JP6198339B2 - 微細構造体の成形金型及び成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、下金型に設けた微細構造に溶融樹脂を塗布した後、これを上金型と下金型により押圧・冷却して転写成形された微細構造体を成形する成形金型及び成形方法に係り、特に面積が大きく高アスペクト比を有する微細構造体の成形に好適に使用される成形金型及び成形方法に関する。

熱可塑性樹脂からなる微細構造体が電子デバイス、光デバイス、バイオデバイス等に広く使用されるようになり、より微細で、かつ面積の大きい微細構造体や高アスペクト比を有する微細構造体が求められている。このような微細構造体は、下金型に設けた微細構造に溶融樹脂を塗布した後、これを上金型と下金型により押圧・冷却して転写成形する方法により好適に成形することができる。そして、この方法を使用することにより、微細で、かつ面積の大きい微細構造体や高アスペクト比を有する微細構造体を成形する方法が提案されている。

例えば、特許文献１に、下金型に設けた微細構造に溶融樹脂を塗布し、これを下金型と凹部が鏡面になった上金型とにより押圧・冷却して微細構造体を転写成形する製造方法であって、ガラス転移温度近辺の金型の冷却において、上金型を下金型よりも5℃以上高く維持して冷却する製造方法が提案されている。上金型の鏡面部分は、Raが2.0μm以下が好ましいとされ、この製造方法によれば、転写成形体を微細構造部分に対して垂直方向に離型することができるので、微細構造を良好に維持しながら、金型から迅速に、容易に、かつ確実に離型することができるとされる。

特許文献２に、二つ以上の部分を組み合せることにより構成される金型を用いて樹脂成形体を製造する方法において、少なくとも一つの金型部分の樹脂接触面の一部または全体にあらかじめ樹脂との付着性を高める処理を行い、当該処理を行った金型面に樹脂成形体を付着させたまま金型を開放することで、当該処理を行っていない金型面から前記樹脂成形体を選択的に離型する工程を含む樹脂成形体の製造方法が提案されている。付着性を高める処理とは、放電照射処理、光オゾン法処理などとされる。

特許文献３に、所定温度に加熱溶融した樹脂を所定温度の下金型に塗布し、下金型と上金型により所定の押圧力で保持した後、所定の温度まで冷却して成形された成形品を金型から取り出す成形方法であって、上金型又は下金型の何れかに微細構造部分が設けられ、他の下金型又は上金型に、成形品を金型より取り出す時に成形品を保持する加工がされた金型を用いる成形品の成形方法が提案されている。成形品を保持する加工とは、シボ加工や凹加工であるとされ、この成形方法によると、アスペクト比が0.5以上20.0以下であり、その長さが50μm以上1000μm以下の微細構造体を成形することができるとされる。

特開2007-181961号公報 特開2007-283714号公報 特開2013-28150号公報

転写成形された微細で高アスペクト比の微細構造を有する微細構造体は、離型時に損傷されやすく、離型も容易ではない。また、微細構造を設けた高価なスタンパ又は金型も損傷されやすい。このため、スタンパ又は金型の微細構造に対して転写成形された微細構造体を垂直方向に剥離することが求められ、その微細構造体は微細構造が設けられていない金型（上金型）に付着させて、微細構造部分を設けたスタンパ又は金型（下金型）からそれらに対して垂直方向に剥離することが求められる。特許文献１に提案する製造方法は、樹脂の粘着力の温度依存性を利用して転写成形体を上金型に付着させる方法であるため、使用可能な樹脂に制限がある。特許文献２又は３に提案する製造方法は、収縮率の大きな樹脂に対して上記目的を達成することが容易ではないという問題がある。そして、特許文献１〜３に提案する製造方法においては、収縮率の大きな樹脂の場合は、転写成形された微細構造に変形やヒケが発生するおそれがあり、要求される高精度の微細構造体を製造するのが容易でないという問題がある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、下金型に設けた微細構造に溶融樹脂を塗布した後、これを上金型と下金型により押圧・冷却して微細構造体を転写成形する成形金型及び成形方法であって、面積が大きく高アスペクト比を有する微細構造体の成形に好適に使用される成形金型及び成形方法を提供することを目的とする。

