KR20020020679A - 표면 형상 프로파일을 보존할 수 있는, 중합체 층(들)으로미세 구조 기재를 코팅하는 방법 - Google Patents

표면 형상 프로파일을 보존할 수 있는, 중합체 층(들)으로미세 구조 기재를 코팅하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세구조 기재 상에 중합체 코팅을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 액상 단량체 도는 기타 예비중합체 조성물을 기화시키고, 기화된 재료를 미세구조 기재에 응축시킨 다음, 경화시킴으로써 수행될 수 있다. 생성된 물품은 내재하는 미세구조 형상 프로파일을 보존하는 코팅을 구비할 수 있다. 그러한 프로파일 보존 중합체 코팅은 구조물의 기능을 유지하면서 미세구조 기재의 표면 성질을 변경하거나 또는 향상시키는 데 사용할 수 있다.

Description

표면 형상 프로파일을 보존할 수 있는, 중합체 층(들)으로 미세구조 기재를 코팅하는 방법{METHOD OF COATING MICROSTRUCTURED SUBSTRATES WITH POLYMERIC LAYER(S), ALLOWING PRESERVATION OF SURFACE FEATURE PROFILE}
중합체 재료로 된 박층을 구비하는 코팅 기재에 대해 다양한 기술이 공지되어 있다. 일반적으로, 공지된 기술은 주로 세 가지 군, 즉 (1) 액상 코팅법, (2) 기상 코팅법 및 (3) 단량체 증기 코팅법으로 나눌 수 있다. 이하에 논의되겠지만, 이러한 방법들 중 일부는 매우 작은 표면 형상 프로파일을 가진 물품을 코팅하는 데 사용되고 있다.
액상 코팅법
일반적으로, 액상 코팅법은 중합체 용액 또는 분산액을 기재에 도포하는 단계를 포함하거나, 또는 액상 반응성 재료를 기재에 도포하는 단계를 포함한다. 중합체 또는 예비중합체 도포 후에 용매를 증발시키고(용액 또는 분산액으로부터 도포된 재료의 경우) 및/또는 경화시켜서 중합체 코팅을 형성시키는 것이 일반적이다. 액상 코팅법은 통상적으로 나이프 코팅, 바 코팅, 슬롯 코팅, 슬라이드 코팅, 다이 코팅, 롤 코팅 또는 그라비야 코팅으로 알려진 기술을 포함한다. 일반적으로, 코팅의 성질은 혼합물 균일도, 부착된 액체 층의 특성 및 그 액체 층을 건조시키거나 또는 경화시키는 데 사용되는 방법에 따른다. 용매를 사용하는 경우, 이것을 혼합물로부터 증발시켜서 고형 코팅을 형성시킬 수 있다. 그러나, 증발 단계는 보통, 용매를 환경적으로 건전한 방식으로 폐기하는 것을 확실히 하기 위한 처리 시간과 상당한 에너지를 요한다. 증발 단계 중에 점도, 표면 장력, 조성 균일도 및 확산 계수를 비롯한 국소 요인는 최종 중합체 코팅의 특성에 영향을 미칠 수 있다.
액상 코팅 기술은 작은 표면 형상 프로파일을 가진 기재에 재료를 코팅하는 데 사용할 수 있다. 예를 들면, 미국 특허 제5,812,317호는 예비중합체 성분의 용액과 실란 커플링제를 부분 매립된 미소구의 돌출부에 도포하는 방법을 개시하였다. 그리고, 미국 특허 제4,648,932호는 액상 수지를 부분 매립된 미소구로 압출하는 방법을 개시하였다. 다른 예로서, 미국 특허 제5,674,592호는 용매로부터 옥타데실 메르캅탄과 부분 불화 메르캅탄(즉, C8F17(CH2)11SH)의 자가 조립 단층 코팅을 작은 표면 형상 프로파일을 가진 표면에 형성하는 방법을 개시하였다.
기상 코팅법
일반적으로, 기상 코팅 기술로는 물리 증착(PVD), 화학 증착(CVD) 및 플라스마 부착으로 알려진 방법이 있다. 통상적으로, 이들 기술은 기재 표면 상에서 응축하거나, 또는 기재 표면과 반응하는 기상 코팅 재료를 생성하는 단계를 수반한다. 이 방법은 롤 형태의 필름, 포일 및 종이를 코팅하는 데 적절할 뿐만 아니라, 입체형 물체를 코팅하는 데에도 적절하다. 다양한 기상 부착법은 문헌["Thin Films: Film Formation Techniques,"Encyclopedia of Chemical Technology, 제4판, 제23권(뉴욕, 1997), pp. 1040-76]에 기재되어 있다.
PVD는 코팅 재료를 증발, 승화 또는 플라즈마로부터의 에너지화 이온으로의 충격(스퍼터링)에 의해 기화시키는 진공 방법이다. 기화된 재료는 응축되어 기재 상에 고형 필름을 형성시킨다. 그러나, 일반적으로 부착되는 재료는 본질상 금속 또는 세라믹이다(전술한 바와 같은Encyclopedia of Chemical Technology참조). 미국 특허 제5,342,477호는 작은 표면 형상 프로파일을 가진 기재 상에 금속을 부착시키기 위해 PVD법을 사용하는 것을 개시하였다. 또한, 미국 특허 제5,879,828호에 개시된 바와 같이, PVD법은 작은 표면 형상을 가진 기재 상에 페릴렌 염료 분자와 같은 유기 재료를 승화시키고 부착시키는 데 사용되고 있다.
