JP6100651B2

JP6100651B2 - 樹脂製モールドおよび樹脂製モールドをインプリントして得られる光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP6100651B2
Application number: JP2013178995A
Authority: JP
Inventors: 幸大宮澤; 三澤　毅秀; 毅秀三澤
Original assignee: Soken Chemical and Engineering Co Ltd
Current assignee: Soken Chemical and Engineering Co Ltd
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: JP2014080017A; US20140093692A1

Description

本発明は、樹脂製モールドに関し、さらに詳しくは本発明は、大面積モールドを作製するのに好適な樹脂製モールドおよび樹脂製モールドをインプリントして得られる光学素子の製造方法に関する。

インプリント技術とは、所望とする微細な凹凸パターンの反転パターンを有するモールドを、基板上の液状樹脂等の転写材料へ押し付け、これによりモールドのパターンを転写材料に形成する微細加工技術である。微細な凹凸パターンとしては、１０ｎｍレベルのナノスケールのものから１００μｍ程度のものまで存在し、半導体材料、光学材料、記憶メディア、マイクロマシン、バイオテクノロジー分野、環境分野等、様々な分野で用いられている。

ところで、ナノオーダーの微細な凹凸パターンを表面に有するモールドは、パターンの形成に時間がかかるため非常に高価である。そのため、ナノオーダーの微細な凹凸パターンを表面に有するモールドの大型化（大面積化）は困難である。

そこで、小さなマスターモールドから大面積モールドを作製する方法として、例えば、小さなマスターモールドから光重合法などで複数枚の小さなレプリカモールドを作製し、そのレプリカモールドをタイル状に並べて多面付けして大面積モールドとすることが知られている（例えば特許文献１）。

このようにして大面積化を達成すれば、例えば、液晶テレビで使用される大型の反射防止フィルムなどを一つのモールドから形成することができる。
すなわち、図８に示したように、小さなマスターモールド２（例えば、３００ｍｍ×３００ｍｍ）から、４個のレプリカモールド４を形成するとともに、これら同形状のレプリカモールド４を、例えば、樹脂、ゴムなどからなる基材６上に並べて配置し、互いに隣接し合うレプリカモールド４間の隙間１０に、例えば光硬化性樹脂を充填し、光照射により隙間１０に硬化層を形成することにより、大面積モールド１８を作製することができる。

しかしながら、このようにして大面積モールド１８を作製する場合には、図９の断面図に拡大して示したように、小さなレプリカモールド４同士の隙間１０に、例えば、光硬化性樹脂を流し込むときに空気の巻き込みが生じ、結果として、接合した部分が後に離反してしまうという問題があった。

また、連結部の隙間１０に充填した樹脂が硬化した後には、その部分が周囲と異なった色目として表れて、美観上あるいは機能上好ましくないという問題があった。

特開２０１２−１１８５２０号公報

本発明は、このような実情に鑑み、接合した部分が離反したり、さらには美観あるいは機能を損ねたりすることがない樹脂製モールドを提供することを目的としている。
また、本発明は、１つの樹脂製モールドから大面積モールドを形成するにあたり、接合した部分が離反したり美観あるいは機能を損ねたりすることがない樹脂製モールドを提供することを目的としている。

さらに本発明は、上記のような樹脂製モールドをインプリントして得られる光学素子の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明に係る樹脂製モールドは、
表面に微細な凹凸パターンが転写して形成された樹脂製モールドの一方の側のモールド構成要素と、他方の側のモールド構成要素と、
前記一方の側のモールド構成要素と前記他方の側のモールド構成要素との間の連結部分とを有し、
前記連結部分は傾斜面で構成されており、前記連結部分の高さは１００ｎｍ〜１００μｍの範囲であり、
前記傾斜面は、前記一方の側のモールド構成要素を含む平面に対して傾斜しており、
前記一方の側のモールド構成要素を含む平面と、前記他方の側のモールド構成要素を含む平面とが、互いに平行であることを特徴とする。

このような構成であれば、隙間に樹脂を充填して一体化させるという構造でないため、空気の巻き込みが生じ難い。
また、大面積モールドを形成する場合であっても、連結するモールドの端部同士を突き合わせてその上に傾斜面を形成するので、空気の巻き込みに起因する剥離が生じ難い。さらに、大面積モールドを形成する場合に、接合樹脂の硬化した部分が目立ってしまうことがない。さらに、大面積モールドを形成するにあたり連結部分を全て傾斜面とすることにより、大型化した場合の全体的な光学特性が損なわれることがない。

