモールドの一部を切り取って、表面に白金を1分間蒸着し、電解放出型走査電子顕微鏡(日本電子株式会社製、「JSM−7400F」)を用いて、加速電圧3.00kVで1万倍に拡大して観察した。細孔の平均間隔(ピッチ)は一直線上に並んだ6個の細孔の中心間距離を平均して求めた。
また、モールドの一部を異なる2箇所から切り取って、その縦断面に白金を1分間蒸着し、同じく電解放出型走査電子顕微鏡を用いて加速電圧3.00kVで観察した。各断面サンプルを5万倍に拡大して観察し、観察範囲で10個の細孔の深さを測定し、平均した。この測定を2点で行い、各観察点の平均値をさらに平均して細孔の平均深さを求めた。
(成形体の突起の平均間隔および高さ)
成形体(フィルム)の表面および縦断面に白金を10分間蒸着し、電解放出型走査電子顕微鏡(日本電子株式会社製、「JSM−7400F」)を用いて、加速電圧3.00kVの条件で成形体の表面および断面を観察した。成形体の表面を1万倍に拡大して観察し、一直線上に並んだ6個の突起(凸部)の中心間距離を平均して突起の平均間隔(ピッチ)を求めた。また、成形体の断面を5万倍で観察し、10本の突起の高さを平均して突起の平均高さを求めた。
(成形体の外観評価)
成形体(フィルム)の外観を目視で観察し、下記の基準にて評価した。
○:モールドの結晶粒界の段差が転写されることで生じるマクロな凹凸を目視で確認できない。
×:モールドの結晶粒界の段差が転写されることで生じるマクロな凹凸を目視で確認できる。
(実施例1)
電流密度の測定:
純度99.99質量%、厚さ0.3mmのアルミニウム板を30mm×90mmの大きさに切断し、過塩素酸/エタノール混液(体積比=1/4)中で電解研磨し、これをアルミニウム基材として用いた。
第1の酸である0.3Mシュウ酸水溶液に、第2の酸であるリン酸を添加し、リン酸濃度が0.05Mとなるよう調整した混合水溶液4.6Lを電解液とし、径8cm、高さ2cmの半月状撹拌翼にて350rpmで撹拌しながら電解液の初期温度を15℃に温度調整した。アルミニウム基材を電解液に浸漬し、印加電圧80Vで30分間陽極酸化した。陽極酸化工程における電流密度の極大値を表1に示す。
(実施例2〜17、比較例1〜7)
表1のように、電解液組成、印加電圧、電解液初期温度を変更した以外は、実施例1と同様に陽極酸化した。陽極酸化工程における電流密度の極大値を表1に示す。なお、比較例5〜7では熱暴走が発生したため、電流密度が120mA/cmを超えた段階で陽極酸化処理を中断した。
Figure 0006092775
表1から明らかなように、シュウ酸のみを電解液として用いて陽極酸化した場合と比較して、シュウ酸とリン酸との混合水溶液を電解液として用いて陽極酸化した場合は、電流密度が大きく低下した。
(実施例18)
工程(a):
実施例1と同じアルミニウム基材を用意した。
0.3Mシュウ酸水溶液にリン酸を添加し、リン酸濃度が0.05Mとなるよう調整した混合水溶液4.6Lを電解液とし、径8cm、高さ2cmの半月状撹拌翼にて350rpmで撹拌しながら電解液の初期温度を15℃に温度調整した。アルミニウム基材を電解液に浸漬し、印加電圧80Vで30分間陽極酸化した。工程(a)の陽極酸化条件、得られた酸化皮膜の厚さ、細孔の平均間隔、厚さムラの評価結果を表2に示す。
工程(b):
酸化皮膜が形成されたアルミニウム基材を、6質量%のリン酸と1.8質量%クロム酸を混合した70℃の水溶液中に3時間浸漬して酸化皮膜を溶解除去し、陽極酸化の細孔発生点となる窪みを露出させた。アルミニウム基材上に形成された窪みの径のばらつきを表2に示す。
工程(c):
細孔発生点を露出させたアルミニウム基材を、15℃に調整した0.3Mシュウ酸と0.1Mリン酸の混合水溶液に浸漬し、80Vで7秒間陽極酸化して、酸化皮膜をアルミニウム基材の表面に再び形成した。
工程(d):
酸化皮膜が形成されたアルミニウム基材を、32℃に調整した5質量%リン酸水溶液中に19分間浸漬して、酸化皮膜の細孔を拡大する孔径拡大処理を施した。
工程(e):
前記工程(c)と前記工程(e)をさらに交互に4回繰り返し、最後に工程(d)を行った。すなわち、工程(c)を合計で5回行い、工程(d)を合計で5回行った。