CVD법은 표면 상에 고형 금속 및/또는 세라믹 코팅을 형성시키기 위해 2종 이상의 기상 화학종(전구체)을 반응시키는 단계를 수반한다(전술한Encyclopedia of Chemical Technology참조). 고온 CVD법에서, 반응은 300℃ 내지 1000℃ 또는 그 이상으로 가열될 수 있는 표면 상에서 일어나므로, 기재는 비교적 고온에 견딜 수 있는 재료로 국한된다. 플라즈마 증강 CVD법에서, 반응은 플라즈마에 의해 활성화되므로, 기재 온도는 상당히 더 저온으로 될 수 있다. CVD 가공은 구조 표면 상에 무기 코팅을 형성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들면, 미국 특허 제5,559,634호는 광학용 구조 표면 상에 세라믹 재료의 얇고 투명한 코팅을 형성하는 데 있어서의 CVD 가공 용도를 교시한다.
플라즈마 중합화라고도 하는 플라즈마 부착은, 전구체 재료와 부착되는 코팅이 통상적으로 유기 물질이라는 점을 제외하고는 플라즈마 증강 CVD와 유사하다. 플라즈마는 전구체 분자를 분자 단편 및 원자의 분포로 유의적으로 파괴하여 이들이 표면 상에서 무작위로 재조합하여 고형 코팅을 생성한다(전술한Encyclopedia of Chemical Technology참조). 플라즈마 부착 코팅은 전구체 분자에 함유되지 않은 여러 유형의 작용기를 비롯한 광범위한 작용기의 존재를 특징으로 한다. 일반적으로, 플라즈마 부착 코팅은 통상적인 폴리머의 반복 단위 구조가 없으며, 대체로 이들은 직쇄, 분지쇄 또는 통상의 가교 결합 중합체 및 공중합체와 유사하지 않다. 플라즈마 부착 기술은 구조 표면을 코팅하는 데 사용할 수 있다. 예를 들면, 미국 특허 제5,116,460호는 반도체 장치 제조 중에 플라즈마 중합화 불화탄소 가스의 코팅을 에칭된 이산화규소 표면에 형성함에 있어서의 플라즈마 부착 용도를 교시한다.
단량체 증기 코팅법
단량체 증기 코팅법은 액상 및 기상 코팅법의 혼성으로서 기술할 수도 있다. 일반적으로, 단량체 증기 코팅법은 기상에서 액상 코팅으로 응축시킨 후, 그것을 기재 상에서 고화 또는 경화시키는 단계를 수반한다. 일반적으로, 액상 코팅은 고 균일도로 부착될 수 있으며, 신속하게 중합화되어 고품질 고상 코팅을 형성할 수 있다. 코팅 재료는 종종 방사선 경화성 단량체로 이루어질 수 있다. 전자 빔 또는 자외선 조사가 경화 단계에서 자주 사용된다(예컨대, 미국 특허 제5,395,644호 참조). 초기 부착물의 액체 성질은 단량체 증기 코팅을 기재보다 대체로 더 평탄하게만든다. 그러므로, 이들 코팅은 기재의 거칠기를 감소시키기 위해 평탄층으로서 사용할 수 있다[예컨대, J. D. Affinito 등, "Polymer/Polymer, Polymer/Oxide, and Polymer/Metal Vacuum Deposited Interference Filters",Proceedings of the 10 th International Conference on Vacuum Web Coating, pp. 207-20(1996) 참조].
본 발명은 (i) 중합체 코팅이 미세구조 기재에 배치된 물품의 제조 방법 및 (ii) 미세구조면을 구비하고, 프로파일 보존 중합체 코팅이 표면에 배치된 물품에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 유용한 코팅법의 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 프로파일 보존 코팅(16)을 갖춘 미세구조 기재(12)를 포함하는 물품(10)의 개략도이며,
도 3은 본 발명에 따른 프로파일 보존 코팅(26)을 갖춘 미세구조 기재(22)를 포함하는 물품(20)의 개략도이고,
도 4는 본 발명에 따른 프로파일 보존 코팅(34)을 갖춘 미세구조 기재(32)를 포함하는 물품(30)의 개략도이며,
도 5는 본 발명에 따른 프로파일 보존 코팅(34)을 갖춘 재귀반사 물품(40)의 부분 단면도이고,
도 6은 도 5에서 영역 6으로 표시한 재귀반사 물품의 부분 확대도이며,
도 7은 본 발명에 따른 코팅된 미세구조 기재(52)의 부분 단면을 보여주는 주사 전자 현미경의 디지털 재현도이고,
도 8은 본 발명에 따른 코팅된 미세구조 기재(62)의 부분 단면을 보여주는 주사 전자 현미경의 디지털 재현도이다.
발명의 상세한 설명
도 1은 미세구조 코팅 물품의 제조 방법을 도시한다. 일반적으로, 예비중합체 출발 물질을 기화시켜서 미세구조 기재에 물리적으로 응축시킨 후, 경화시켜서 기재의 미세구조 부재 상에 중합체 코팅을 형성할 수 있다. 본 명세서를 통하여 보다 상세하게 논의되겠지만, 코팅은 미세구조 기재의 프로파일을 보존하도록 형성할 수 있다.
도 1에 도시된 코팅 과정은 챔버(118) 내에 코팅 영역을 (예를 들면, 청정 환경을 제공하거나, 불활성 대기를 제공하거나, 또는 다른 바람직한 이유로) 밀폐시킨 대기압 하에 실행하거나, 또는 챔버(118)가 진공 챔버인 감압 하에 실행할 수 있다. 액상 단량체 또는 예비중합체의 형태로 공급되는 코팅 재료(100)는 펌프(104)에 의해 증발기(102)로 계량 도입할 수 있다. 이하에 상세하게 설명하겠지만, 코팅 재료는 플래쉬 증발 및 캐리어 가스 충돌 기화를 비롯한 몇 가지 기술 중 한 가지에 의해 증발시킬 수 있다. 코팅 재료는 임의의 노즐(122)을 통과시켜미세 액적으로 분무화하는 것이 바람직하며, 이어서, 이 액적은 증발기(102) 내에서 기화된다. 임의로, 캐리어 가스(106)는 코팅 재료를 분무화하여 그 액적이 노즐(122)을 통해 증발기(102)로 향하게 한다. 액상 코팅 재료 또는 액상 코팅 재료의 액적의 기화는 증발기(102)의 가열된 벽과의 접촉, 임의의 캐리어 가스(106)(임의로, 가열기(108)에 의해 가열됨)에 의한 접촉, 또는 임의의 다른 가열된 표면과의 접촉에 의해 수행할 수 있다. 액상 코팅 재료를 기화하는 데 적절한 어떠한 조작도 본 발명에서 사용하는 것으로 간주한다.