また、本発明に係る樹脂製モールドは、前記傾斜面の傾斜角θが、通常は０°＜θ≦８９°、好ましくは０°＜θ≦７５°、さらに好ましくは０°＜θ≦６０°、特に好ましくは０°＜θ≦４５°の範囲とすることが望ましい。
このような傾斜角θを有する傾斜面が形成されていれば、転写材料にインプリントした場合に、微細な凹凸を正確に転写することができ、良好なパターンの転写を行うことが可能であった。

さらに、本発明に係る樹脂製モールドは、前記斜面の傾斜角θが上記のような角度になるように形成することにより製造することができる。
また、本発明に係る樹脂製モールドは、半導体材料、光学材料、記憶メディア、マイクロマシン、バイオテクノロジー分野および環境分野等に使用される光学素子として好適に使用することができる。
特に本発明の光学素子は、反射防止板、光拡散板、接触防止板などとして有用性が高い。

本願発明に係る樹脂製モールドによれば、隙間に樹脂を充填して結合する構造ではないことから、空気の巻き込みに起因した剥離などが生じることがない。また隙間に樹脂を充填する構造ではないことから、美観および機能が損なわれることがない。

さらに、本発明に係る樹脂製モールドによれば、そのモールドを転写用ロールの周面に配置して、液状樹脂等の転写材料にインプリントを行った場合に、転写材料に対するパターンの転写に影響はなく、良好な転写を行うことができる。

また、大面積モールドを形成する場合であっても、連結するモールドの端部同士を突き合わせて配置し、そこに傾斜面を形成していけば、空気の巻き込みが無く、結果として空気の巻き込みに起因する剥離が生じ難い。また、樹脂の硬化した部分が目立ってしまうことがない。

さらに、大型化するにあたり、連結部分を傾斜面とすることにより、表面形状は均一となり、よって全体的な光学特性が損なわれることはない。

図１は、本発明の一実施例に係る樹脂製モールドを模式的に示す概略斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線方向の概略断面図である。図３は、本発明の一実施例に係る樹脂製モールドが、転写ロール体に巻回されてインプリントされる状態を示す斜視図である。図４は、本発明の一実施例に係る樹脂製モールドを並べて、大面積モールドを形成するときの概略断面図である。図５は、本発明の一実施例に係る樹脂製モールドを連結するにあたり、樹脂製モールド間に段差を設けながら並べて大面積モールドを形成するときの概略断面図である。図６は、大面積モールドを転写ロール体に巻回したときの状態を示す概略斜視図である。図７は、本発明の一実施例に係る樹脂製モールドの断面写真であり、図２の断面図に相当する断面写真である。図８は、小さなマスターモールドから複数のレプリカモールドを作製し、さらに、このレプリカモールドから大面積モールドを形成するまでの従来手順の一例を示す概略図である。図９は、図８に示した従来例の小さな樹脂製モールド同士の突き合せ部の拡大断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について具体的に説明する。
図１は本発明の一実施例に係る樹脂製モールド２０を模式的に示す概略斜視図で、図２は図１のＡ−Ａ線方向の概略断面図である。

この樹脂製モールド２０の表面には、所望とする微細な凹凸パターン２１が反転して形成されている。
すなわち、この樹脂製モールド２０には、図２に拡大して示したように、必要により樹脂層２４から剥離される樹脂、ガラス、シリコンなどからなる基板２２上に、微細な凹凸パターン２１を有する樹脂層２４が具備されている。

このような樹脂製モールド２０は、一方の半部を構成するモールド構成要素２０Ａと、他方の半部を構成するモールド構成要素２０Ｂと、これらモールド構成要素２０Ａ，２０Ｂ間を連結する連結部分２０Ｃとから構成されている。

連結部分２０Ｃは、図１に示したように、傾斜面αを有し、傾斜面αの傾斜角θは、通常は８９°以下、好ましくは７５°以下、さらに好ましくは６０°以下、特に好ましくは０°＜θ≦４５°の範囲に設定されている。