本発明に係る成形金型は、微細構造を有するスタンパが設けられた下金型と、その下金型に対向する上金型とにより、前記スタンパ上に塗布された溶融樹脂を押圧・冷却し、前記微細構造が転写成形された微細構造体を成形する成形金型であって、前記上金型は、前記微細構造体の外縁を囲むように溝が設けられてなる。

上記発明において、溝は、微細構造体の微細構造部分から5mm以上離れた位置に設けることができる。また、溝と微細構造体との境界を形成する上金型の土手部は、その溝の外縁を形成する前記上金型の外枠部の高さ以下にすることができる。

本発明に係る成形方法は、微細構造を有するスタンパが設けられた下金型と、その下金型に対向する上金型とにより、前記スタンパ上に塗布された溶融樹脂を押圧・冷却し、前記微細構造が転写成形された微細構造体を成形する成形方法であって、前記微細構造体がその外縁を画定する薄肉の切込部を介して枠体に保持され、額縁付き形態に成形されるように行われる。

また、本発明に係る成形方法は、微細構造を有するスタンパが設けられた下金型と、その下金型に対向する上金型とにより、Tダイから供給されて前記スタンパ上に塗布された溶融樹脂を押圧・冷却し、前記微細構造が転写成形された微細構造体を成形する成形方法であって、先ず、Tダイから溶融樹脂を前記スタンパ上に供給しつつ、前記Tダイを前記スタンパに対して相対移動させて前記スタンパ上に溶融樹脂を塗布し、次に、前記スタンパ上の溶融樹脂を押圧・冷却することにより、前記微細構造体がその外縁を画定する薄肉の切込部を介して枠体に保持され、額縁付き形態に成形されるように行われる。

そして、上記成形方法において、さらに、枠体の外縁を画定する薄肉の切込部を介して凸条部が形成されるように行われるのがよい。

上記成形方法により、取り扱いが容易な微細構造体を成形することができる。すなわち、微細構造を有するスタンパが設けられた下金型と、その下金型に対向する上金型とにより、前記スタンパ上に塗布された溶融樹脂を押圧・冷却し、前記微細構造が転写成形された微細構造体であって、前記微細構造体がその外縁を画定する薄肉の切込部を介して枠体に保持され、額縁付き形態に成形された微細構造体を成形することができる。

本発明によれば、面積が大きく高アスペクト比を有する微細構造体を成形することができ、精度、耐久性に優れた微細構造を有するスタンパ又は金型を提供することができる。

本発明に係る成形金型の説明図である。 本発明の異なる実施形態の成形金型を示す説明図である 本発明に係る成形金型による微細構造体の成形方法の説明図である。 実施例に記載する成形試験に使用したスタンパの形状を示す図面である。 実施例に記載する成形試験の結果を示す図面である。

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。本発明に係る成形金型は、図１に示すように、微細構造16を有するスタンパ15が設けられた下金型10と、その下金型10に対向する上金型20とにより、スタンパ15の上に塗布された溶融樹脂を押圧・冷却し、微細構造16が転写成形された微細構造体31を成形する成形金型である。そして、上金型20は、微細構造体31の外縁を囲むように溝23が設けられている成形金型である。すなわち、本発明に係る成形金型は、微細構造体31の外縁を囲むように上金型20に溝23が設けられているのが特徴である。なお、スタンパとは、いわゆる原盤を型取って作製するので原盤の逆凹凸を有する反転形のものであり、広義に解されるものを意味する。