기화 후, 코팅 재료(100)는 코팅 다이(110)를 통해 기재(112)의 미세구조면(111)으로 향하게 할 수 있다. 임의로, 마스크(도시하지 않음)를 코팅 다이(110)와 기재(112) 사이에 배치하여 기재 표면(111)의 선택 부위를 코팅할 수 있다. 예를 들면, 기재의 선택 부위를 코팅하여 기재 상에 문자, 숫자 또는 기타 표식을 형성하거나, 또는 채색과 같은 상이한 문자를 가진 기재 상의 영역을 형성할 수 있다. 임의로, 미세구조 기재 표면(111)은 글로우 방전원, 무음 방전원, 코로나 방전원 등과 같은 전기 방전원(120)을 사용하여 예비 처리할 수 있다. 예비 처리 단계는, 예를 들면 기재에 대한 코팅 재료의 접착력을 개선하거나, 또는 다른 그러한 목적을 위해 표면 화학을 개선하도록 임의로 수행할 수 있다.
기재(112)는 코팅 다이(110)에서 배출되는 단량체 증기 또는 예비중합체 증기의 응축 온도 이하의 온도에서 유지시키는 것이 바람직하다. 기재(112)는 드럼(114)의 표면 상에 배치되거나, 그렇지 않다면 이에 대하여 임시적 관계로 배치될 수 있다. 드럼(114)은 기재(112)를 선택된 속도로 코팅 다이(110)를 통해 이동시켜 코팅 두께를 제어할 수 있다. 또한, 드럼(114)은 중합체 증기의 응축 온도 이하에서 기재(112)를 유지시키기 위해 적절한 바이어스 온도에서 유지시킬 수 있다.
미세구조 기재 표면(111) 상에 도포한 후, 코팅 재료를 고화시킬 수 있다. 방사선 경화성 단량체 또는 열 경화성 단량체를 함유하는 코팅 재료에 대하여 경화 공급원(116)을 드럼 회전 방향(화살표 124로 표시함)으로 코팅 다이(110)의 하류에 구비할 수 있다. 전자 빔 공급원, 자외선 램프, 전기 방전원, 열 램프, 오븐, 건조기 등을 비롯한 임의의 적절한 경화 공급원이 본 발명에서 고려된다.
도 1에 도시된 방법의 다양한 형상을 실행하기에 적절한 장치는 국제 출원 US98/24230호(미국 특허 출원 제08/980,947호에 대응함) 및 US98/22953호(미국 특허 출원 제08/980,948호에 대응함), 그리고 미국 특허 제4,722,515호; 동제4,842,893호; 동제4,954,371호; 동제5,097,800호; 및 동제5,395,644호에 기재되어 있다. 특히, 진공 조건 하에 도 1에 도시된 방법의 특정 양태를 수행하기에 적절할 수 있는 장치는 미국 애리조나주 턱슨에 소재하는 델타 V 테크놀로지스 인코포레이티드사로부터 주문 제작품으로서 구입할 수 있다. 도 1에 도시된 방법 및 기타 양태를 수행하기에 적절할 수 있는 장치 및 장치의 일부는 본 명세서를 통해 보다 상세하게 설명하고자 한다.
프로파일 보존 중합체 코팅을 제조하기에 적절한 단량체 및 소중합체의 예는 하기 논의에서 보다 상세하게 설명하기로 한다. 간단히 말해서, 단량체와 소중합체의 적절한 예로는 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 아크릴아미드, 메타크릴아미드,비닐 에테르, 말레에이트, 신나메이트, 스티렌, 올레핀, 비닐, 에폭시드, 실란, 멜라민, 히드록시 작용성 단량체 및 아미노 작용성 단량체가 있다. 적절한 단량체와 소중합체는 하나 이상의 반응성 기를 가질 수 있으며, 이러한 반응성 기는 동일 분자 상의 상이한 화학종일 수 있다. 통상적으로, 그러한 혼합된 예비중합체는 최종 경화 코팅에 넓은 범위의 물리적 성질, 화학적 성질, 기계적 성질, 생물학적 성질 및 광학적 성질을 제공하는 데 사용된다. 또한, 기상으로부터 반응성 재료를 이미 그 표면에 화학 반응성 화학종을 가진 기재에 코팅하는 데에도 유용할 수 있으며, 그러한 반응성 화학종의 예로는 단량체, 소중합체, 개시제, 촉매, 물 또는 반응성 기, 예컨대 히드록시, 카르복실산, 이소시아네이트, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 비닐, 에폭시, 실릴, 스티릴, 아미노, 멜라민 및 알데히드가 있다. 이러한 반응은 열에 의해, 또는 방사선 경화에 의해 그 화학 물질에 적절한 개시제와 촉매로, 또는 경우에 따라서 개시제 또는 촉매 없이 개시할 수 있다. 1종 이상의 전구체 출발 물질을 사용하는 경우, 그 성분들을 함께 기화시켜서 부착시킬 수도 있거나, 또는 이들을 별도의 증발 공급원으로부터 기화시킬 수 있다.