傾斜角θが０°を超えていれば連結部分を傾斜に構成することができ、０．５°以上であれば連結部分の傾斜を容易に作製できるということから好ましい。また、傾斜角θが通常は８９°以下、好ましくは７５°以下、さらに好ましくは６０°以下、特に好ましくは４５°以下であれば、転写ロール体の追随性が良好であり、空気の巻き込みが生じないことから好ましく、３０°以下であれば、連結部分の高さｔを低くすることができるので、樹脂製モールドとして使用するときにモールド構成要素２０Ａ、２０Ｂとで均一圧をかけやすくなるので、より好ましい。

一方、傾斜面αを有する連結部分２０Ｃの高さｔは、１００ｎｍ〜１００μｍ、好ましくは１μｍ〜２０μｍの範囲であることが望ましい。図２において、高さｔは、微細な凹凸パターン２１の２倍以上有するように示されているが、高さｔは微細な凹凸パターン２１の高さと同程度であっても良い。

傾斜面αの傾斜角θと連結部分２０Ｃの高さｔが、このような範囲に設定されていれば、転写材料に良好に転写できることが確認されている。すなわち、このような場合には、図３に示したように、転写ロール体２５を使用して、いわゆるロールトゥロール（roll to roll）式で、転写が行われる。このような場合は、先ず、図３に示したように、複数枚の樹脂製モールド２０を、柔軟な樹脂フィルム６０に支持された状態で転写ロール体２５に巻回する。そして、この状態から転写ロール体２５の回転によりフィルム状の転写材料２６上に転写を行うと、樹脂製モールド２０が平坦面である場合と比べて何ら遜色なく、微細な凹凸パターン２１を転写材料２６に良好に転写できるという予想外の効果が確認されている。

ここで必要により樹脂層２４から剥離されて用いられる基板２２としては、樹脂基板、ガラス基板、シリコン基板、サファイア基板、炭素基板およびＧａＮ基板の中から選択される１種が挙げられる。基板２２が樹脂基板であれば、柔軟性を有する樹脂製モールド２０の形成に好ましく、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリイミド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、環状ポリオレフィンおよびポリエチレンナフタレートからなる群から選ばれる１種からなる基板が挙げられる。

一方、上記樹脂層２４を形成する樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂または光硬化性樹脂が挙げられる。具体的には、ポリアクリル系樹脂、ポリメタクリル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリエポキシ系樹脂が挙げられる。

また、樹脂層２４には、上面に配置される離型剤と結合可能な置換基を有すると共に樹脂層２４を形成する樹脂と相溶性を有する置換基とを有し、樹脂層２４の表面に剥離性の基を偏在させることができるとの特性（ブリード性）を有する添加剤を用いることができる。

添加剤としては、たとえば、下記一般式（１）で表わされる化合物またはその加水分解物が挙げられる。
Ｙ_3-n（ＣＨ₃）_nＳｉＡＸ（１）

上記式（１）において、Ｙはメトキシ基またはエトキシ基であり、Ａは単結合、エチレン基またはプロピレン基のいずれかであり、Ｘはエポキシ基、グリシドキシ基、置換基を有していてもよいフェニル基およびアミノ基からなる群から選ばれる１種であり、ｎは０または１である。

ここで、Ｙまたはその加水分解された基は後述の離型剤と結合可能である基であり、また、Ｘは、樹脂製モールドを形成する際に用いられる前記溶媒可溶性樹脂と相溶性を有する基である。

添加剤と樹脂製モールドを形成する樹脂とは、相互の相溶性を向上させるとの観点から、式（１）で表されるＸと同種の置換基を有する構成単位を有することが好ましい。Ｘと同種の置換基を有する構成単位は、樹脂製モールドを形成する樹脂の全構成単位中好ましくは１〜１５重量％、より好ましくは２〜１０重量％含まれる。前記範囲であると、樹脂製モールドを形成する樹脂と添加剤とが分離することがない一方で、添加剤の樹脂製モールドの樹脂層表面へのブリードアウトが生じる。

添加剤は、樹脂製モールドを形成する樹脂および添加剤の合計を１００重量部とすると、１〜１３重量部、好ましくは２〜９重量部の割合で添加する。
上記樹脂層の厚さは、通常５０ｎｍ〜１ｍｍ、好ましくは、５００ｎｍ〜５００μｍである。このような厚さであるとインプリント加工が行い易いからである。