本発明において、上金型20の溝23と転写成形される微細構造体31との形態的な関係は種々ある。例えば、図１に示すように、微細構造体31が、上金型20に設けられた空間部分で主として形成されるようになっているものであってもよく、図２に示すように、下金型10に設けられた空間部分で主として形成されるようになっているものであってもよい。図１に示す形態のものは、溶融樹脂の塗布が容易であり、転写成形に伴うバリ発生問題がないという利点がある。図２の形態のものは、スタンパと下金型との境界部分でバリ発生のおそれがあるので、例えばスタンパ15が下金型10と一体に成形され、微細構造16が下金型10に一体に成形されたものとするなどの対策が必要である。

本発明に係る成形金型によれば、図１又は図２に示す転写成形体30が成形される。この転写成形体30は、図１（ｂ）に示すように、微細構造体31が残膜状の薄肉の切込部35を介して枠体33に保持された形態をしている。すなわち、外縁が切込部35に画定された微細構造体31が額縁付き形態に保持され、微細構造体31は額に納まったような形態をしている。かかる形態により微細構造体31は、その損傷や変形を防ぐことができる。また、枠体33が強度部材になっているので、微細構造体31の微細構造16が転写成形された微細構造部分は、微細構造体31の外縁に近い部分、例えば、微細構造体31の端面から5〜6mmの位置に配設することができる

この転写成形体30は、さらに、枠体33の外縁を画定する薄肉の切込部36を介して凸条部37及び凸条部38に保持された形態のものとすることができる。凸条部37は、溶融樹脂の塗布開始辺側に形成される。凸条部38は、溶融樹脂の塗布方向に対し左右側辺側と、溶融樹脂の塗布終了辺側に形成される。以下に説明するように、通常は凸条部37が凸条部38より大きい。

枠体33は、スタンパ15に塗布された溶融樹脂を押圧して転写成形するときに、上金型20の溝23に溶融樹脂が流入することにより形成される。溝23の形状は、転写成形される樹脂の種類、特性、転写成形体のサイズ等により最適な形状が選択されるが、例えば厚さが1mmの低密度ポリエチレン（LDPE）樹脂からなる転写成形体の成形においては、幅1.0mm×深さ1.5mmとすることができる。溝23は、微細構造体31の周囲に設けるのがよい。しかしながら、凸条部37と塗布終了側の凸条部37との二辺に設けたものとすることができる。

本発明に係る成形金型による微細構造体の成形は、図３に示すように行われる。すなわち、先ず、溶融樹脂が微細構造16を有するスタンパ15上に塗布される（図３（ａ））。溶融樹脂の塗布はＴダイ40を利用するのがよい。これにより、溶融樹脂の塗布量及び塗布厚さを調整するのが容易になる。溶融樹脂の塗布は、Tダイ40から溶融樹脂をスタンパ15上に供給しつつ、Tダイ40をスタンパ15に対して相対移動させることにより行われるが、Tダイ40の相対移動を行わないで溶融樹脂をスタンパ15上に供給する塗布開始時処理を行うのがよい。この塗布開始時処理を行うと、塗布開始端に樹脂溜り39が形成される。

次に、溝23を設けた上金型20を下降させて溶融樹脂を所定の押圧力で押圧する（図３（ｂ））。溶融樹脂は、上金型20の下降に伴って流動拡散し、溝23に流入するとともに上金型20の外縁にまで至る。スタンパ15に塗布する溶融樹脂は、微細構造体31を形成する微細構造16の周囲を満たすとともに溝23を満たす容量以上の容量が供給される。

上金型に設けた溝23は、その内縁が図１又は図２に示す土手部22で画定され、外縁が外枠部24で画定されている。上金型20を下降させて溶融樹脂を押圧し、溶融樹脂の流動拡散を生じさせる場合、土手部22の高さが外枠部24の高さ以下になっているならば、溶融樹脂の溝23への流入が促進され、枠体33の成形が促進される。この枠体33の成形をもって高精度の転写成形が行われる。