중합체 코팅을 본 발명에 따른 미세구조면 상에 생성하는 데 바람직한 부착법은 단량체 증착 단계를 포함한다. 단량체 증착은 (1) 단량체 또는 기타 예비중합체 재료를 기화시키는 단계, (2) 재료를 미세구조 기재로 응축시키는 단계 및 (3) 응축된 재료를 기재 상에서 경화시키는 단계를 수반한다. 기재에 응축시킬 때, 재료는 액체 형태인 것이 바람직하며, 이는 코팅이 미세구조면의 프로파일에 순응하여 그것을 보존할 수 있게 하며, 미세구조 부재보다 작은 기재 표면 거칠기를 평탄화할 수 있게 한다. 기재 상의 액상 예비중합체를 경화시키면, 그 재료가 단단해진다. 동일하거나 상이한 재료의 다층은 다층 스택으로 반복해서 부착시키고 경화시켜서 일련의 코팅을 형성할 수 있으며, 그러한 층의 하나 이상은 그것이 부착된 표면의 미세구조 프로파일을 유지시키는 프로파일 보존 중합체 코팅일 수 있다. 대안으로, 다른 부착 기술을 사용하여 다른 재료, 예컨대 금속 또는 기타 무기물(예를 들면, 산화물, 질화물, 황화물 등)을, 하나 이상의 중합체 층을 부착시키기 전 또는 후, 또는 하나 이상의 프로파일 보존 층(들)을 가진 별도의 중합체 층 또는 다층 스택 사이에 부착시킬 수 있다.
단량체 또는 예비중합체 증기 스트림을 형성하기 위한 코팅 재료의 기화는 여러 가지 방식으로 실행할 수 있으며, 중합체 코팅 재료를 기화시키에 적절한 어떠한 방법도 본 발명에서 고려된다. 코팅 재료의 기화는 가시광을 산란시키기에는 너무 작은 코팅 재료의 분자 또는 일군의 분자를 생성하는 것이 바람직하다. 따라서, 레이저 가시광이 기화된 코팅 재료를 통과할 경우, 가시광 산란을 육안으로 검출할 수 없는 것이 바람직하다. 예시적인 방법으로는 방사선 경화성 재료의 액상 단량체를 1 미크론 미만 내지 수십 미크론의 직경을 가진 소적 형태로 가열 챔버 또는 튜브에 분무하는 플래쉬 증발이 있다. 튜브 또는 챔버는 액적을 기화시키기에 충분히 뜨겁지만, 접촉시 단량체 액적을 균열시키거나 또는 중합할 정도로 뜨겁지는 않아야 된다. 플래쉬 증발법의 예는 미국 특허 제4,722,515호; 동제4,696,719호; 동제4,842,893호; 동제4,954,371호; 동제5,097,800호; 및 동제5,395,644호에 기재되어 있다.
단량체 또는 예비중합체 증기 스트림을 형성하기 위한 코팅 재료의 다른 바람직한 기화 방법은 국제 출원 US98/24230호(미국 특허 출원 08/980,947호에 대응함)에 개시된 바와 같은 캐리어 가스 충돌 방법이다. 기재된 캐리어 가스 충돌 방법은, 바람직하게는 무용매인 유체 코팅 조성물을 분무화하여 다수의 미세 액적을 형성하는 개념에 기초한다. 유체 코팅 조성물은 압력차를 이용하여 유체를 신속하게 팽창시킴으로써 소적으로 형성시키는 팽창 노즐로 유체 조성물을 도입함으로써 분무된다. 분무화된 액적은 심지어 액적의 비점보다 상당히 낮은 온도에서도 액적을 기화시키는 캐리어 가스와 접촉시킨다. 캐리어 가스와의 혼합물 내 증기의 분압이 여전히 증기의 포화압보다 상당히 낮기 때문에 기화가 보다 신속하고 보다 완전하게 일어날 수 있다. 가스를 가열하는 경우, 이는 기화를 위한 열/기계 에너지를 제공한다.
유체 코팅 조성물의 분무화도 초음파 분무화, 스피닝 디스크 분무화 등을 비롯한 현재 당업계에 공지된(또는 후에 개발된) 다른 분무화 기술을 이용하여 달성될 수 있다. 그러나, 바람직한 구체예에서, 분무화는 캐리어 가스 스트림을 유체 조성물 스트림으로 강력하게 충돌시킴으로써 달성된다. 캐리어 가스를 가열하는 것이 바람직하며, 유체 스트림 흐름은 충돌 시점에서 층류가 된다. 충돌 에너지는 바람직한 층류 유체 코팅 조성물을 매우 미세한 액적으로 파열시킨다. 분무화를 달성하기 위하여 이 유형의 충돌을 사용하는 것이 특히 유리한데, 그 이유는 다른 분무화 기술을 이용하여 얻을 수 있는 것보다 더 좁은 크기 분포와 보다 더 균일한 부피당 액적의 수 밀도를 가진 보다 작은 분무화된 액적을 제공하기 때문이다. 또한,생성된 액적은 거의 즉시 캐리어 가스와 치밀하게 접촉하여 신속하고 효율적인 기화가 얻어진다. 가스와 증기의 혼합물은 가열된 튜브 또는 챔버를 통하여 이송할 수 있다. 코팅 조작을 이용하여 본 발명에 따른 미세구조면 상에 중합체 코팅을 형성할 수는 있지만, 캐리어 가스는 챔버압을 증가시키는 경향이 있기 때문에 분무화를 위해 캐리어 가스 충돌을 이용하는 것은 진공 챔버로 사용하기에 덜 적절하다.