樹脂製モールド２０の表面形状（微細な凹凸パターン２１の表面形状）に特に制限はないが、周期１０ｎｍ〜２ｍｍ、深さ１０ｎｍ〜１００μｍ、転写面積１．０〜１．０×１０⁶ｍｍ²のものが好ましく、周期２０ｎｍ〜２０μｍ、深さ５０ｎｍ〜１μｍ、転写面積１．０〜０．２５×１０⁶ｍｍ²のものがより好ましい。被転写体に充分な凹凸パターンを形成することができるからである。表面形状としては、モスアイ、線、円柱、モノリス、円錐、多角錐、マイクロレンズが挙げられる。

微細な凹凸パターン２１を有する樹脂層２４の表面は、転写体との付着を防止するための剥離処理がされていてもよく、剥離処理は剥離層を形成するものであってもよい。
剥離層（図示せず）を形成する離型剤としては、好ましくはフッ素系シランカップリング剤、アミノ基又はカルボキシル基を有するパーフルオロ化合物およびアミノ基又はカルボキシル基を有するパーフルオロエーテル化合物からなる群から選ばれる少なくとも１種からなる層であることが好ましく、より好ましくは、フッ素系シランカップリング剤、片末端アミン化パーフルオロ（パーフルオロエーテル）化合物ならびに片末端カルボキシル化パーフルオロ（パーフルオロエーテル）化合物の単体または複合体からなる群から選ばれる少なくとも１種の化合物からなる層であることが好適である。

離型剤として上記のものを用いると、上記樹脂層への密着が良好であるとともに、インプリントを行う樹脂との剥離性が良好である。
剥離層（図示せず）の厚さは、好ましくは、０．５〜２０ｎｍ、より好ましくは０．５〜１０ｎｍ、最も好ましくは、０．５〜５ｎｍの範囲内である。

剥離層（図示せず）は、樹脂層表面近傍に偏在する添加剤の離型剤と結合可能な基と離型剤とが化学的に結合することにより、前記樹脂層と接合しているものと考えられる。化学的な結合としては、縮合であると考えられる。

前記添加剤が、前記一般式（１）で表わされる場合、置換基Ｙまたはその加水分解された基が、離型剤の置換基（加水分解を生じた基も含む）と化学的に結合しているものと考えられる。
上記の樹脂製モールド２０は、どのような方法で形成しても良く、特に限定されるものではない。

例えば、一方のモールド構成要素２０Ａと、他方のモールド構成要素２０Ｂとは、公知のインプリント技術により形成することができる。また、傾斜面αを備えた連結部分２０Ｃは、例えば、モールド構成要素２０Ａとモールド構成要素２０Ｂとを別々に形成して樹脂基板２２上に所定間隔離間して載置したのち、そのモールド構成要素２０Ａ、２０Ｂ間の隙間をスピンコート、インクジェットなどにより形成することができる。

上述したように、傾斜面αを有する樹脂製モールド２０であっても、例えば、図３に示したフィルム状の転写材料２６に良好に転写できるのは、以下の理由であると考えられる。

すなわち、図３に示したように、転写ロール体２５の回転によりフィルム状の転写材料２６に転写を行う場合は、樹脂製モールド２０に対して部分的に力が強く作用する。
その結果、樹脂製モールド２０に部分的に力が強く作用しながら転写ロール体２５が回転することにより、傾斜部αが平坦化され転写材料２６に対して良好な転写が行われると考えられる。

転写ロール体２５を使用することにより良好な転写が行われるのであれば、これらの樹脂製モールド２０を多数個並べて大型化（大面積化）した樹脂製モールドであっても良好に転写できる。実際に行った所、良好な転写を行うことができた。すなわち、傾斜面αを備えた樹脂製モールド２０は、大型化したモールドを形成するのに適した基本形状であることが確認された。

このように小形の樹脂製モールド２０から大面積モールドを形成する場合には、例えば図４あるいは図５のように行う。
図４は、複数個の樹脂製モールド２０を、例えば、樹脂フィルム６０の上面に平面的に並べた例を示したものである。

図４の場合は、複数個の樹脂製モールド２０を、樹脂フィルム６０の上で端部同士を突き合わせながら同じ向きに配置し、互いの突き合わせ部１５に、図１に示した連結部分２０Ｃの場合と同様に傾斜面αを有する連結部分３０Ｃを形成する。
なお、図４では、複数個の樹脂製モールド２０が、樹脂フィルム６０の長さ方向に並行して配置されているが、幅方向と組み合わせて配置し、互いの突き合わせ部１５に、図１に示した連結部分２０Ｃの場合と同様に傾斜面αを有する連結部分３０Ｃを形成してもよい。