その後、脱イオン水で洗浄した後、表面の水分をエアーブローで除去し、平均間隔180nm、平均深さ約230nmの略円錐形状の細孔を有する酸化皮膜が形成されたモールドを得た。
このようにして得られたモールドを、TDP−8(日光ケミカルズ社製)を0.1質量%に希釈した水溶液に10分間浸漬して、一晩風乾することによって離型処理した。
成形体の製造:
離型処理したモールドと、透明基材であるアクリルフィルム(三菱レイヨン株式会社製、「アクリプレン HBS010」)との間に、下記の組成の活性エネルギー線硬化性樹脂組成物を充填して、高圧水銀ランプで積算光量1000mJ/cmの紫外線を照射することによって、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物を硬化させた。その後、モールドを剥離し、透明基材と硬化組成物の硬化物からなる成形体(フィルム)を得た。
このようにして製造した成形体の表面には微細凹凸構造が形成されており、突起の平均間隔(ピッチ)は180nm、突起の平均高さは約220nmであった。
活性エネルギー線硬化性樹脂組成物:
トリメチロールエタン・アクリル酸・無水コハク酸縮合エステル:45質量部、
1,6−ヘキサンジオールジアクリレート:45質量部、
信越化学工業社製x−22−1602(商品名):10質量部、
BASF社製イルガキュア184(商品名):2.7質量部、
BASF社製イルガキュア819(商品名):0.18質量部。
(実施例19〜33、比較例8〜10)
工程(a)を表2に記載の条件とし、それぞれ工程(c)の電圧、電解液組成、電解液初期温度を工程(a)と同じとした以外は、実施例18と同様の方法で陽極酸化を行った。工程(a)の陽極酸化条件、電流密度の極大値、得られた酸化皮膜の厚さ、細孔の平均間隔、厚さムラ、アルミニウム基材上に形成された窪みの径のばらつきを表2に示す。
Figure 0006092775
混合水溶液を電解液として用いた場合には電流密度の極大値が低下しているため、表2から明らかなように、陽極酸化の時間が30分と長くても酸化皮膜の厚さが10μmを超えることはない。また、シュウ酸の濃度を濃くすると酸化皮膜の形成速度は増すが、リン酸添加によって常温での陽極酸化が可能で、陽極酸化の時間を調整することによって酸化皮膜の厚さを好適な範囲内に容易に調整しうる。
体積モル濃度比率xと印加電圧Vとが、式(2)を満たす実施例18〜23、実施例25、実施例27、実施例29、30、32、33においては、酸化厚みの皮膜ムラ、窪みの径のばらつきの双方が抑制された。
このように、実施例に記載の方法では特殊な設備を使用しなくても電流密度の値を抑制可能であり、簡便かつ経済的に微細凹凸構造を表面に有するモールドを製造可能である。また、得られたモールドは、マクロな凹凸が目立たないため、転写により外観品位に優れた成形体を得ることができる。
本発明のモールドの製造方法によって得られたモールドは、反射防止物品、防曇性物品、防汚性物品、撥水性物品の効率的な量産にとって有用である。また、本発明の微細凹凸構造を表面に有する成形体の製造方法で得られた成形体は、反射防止物品、防曇性物品、防汚性物品、撥水性物品として好適である。
10 アルミニウム基材
12 細孔
14 酸化皮膜
16 窪み
18 モールド
20 ロール状モールド
40 成形体
42 フィルム
46 突起

Claims (11)

  1. アルミニウム基材の表面に、複数の細孔を有する酸化皮膜が形成されたモールドを製造する方法であって、
    工程(a):2種類以上の酸を混合した電解液にてアルミニウム基材を60V以上120V以下の電圧で陽極酸化し、前記アルミニウム基材の表面に複数の細孔を有する酸化皮膜を形成する工程と、
    工程(b):前記工程(a)で形成された前記酸化皮膜の少なくとも一部を除去する工程と
    工程(c):前記工程(b)または下記工程(d)の後、アルミニウム基材を陽極酸化して、複数の細孔を有する酸化皮膜を形成する工程と、
    工程(d):前記工程(c)の後、酸化皮膜の一部を除去し、細孔の孔径を拡大する工程と、
    工程(e):前記工程(c)と前記工程(d)とを交互に繰り返す工程と
    を有し、