또한, 튜브 또는 챔버는 견고하고 균일한 단량체 증기 스트림이 증기 코팅 다이로부터 유동하도록 기화 튜브 또는 챔버 내 압력을 형성시킬 수 있는 증기 코팅 다이를 포함할 수 있다. 증기 코팅 다이로부터의 단량체 유동은 기화 챔버로의 액상 단량체 주입, 다이 단부의 공극 크기 및 다이를 통하는 통로 길이에 의해 제어될 수 있다. 또한, 증기 코팅 다이 공극 형상은 기재 상에 부착된 단량체 증기의 공간 분포를 결정할 수 있다. 예를 들면, 회전식 드럼의 외부에 장착된 시트형 가요성 기재의 경우, 증기 코팅 다이 공극은 장축이 기재의 너비를 따라 정렬되도록 배향된 슬롯인 것이 바람직하다. 또한, 공극은 코팅이 필요한 기재의 너비를 따른 각각의 부위가 동일한 증기 부착 속도에 노출되도록 위치하는 것이 바람직하다. 이 배열은 기재를 따라 실질적으로 균일한 코팅 두께 분포를 제공한다.
미세구조 기재는 증기의 응축점 이하의 온도, 바람직하게는 증기의 응축점 보다 상당히 낮은 온도에서 유지시키는 것이 바람직하다. 이것은 증기가 여러 가지 경화 메카니즘에 의해 필요에 따라서 차후에 경화될 수 있는, 얇고 균일하며 실질적으로 무결함의 코팅으로서 응축할 수 있게 한다.
부착된 예비중합체 재료는 실질적으로 균일하고, 실질적으로 연속적인 방식으로 도포할 수 있거나, 또는 이들은 불연속 방식, 예를 들면 미세구조면의 선택된 부분 또는 부분들만을 피복하는 섬(island)으로서 도포될 수 있다. 불연속 도포는 예를 들면, 원치 않는 부분의 차후 제거를 비롯한, 마스크 또는 기타 적절한 기술을 이용함으로써 문자 또는 기타 표식의 형태로 제공될 수 있다.
단량체 증기 부착은 약 0.01 ㎛ 내지 약 50 ㎛ 범위의 두께를 가진 박막을 형성하는 데 특히 유용하다. 보다 두꺼운 코팅은 기재의 증기에 대한 노출 시간을 증가시킴으로써, 분무화기로의 유체 조성물의 유속을 증가시킴으로써, 또는 기재를 다중 통과에 의해 코팅 재료에 노출시킴으로써 형성할 수 있다. 기재의 증기에 대한 노출 시간의 증가는 다중 증기 공급원을 시스템에 첨가하거나, 또는 기재가 시스템으로 이동하는 속도를 감소시킴으로써 달성할 수 있다. 다양한 재료의 층상 코팅은 각기 부착물을 가진 상이한 코팅 재료를 사용하여 코팅을 순차적으로 부착시키거나, 또는 기재 이동 경로를 따라 각각에 대해 배치된 각각의 공급원으로부터 재료를 동시에 부착시킴으로써 형성할 수 있다.
기재가 증발 공급원(들)을 통과하여 이동하는 속도 및 증발 공급원(들)이 재료를 생성하는 비율이 기재의 소정 영역에 부착된 재료의 두께를 결정하도록 기재를 증발 공급원 또는 공급원들을 통과하여 이동시키기 위한 기계적 수단에 기재를 부착시키는 것이 바람직하다. 예를 들면, 가요성 기재는 예비중합체 증기 공급원(들) 근방에 위치된 회전식 드럼의 외부에 장착되어 각각의 증기 공급원에 대해 드럼의 1 회전에 한 개의 균일한 두께의 재료층이 기재 상에 부착되도록 할 수 있다.
사용되는 단량체 또는 단량체 혼합물은 표준 온도 및 압력에서 바람직하게는약 10-6Torr 내지 10 Torr, 보다 바람직하게는 대략 10-3내지 10-1Torr의 증기압을 갖는다. 이러한 고증기압 단량체는 비교적 저온에서 캐리어 가스 충돌법에 의해 플래쉬 기화 또는 기화시킬 수 있으며, 따라서 가열 공정에 의한 크래킹에 의해 분해되지 않는다. 미반응 분해 생성물의 부재는 이러한 저분자량, 고증기압 단량체로부터 형성된 필름이 감소된 수치의 휘발성 성분을 가지며, 따라서 더 높은 화학 제어 가능성을 가진다는 것을 의미한다. 그 결과, 실질적으로 모든 부착된 단량체가 반응성이며, 경화되어 방사선의 공급원에 노출될 때 조절된 화학 조성을 갖는 일체형 필름을 형성할 수 있다. 이러한 성질들은 부착된 필름이 매우 얇다는 사실에도 불구하고 실질적으로 연속적인 코팅을 제공할 수 있다(바람직한 두께는 코팅된 물품의 최종 용도에 따라 다를 수 있지만, 예시적인 두께는 기재 상의 미세구조 형상의 크기의 약 20% 이하, 미세구조 형상의 크기의 약 15% 이하, 미세구조 형상의 크기의 약 10% 이하 두께 등이 있다).
재료를 기재 상에 응축시킨 후, 액상 단량체 또는 예비중합체 층을 경화시킬 수 있다. 일반적으로, 재료의 경화는 가시광, 자외선 방사선, 전자 빔 방사선, 이온 방사선 및/또는 자유 라디칼(플라즈마로부터) 또는 열 또는 임의의 다른 적절한 기술을 이용하여 재료를 기재 상에서 조사하는 단계를 수반한다. 기재를 회전식 드럼에 장착하는 경우, 방사선원은 코팅 재료가 연속적으로 도포되고 표면에서 경화되도록 단량체 또는 예비중합체 증기 공급원으로부터 하류에 위치하는 것이 바람직하다. 그 다음, 기재의 다중 회전으로, 이전의 회전 중에 부착되고 경화된 층에 단량체 증기를 연속적으로 부착시키고 경화시킨다. 또한, 본 발명은, 예를 들면, 액상 단량체 또는 예비중합체 재료가 표면에 접촉될 때 기재 표면이 경화 반응을 유발하는 재료를 갖는 경우에 경화가 응축과 동시에 일어나는 점을 고려한다. 따라서, 별개의 단계로서 기술하였지만, 응축과 경화가 함께, 일시적으로 또는 물리적으로 본 발명에서 일어날 수 있다.