このようにして、小形の樹脂製モールド２０から大面積モールドを形成することができる。なお、樹脂フィルム６０に対する樹脂製モールド２０の固定の手段は限定されない。
また、連結部分３０Ｃの形成方法は、特に限定されないが、例えば、スピンコートなどで形成することができる。スピンコートなどにより傾斜面αを有する連結部分３０Ｃを形成すれば、空気の巻き込みが生じ難い。また、断面三角形状の連結部分３０Ｃは、両側のモールドの端部間に跨っているので、剥離などが生じることもない。また、樹脂が硬化した部分を上方から視認した場合に、目立ってしまうことがない。

一方、図５のようにして大面積モールドを形成することもできる。
図５の場合は、樹脂製モールド２０、２０間に、高さｄの段差を形成する例である。
この高さｄは、連結部分２０Ｃの傾斜面αの高さｔと同じであることが好ましい（ｔ＝ｄ）。すなわち、小形の樹脂製モールド２０の連結部分２０Ｃと、小型の樹脂製モールド２０を連結していく場合の連結部分３０Ｃの形状は、同じであることが好ましい。このように形成すれば、大面積化する場合であっても、全体の光学特性を均一にすることができる。

そして、図５のようにして大面積化した樹脂製モールドを、例えば、図６に示した転写ロール体４２の周面に巻回し、この状態から図３に示したようにフィルム状の転写材料２６に転写すれば、大面積のモールドを形成することができる。

したがって、図４あるいは図５のようにして大面積化した樹脂製モールドをインプリントすることにより、微細な凹凸パターンが形成された大型の光学素子（反射防止板、光拡散板、接触防止板など）が得られる。また、本発明者は２０ｍｍ角のモールドから最大で長さ８５０ｍｍ、幅６００ｍｍに大面積化した樹脂製モールドを形成することに成功している。

なお、図７は、大面積化した樹脂製モールド２０を走査電子顕微鏡で撮影した断面写真であり、図２の断面図に対応している。この断面写真には、一方の半部を構成するモールド構成要素２０Ａと、他方の半部を構成するモールド構成要素２０Ｂとの間の連結部分２０Ｃに、緩やかな段差が生じており、連結部分２０Ｃの傾斜面αが確認できる。図７に撮影された樹脂製モールド２０の微細な凹凸パターンは深さが５．５μｍであり、周期が７．６μｍである。また、この連結部分２０Ｃの高さｔは、９．５７６７μｍであり、傾斜面を構成する部分の底面部の長さは２９．４１８μｍであるので、傾斜面の傾斜角θは約１８．０°になる。

６基材
１５突き合わせ部
１８大面積モールド
２０樹脂製モールド
２０Ａ一方の側のモールド構成要素
２０Ｂ他方の側のモールド構成要素
２０Ｃ連結部分
２１微細な凹凸パターン
２２基板
２４樹脂層
２５転写ロール体
２６転写材料
３０Ｃ連結部分
３２大面積のモールド
６０樹脂フィルム
θ 傾斜面の傾斜角
ｄ段差の高さ
ｔ傾斜面の高

Claims

表面に微細な凹凸パターンが転写して形成された樹脂製モールドの一方の側のモールド構成要素と、他方の側のモールド構成要素と、
前記一方の側のモールド構成要素と前記他方の側のモールド構成要素との間の連結部分とを有し、
前記連結部分は傾斜面で構成されており、前記連結部分の高さは１００ｎｍ〜１００μｍの範囲であり、
前記傾斜面は、前記一方の側のモールド構成要素を含む平面に対して傾斜しており、
前記一方の側のモールド構成要素を含む平面と、前記他方の側のモールド構成要素を含む平面とが、互いに平行であることを特徴とする樹脂製モールド。
前記傾斜面の傾斜角θが、０°＜θ≦８９°の範囲としたことを特徴とする請求項１に記載の樹脂製モールド。
前記傾斜面の傾斜角θが、０°＜θ≦７５°の範囲としたことを特徴とする請求項１に記載の樹脂製モールド。
前記傾斜面の傾斜角θが、０°＜θ≦６０°の範囲としたことを特徴とする請求項１に記載の樹脂製モールド。
前記傾斜面の傾斜角θが、０°＜θ≦４５°の範囲としたことを特徴とする請求項１に記載の樹脂製モールド。
請求項１乃至５の何れか１項に記載の樹脂製モールドをインプリントして得られることを特徴とする光学素子の製造方法。