塗布された溶融樹脂は、所定の押圧力が保持されて転写成形が行われる（図３（ｃ））。押圧力は、1〜10MPaとされ、適切な押圧力が選択される。所定の押圧力が所定時間保持されて転写成形された転写成形体30は、上記塗布開始端に形成された樹脂溜り39が溶融樹脂の押圧により流動拡散する樹脂と一体になって塗布開始辺側に形成された凸条部37を有する。また、転写成形体30は、溶融樹脂の塗布方向に対し左右側辺側と、溶融樹脂の塗布終了辺側に形成された凸条部38を有する。凸条部37は、凸条部38よりも大きくなっている。これらの溝23に充填され枠体33を形成した溶融樹脂、凸条部37及び凸条部38を形成した溶融樹脂は、微細構造体31を形成する溶融樹脂が微細構造16から外方へ流動するのを阻止する作用を発揮するので均質で精度の高い転写成形が行われる。

転写成形された転写成形体30は、上金型10及びスタンパ15により冷却され、その形状が固定される。所定温度にまで冷却された後、上金型20を上昇させることにより転写成形体30はスタンパ15から剥離される（図３（ｄ））。転写成形体30は、枠体33、凸条部37及び凸条部38により上金型20に確実に保持されているので、スタンパ15に対して転写成形体30を垂直方向に剥離することは容易である。これにより、スタンパ15の微細構造16、微細構造体31の転写成形された微細構造部分の損傷を防止することができる。また、転写成形体30は、冷却により収縮しようとするが、その収縮が枠体33により阻止され微細構造体31の収縮が阻止される。このため、微細構造体31の変形・歪みの発生を防止することができる。

転写成形体30は、スタンパ15から剥離された後、上金型20から剥離される。微細構造体31は枠体33及び凸条部37と凸条部38に保護された形態であるので、転写成形体30は安全、かつ迅速に上金型20から剥離することができる。転写成形体30のスタンパからの剥離、上金型からの剥離により、転写成形体30の離型が完了する。

本発明においては、転写成形体30のスタンパ15又は上金型20からの剥離は、転写成形される転写成形体30の形態的な特徴を利用している。このため、転写成形体30の剥離温度や上金型に施す特殊加工（上金型に設ける凹部やシボ加工、放電照射処理）を考慮する必要がない。従って、本発明は、従来方法以上の高い生産サイクルで微細構造体を成形することが可能である。また、本発明は、その使用において微細構造体の形状的な制限を受けることもない。

上記転写成形体30の成形において、転写成形体30は、材質的な均質性を確保する観点から凸条部37及び凸条部38を有するものがよい。しかしながら、転写成形体30は、凸条部37及び凸条部38を有しないものであってもよい。転写成形体30は、切込部35、切込部36の厚さが30〜500μmであるので、これらを切断することにより、製品としての微細構造体31を得ることができる。なお、微細構造体31が枠体33に保持された形態にすることにより、搬送、保管の便宜を図ることができる。

以上、本発明について説明した。本発明は、使用される樹脂の種類、グレード等の制限を受けず、市場に流通する熱可塑性樹脂に広く適用することができる。例えば、成形収縮率が大きくかつ金型やスタンパ表面から剥離しやすいポリメチルペンテン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂などのポリオレフイン系樹脂、フッ化ビニリデン、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン重合体などのフッ素系樹脂に好適に使用することができる。

特に、ポリメチルペンテン樹脂においては、上記本発明の利点が発揮される。すなわち、上下の金型温度を調整して転写成形体の剥離を行うような従来の方法においては、付着力を高めるために剥離時の上金型の温度を下金型の温度よりも高くすると、転写成形体は上金型に付着して下金型から剥離されるが、当該温度では樹脂の剛性が不足して剥離時に転写した微細構造が変形する場合が多々ある。逆に、微細構造の変形を防ぐために上金型の温度を低くし下金型との温度差を小さくすると、上金型への十分な付着力が得られず転写成形体の下金型からの剥離が困難な場合がある。このためポリメチルペンテン樹脂においては、上下の金型温度の調整が難しく、転写成形体を金型から剥離することと転写された微細構造の変形を防止することを両立させるのが容易ではなかった。これに対し、本発明においては、上述のように形成された枠体は、温度が低くなって転写成形体の収縮量が増大するとより強固に上型に抱きつく。このため、転写成形体はより安定して上金型に付着するとともに、温度を低くすることにより樹脂の剛性が増大するので、剥離時の微細構造の変形や歪みが生じ難くなる。本発明は、転写成形体の安定した上金型への付着とその微細構造の変形防止とを容易に両立させることができる。また、本発明は、上及び下金型の温度調整を容易に行うことができる。