본 발명의 방법의 원리는 진공에서 실행될 수 있다. 그러나, 분무화, 기화 및 코팅은 상압 및 주위 대기를 비롯한 임의의 소정 압력 또는 대기에서 일어나는 것이 유리할 수 있다. 다른 이점으로서, 분무화, 기화 및 코팅은 비교적 저온에서 일어날 수 있어서 감온성 재료를, 고온에서 발생될 수 있는 분해(예컨대, 구성 성분 분자의 열 분해 또는 중합) 없이 코팅할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 측정 가능한 증기압을 갖는 실제로 임의의 액상 재료 또는 액상 재료의 배합물을 사용하여 코팅을 형성할 수 있다는 점에서 중요하다.
중합체 코팅을 형성하기 위하여, 통상적으로 단지 비교적 저분자량의 중합체, 예를 들면 수 평균 분자량이 10,000 미만, 바람직하게는 약 5000 미만, 보다 바람직하게는 약 2000 미만인 중합체가 본 발명의 실시에서 기화되기에 충분한 증기압을 갖지만, 본 발명의 코팅 조성물은 단량체, 소중합체 또는 중합체인 1종 이상의 성분을 포함할 수 있다.
중합체 프로파일 보존 코팅을 미세구조면에 형성하기 위한 코팅 조성물의 1종 이상의 유체 성분의 대표적인 예로는 탄소-탄소 이중 결합 작용성을 가진 방사선 경화성 단량체 및 소중합체(그 중에서도 알켄, (메트)아크릴레이트, (메트)아크릴아미드, 스티렌 및 알릴에테르 재료가 대표적이다); 플루오로폴리에테르 단량체,소중합체 및 중합체; 폴리(헥사플루오로프로필렌 옥시드)디아크릴레이트를 비롯한 불화 (메트)아크릴레이트; 왁스, 예컨대 폴리에틸렌 왁스 및 과불화 왁스; 폴리디메틸 실록산 및 기타 치환 실록산을 비롯한 실리콘; 실란 커플링제, 예컨대 아미노 프로필 트리에톡시 실란 및 메타크릴옥시프로필트리메톡시 실란; 디실라잔, 예컨대 헥사메틸 디실라잔; 부탄디올 또는 기타 글리콜을 비롯한 알콜, 및 페놀; 에폭시; 이소시아네이트, 예컨대 톨루엔 디이소시아네이트; 카르복실산 및 카르복실산 유도체, 예컨대 카르복실산 및 알콜의 에스테르, 카르복실산의 무수물; 방향족 화합물, 예컨대 방향족 할로겐화물; 페놀, 예컨대 디브로모페놀; 페닐 에테르; 퀴논; 나프탈렌, 비닐 나프탈렌 및 안트라센을 비롯한 다환 방향족 화합물; 비방향족 복소환, 예컨대 노보란; 아즐락톤; 방향족 복소환, 예컨대 푸란, 피롤, 티오펜, 아졸, 피리딘, 아닐린, 퀴놀린, 이소퀴놀린, 디아진 및 피론; 피릴륨 염; 테르펜; 스테로이드; 알칼로이드; 아민; 카르바메이트; 우레아; 아지드; 디아조 화합물; 디아조늄 염; 티올; 황화물; 황산 에스테르; 무수물; 알칸; 할로겐화 알킬; 에테르; 알켄; 알킨; 알데히드; 케톤; 유기 금속 화학종, 예컨대 티타네이트, 지르코네이트 및 알루미네이트; 술폰산; 포스핀; 포스포늄 염; 포스페이트; 포스포네이트 에스테르; 황 안정화 탄소 음이온; 인 안정화 탄소 음이온; 탄수화물; 아미노산; 펩티드; 필수 증기압을 가진 유체인 재료 또는 필수 증기압을 가진 유체로 전환될 수 있는(예를 들면, 용융, 용해 등) 재료, 또는 이들의 배합물 등으로부터 유도된 반응 생성물 등이 있다. 이들 재료 중에서, 본 발명의 원리를 이용하여 가공하기 위하여 파라핀 왁스와 같이 주위 조건 하에서 고체인 것을 용융시키거나, 또는 다른 유체 성분에 용해시킬 수 있다.
본 발명에서, 코팅 조성물은 미세구조 기재 상에 경화성 액상 코팅을 형성할 수 있는 1종 이상의 중합성 전구체 성분을 포함할 수 있으며, 여기서, 상기 성분(들)은, 코팅을 경화 및 고화(즉, 중합화 및/또는 가교 결합)시키기 위해 방사선 경화 에너지에 노출시 액상 코팅이 경화 가능하도록 방사선 또는 열 가교 결합성 작용기를 갖는다. 방사선 경화 에너지의 대표적인 예로는 전자기 에너지(예를 들면, 적외선 에너지, 마이크로파 에너지, 가시광, 자외선 등), 가속 입자(예를 들면, 전자 빔 에너지) 및/또는 전기 방전(예를 들면, 코로나, 플라즈마, 글로우 방전 또는 무음 방전)으로부터의 에너지가 있다.
방사선 가교 결합성 작용기는 적절한 방사선 경화 에너지원에 노출시 가교 결합 및/또는 중합 반응에 참여하는 (경우에 따라서)단량체, 소중합체 또는 중합체 골격으로부터 직접 또는 간접적으로 현수된 작용기를 말한다. 일반적으로, 그러한 작용기는 방사선 노출시 양이온 메카니즘에 의해 가교 결합하는 기 뿐만 아니라 자유 라디칼 메카니즘에 의해 가교 결합하는 기도 포함한다. 본 발명의 실시에 적절한 방사선 가교 결합성 기의 대표적인 예로는 에폭시기, (메트)아크릴레이트기, 올레핀성 탄소-탄소 이중 결합, 알릴에테르기, 스티렌기, (메트)아크릴아미드기, 이들의 배합물 등이 있다.