    前記工程(a)で用いる前記2種類以上の酸を混合した電解液として、下記の条件(α)を満足し、かつ下記酸Aが、シュウ酸であり、下記酸A以外の他の酸が、リン酸であり、シュウ酸の濃度が、0.3〜1.5Mであり、リン酸の濃度が、シュウ酸に対するリン酸のモル比率が10%以上150%以下となる濃度であるものを用いる、モールドの製造方法。
    (条件(α))
    前記2種類以上の酸のうち酸解離定数Kaが最も高い酸Aのみの電解液にてアルミニウム基材を前記工程(a)と同じ条件で陽極酸化した場合の電流密度をD1とし、
    前記工程(a)と同じ電解液にてアルミニウム基材を前記工程(a)と同じ条件で陽極酸化した場合の電流密度をD2としたとき、
    前記D1および前記D2が下記式(1)を満足する。
    (D1)/2>D2 ・・・(1)
  2. 前記工程(a)において、前記アルミニウム基材を70V超120V未満の電圧で陽極酸化し、
    前記工程(a)で用いる前記2種類以上の酸を混合した電解液として、下記の条件(β)をさらに満足するものを用いる、請求項1に記載のモールドの製造方法。
    (条件(β))
    前記酸Aの体積モル濃度に対する、前記酸A以外の他の酸の体積モル濃度の比(x=他の酸/酸A×100)が、下記式(2)を満足する。
    0.85V−60<x<140 ・・・(2)
    式中、Vは工程(a)における陽極酸化時の印加電圧である。
  3. 前記工程(a)において、前記アルミニウム基材を75V以上110V以下の電圧で陽極酸化する、請求項2に記載のモールドの製造方法。
  4. 前記工程(a)における前記2種類以上の酸を混合した電解液の初期温度が、6℃以上である、請求項1に記載のモールドの製造方法。
  5. 前記工程(a)で用いる前記2種類以上の酸を混合した電解液が、シュウ酸とリン酸との混合液からなる、請求項1に記載のモールドの製造方法。
  6. 前記工程(c)において、2種類以上の酸を混合した電解液にてアルミニウム基材を60V以上120V以下の電圧で陽極酸化し、
    前記工程(c)で用いる前記2種類以上の酸を混合した電解液として、下記の条件(α’)を満足し、かつ下記酸A’が、シュウ酸であり、下記酸A’以外の他の酸が、リン酸であり、シュウ酸の濃度が、0.3〜1.5Mであり、リン酸の濃度が、シュウ酸に対するリン酸のモル比率が10%以上150%以下となる濃度であるものを用いる、請求項に記載のモールドの製造方法。
    (条件(α’))
    前記2種類以上の酸のうち酸解離定数Kaが最も高い酸A’のみの電解液にてアルミニウム基材を前記工程(c)と同じ条件で陽極酸化した場合の電流密度をD1’とし、
    前記工程(c)と同じ電解液にてアルミニウム基材を前記工程(c)と同じ条件で陽極酸化した場合の電流密度をD2’としたとき、
    前記D1’および前記D2’が下記式(1’)を満足する。
    (D1’)/2>D2’ ・・・(1’)
  7. 前記工程(c)において、前記アルミニウム基材を70V超120V未満の電圧で陽極酸化し、
    前記工程(c)で用いる前記2種類以上の酸を混合した電解液として、下記の条件(β’)をさらに満足するものを用いる、請求項に記載のモールドの製造方法。
    (条件(β’))
    前記酸A’の体積モル濃度に対する、前記酸A’以外の他の酸の体積モル濃度の比(x’=他の酸/酸A’×100)が、下記式(2’)を満足する。
    0.85V’−60<x’<140 ・・・(2’)
    式中、V’は工程(c)における陽極酸化時の印加電圧である。
  8. 前記工程(c)において、前記アルミニウム基材を75V以上110V以下の電圧で陽極酸化する、請求項に記載のモールドの製造方法。
  9. 前記工程(c)における前記2種類以上の酸を混合した電解液の初期温度が、6℃以上である、請求項に記載のモールドの製造方法。
  10. 請求項1〜のいずれか一項に記載のモールドの製造方法で得られたモールドの表面に形成された複数の細孔からなる微細凹凸構造を、成形体本体の表面に転写する、微細凹凸構造を表面に有する成形体の製造方法。
  11. 請求項10に記載の方法で製造された微細凹凸構造を表面に有する成形体が用いられた画像表示装置。
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