図４に示すスタンパを使用してLDPE樹脂からなる微細構造体の成形試験を行った。スタンパは、横100mm×縦70mmの四辺形内に、高さ0.7mm×根元直径0.3mmの5本の円錐突起状の微細構造を有する。一点鎖線で示すものは、上金型に設けた溝の位置を示す。溝は、幅1.0mm×深さ1.5mmである。220℃に溶融したLDPE樹脂を140℃に加熱したスタンパに塗布した。そして、溶融樹脂を塗布した後、これを2MPaの押圧力で60sの間押圧しながら、金型の温度を40℃まで冷却した後に金型を開いた。

転写成形された微細構造部分を図５に示す。図５に示すように鋭い先端部を有する円錐形状が正確に転写成形されており、その先端部に変形等の不具合は見られない。本発明によれば、スタンパの微細構造を高精度に転写成形した微細構造体を成形できることが分かる。

10 下金型
15 スタンパ
16 微細構造
20 上金型
22 土手部
23 溝
24 外枠部
30 転写成形体
31 微細構造体
33 枠体
35 切込部
36 切込部
37 凸条部
38 凸条部
39 樹脂溜り
40 Tダイ

Claims (7)

1. 微細構造を有するスタンパが設けられた下金型と、その下金型に対向する上金型とにより、前記スタンパ上に塗布された溶融樹脂を押圧・冷却し、前記微細構造が転写成形された微細構造体を成形する成形金型であって、
   前記上金型は、前記微細構造体の外縁を囲むように溝が設けられている微細構造体の成形金型。
2. 溝は、微細構造体の微細構造部分から5mm以上離れた位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の微細構造体の成形金型。
3. 溝と微細構造体との境界を形成する上金型の土手部は、その溝の外縁を形成する前記上金型の外枠部の高さ以下になっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の微細構造体の成形金型。
4. 微細構造を有するスタンパが設けられた下金型と、その下金型に対向する上金型とにより、前記スタンパ上に塗布された溶融樹脂を押圧・冷却し、前記微細構造が転写成形された微細構造体を成形する成形方法であって、
   前記微細構造体がその外縁を画定する薄肉の切込部を介して枠体に保持され、額縁付き形態に成形される微細構造体の成形方法。
5. 微細構造を有するスタンパが設けられた下金型と、その下金型に対向する上金型とにより、Tダイから供給されて前記スタンパ上に塗布された溶融樹脂を押圧・冷却し、前記微細構造が転写成形された微細構造体を成形する成形方法であって、
   先ず、Tダイから溶融樹脂を前記スタンパ上に供給しつつ、前記Tダイを前記スタンパに対して相対移動させて前記スタンパ上に溶融樹脂を塗布し、
   次に、前記スタンパ上の溶融樹脂を押圧・冷却することにより、前記微細構造体がその外縁を画定する薄肉の切込部を介して枠体に保持され、額縁付き形態に成形される微細構造体の成形方法。
6. さらに、枠体の外縁を画定する薄肉の切込部を介して凸条部が形成されるように行われる請求項５に記載の微細構造体の成形方法。
7. 微細構造を有するスタンパが設けられた下金型と、その下金型に対向する上金型とにより、前記スタンパ上に塗布された溶融樹脂を押圧・冷却し、前記微細構造が転写成形された微細構造体であって、
   前記微細構造体がその外縁を画定する残膜状の厚さが30〜500μmの薄肉の切込部を介して枠体に保持され、額縁付き形態に成形された微細構造体。

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