바람직한 자유 라디칼 경화성 단량체, 소중합체 및/또는 중합체 각각은 그러한 재료의 평균 작용기가 분자당 1종 이상의 자유 라디칼 중합성 탄소-탄소 이중 결합이 되도록 1종 이상의 자유 라디칼 중합성 탄소-탄소 이중 결합을 포함한다.그러한 부분을 가진 재료는 그러한 탄소-탄소 이중 결합 작용기에 의해 서로 공중합 및/또는 가교 결합될 수 있다. 본 발명의 실시에 적절한 자유 라디칼 경화성 단량체는 1종 이상의 단작용성, 이작용성, 삼작용성 및 사작용성 자유 라디칼 경화성 단량체 중에서 선택되는 것이 바람직하다. 최종 코팅의 소정의 성질에 따라서 다양한 양의 단작용성, 이작용성, 삼작용성 및 사작용성 자유 라디칼 경화성 단량체를 본 발명에 포함시킬 수 있다. 예를 들면, 더 고도의 내마모성 및 내충격성을 가진 코팅을 제공하기 위하여, 조성물에 포함된 자유 라디칼 경화성 단량체가 1 이상의 분자당 평균 자유 라디칼 경화성 작용기를 갖도록 1종 이상의 다작용성 자유 라디칼 경화성 단량체, 바람직하게는 적어도 이작용성 및 삼작용성 자유 라디칼 경화성 단량체를 조성물에 포함시키는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 바람직한 방사선 경화성 코팅 조성물은 0 내지 100 중량부의 단작용성 자유 라디칼 경화성 단량체, 0 내지 100 중량부의 이작용성 자유 라다칼 경화성 단량체, 0 내지 100 중량부의 삼작용성 자유 라디칼 경화성 단량체 및 0 내지 100 중량부의 사작용성 자유 라디칼 경화성 단량체를 포함할 수 있으며, 단, 자유 라디칼 경화성 단량체는 1 이상, 바람직하게는 1.1 내지 4, 보다 바람직하게는 1.5 내지 3의 평균 작용기를 갖는다.
본 발명의 실시에 적절한 단작용성 자유 라디칼 경화성 단량체의 한 가지 대표적인 부류로는 탄소-탄소 이중 결합이 방향족 고리에 직접 또는 간접적으로 연결된 화합물이 있다. 그러한 화합물의 예로는 스티렌, 알킬화 스티렌, 알콕시 스티렌, 할로겐화 스티렌, 자유 라디칼 경화성 나프탈렌, 비닐나프탈렌, 알킬화 비닐나프탈렌, 알콕시 비닐 나프탈렌, 아세나프탈렌, 이들의 배합물 등이 있다. 다른 대표적인 부류의 단작용성 자유 라디칼 경화성 단량체로는 탄소-탄소 이중 결합이 지환족, 복소환 및/또는 지방족 부분, 예컨대 5-비닐-2-노르보르넨, 4-비닐 피리딘, 2-비닐 피리딘, 1-비닐-2-피롤리딘온, 1-비닐 카프로락탐, 1-비닐이미다졸, N-비닐 포름아미드 등에 결합된 화합물이 있다.
그러한 단작용성 자유 라디칼 경화성 단량체의 다른 대표적인 부류로는 하기 화학식의 부분을 포함하는 (메트)아크릴레이트 작용성 단량체가 있다:
상기 식에서, R은 1가 부분, 예컨대 수소, 할로겐 또는 알킬기이다. 그러한 부분을 포함하는 단량체의 대표적인 예로는 (메트)아크릴아미드, 클로로(메트)아크릴아미드, 1 내지 16 개, 바람직하게는 1 내지 8 개의 탄소 원자를 함유하는 (메트)아크릴산의 직쇄, 분지쇄 또는 지환족 에스테르, 예컨대 메틸 (메트)아크릴레이트, n-부틸 (메트)아크릴레이트, t-부틸 (메트)아크릴레이트, 에틸 (메트)아크릴레이트, 이소프로필 (메트)아크릴레이트, 2-에틸헥실 (메트)아크릴레이트 및 이소옥틸아크릴레이트; 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄일 수 있는 알칸산의 비닐 에스테르; 이소보르닐 (메트)아크릴레이트; 비닐 아세테이트; 알릴 (메트)아크릴레이트 등이 있다.
또한, 그러한 (메트)아크릴레이트 작용성 단량체는 다른 종류의 작용기, 예컨대 히드록실 작용기, 니트릴 작용기, 에폭시 작용기, 카르복실 작용기, 티올 작용기, 아민 작용기, 이소시아네이트 작용기, 술포닐 작용기, 퍼플루오로 작용기, 브로모 작용기, 술폰아미도, 페닐 작용기, 이들의 배합물 등이 있다. 그러한 자유 라디칼 경화성 화합물의 대표적인 예로는 글리시딜 (메트)아크릴레이트, (메트)아크릴로니트릴, β-시아노에틸-(메트)아크릴레이트, 2-시아노에톡시에틸 (메트)아크릴레이트, p-시아노스티렌, 티오페닐 (메트)아크릴레이트, (테트라브로모카르바조일)부틸 (메트)아크릴레이트, 에톡실화 브로모비스페놀 A 디(메트)아크릴레이트, 브로모비스페놀 A 디알릴 에테르, (브로모)페녹시에틸 아크릴레이트, 부틸브로모페닐아크릴레이트, p-(시아노메틸)스티렌, α,β-불포화 카르복실산과 디올의 에스테르, 예를 들면, 2-히드록시에틸 (메트)아크릴레이트, 또는 2-히드록시프로필 (메트)아크릴레이트; 1,3-디히드록시프로필-2-(메트)아크릴레이트; 2,3-디히드록시프로필-1-(메트)아크릴레이트; α,β-불포화 카르복실산과 카프로락톤의 부가물; 알칸올 비닐 에테르, 예컨대 2-히드록시에틸 비닐 에테르; 4-비닐벤질 알콜; 알릴 알콜; p-메틸올 스티렌, N,N-디메틸아미노 (메트)아크릴레이트, (메트)아크릴산, 말레산, 무수 말레산, 트리플루오로에틸 (메트)아크릴레이트, 테트라플루오로프로필 (메트)아크릴레이트, 헥사플루오로부틸 (메트)아크릴레이트, 2-(N-에틸퍼플루오로옥탄술폰아미드) 에틸 아크릴레이트, 2-(N-에틸퍼플루오로옥탄술폰아미도) 에틸 (메트)아크릴레이트, 2-(N-부틸퍼플루오로옥탄술폰아미도) 에틸 아크릴레이트, 부틸퍼플루오로옥틸술폰아미도 에틸 (메트)아크릴레이트, 에틸퍼플루오로옥틸술폰아미도에틸 (메트)아크릴레이트, 펜타데카플루오로옥틸아크릴레이트, 이들의 혼합물 등이 있다.
본 발명의 실시에 적절한 단작용성 자유 라디칼 경화성 단량체의 다른 부류로는 1종 이상의 N,N-이치환 (메트)아크릴아미드가 있다. N,N-이치환 (메트)아크릴아미드를 사용하면, 몇 가지 이점을 얻을 수 있다. 예를 들면, 단량체는 폴리카르보네이트 기재에 대한 접착력이 개선된 대전 방지 코팅을 생성할 수 있다. 또한, 이 유형의 단량체를 사용하면, 내후성과 강도가 개선된 코팅을 얻을 수 있다.
일반적으로 N,N-이치환 (메트)아크릴아미드는 하기 화학식을 가진다:
상기 식에서, R1및 R2는 각기 독립적으로 수소; 임의로 히드록시, 할로겐화물, 카르보닐 및 아미도 작용기를 가진 (C1-C8)알킬기(직쇄, 분지쇄 또는 고리); 임의로, 카르보닐 및 아미도 작용기를 가진 (C1-C8)알킬렌기; (C1-C4)알콕시메틸기, (C4-C10)아릴기, (C1-C3)알크(C4-C10)아릴기 또는 (C4-C10)헤테로아릴기이고; 단, R1및 R2중 단지 하나는 수소이며; R3는 수소, 할로겐 또는 메틸기이다. 바람직하게는, R1은 (C1-C4)알킬기이고, R2는 (C1-C4)알킬기이며, R3는 수소 또는 메틸기이다. R1및 R2는 동일하거나 상이할 수 있다. 보다 바람직하게는, R1및 R2는 각각 CH3이고, R3는 수소이다.
그러한 적절한 (메트)아크릴아미드의 예로는 N-t-부틸아크릴아미드, N,N-디메틸아크릴아미드, N,N-디에틸아크릴아미드, N-(5,5-디메틸헥실)아크릴아미드, N-(1,1-디메틸-3-옥소부틸)아크릴아미드, N-(히드록시메틸)아크릴아미드, N-(이소부톡시메틸)아크릴아미드, N-이소프로필아크릴아미드, N-메틸아크릴아미드, N-에틸아크릴아미드, N-메틸-N-에틸아크릴아미드 및 N,N'-메틸렌-비스 아크릴아미드가 있다. (메트)아크릴아미드는 N,N-디메틸 (메트)아크릴아미드가 바람직하다.
자유 라디칼 경화성 단량체의 다른 예로는 알릴옥시 부분을 포함하는 알켄, 예컨대 에텐, 1-프로펜, 1-부텐, 2-부텐(시스 또는 트랜스) 화합물 등이 있다.
또한, 단작용성 자유 라디칼 경화성 단량체 외에, 또는 그 대용체로서, 바람직하게는 자유 라디칼 경화성 이작용기, 삼작용기 및/또는 사작용기를 가진 임의의 종류의 다작용성 자유 라디칼 경화성 단량체도 본 발명에서 사용할 수 있다. 그러한 다작용성 (메트)아크릴레이트 화합물은 다수의 여러 공급처에서 시중 구입할 수 있다. 대안으로, 그러한 화합물은 다양한 널리 알려진 반응도를 이용하여 제조할 수 있다.
(메트)아크릴산의 적절한 다작용성 에틸렌성 불포화 에스테르의 특정예로는 다가 알콜의 폴리아크릴산 에스테르 또는 폴리메타크릴산 에스테르, 예를 들면 지방족 디올, 예컨대 에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 2,2-디메틸-1,3-프로판디올, 1,3-시클로펜탄디올, 1-에톡시-2,3-프로판디올, 2-메틸-2,4-펜탄디올, 1,4-시클로헥산디올, 1,6-헥산디올, 1,2-시클로헥산디올, 1,6-시클로헥산디메탄올, 헥사플루오로데칸디올, 옥타플루오로헥산디올, 퍼플루오로폴리에테르디올의 디아크릴산 에스테르 및 디메타크릴산 에스테르; 트리올, 예컨대 글리세린, 1,2,3-프로판트리메탄올, 1,2,4-부탄트리올, 1,2,5-펜탄트리올, 1,3,6-헥산트리올 및 1,5,10-데칸트리올의 트리아크릴산 에스테르 및 트리메타크릴산 에스테르; 트리스(히드록시에틸) 이소시아누레이트의 트리아크릴산 에스테르 및 트리메타크릴산 에스테르; 지방족 테트라올, 예컨대 1,2,3,4-부탄테트라올, 1,1,2,2-테트라메틸올에탄 및 1,1,3,3-테트라메틸올프로판의 테트라아크릴산 에스테르 및 테트라메타크릴산 에스테르; 방향족 디올, 예컨대 피로카테콜 및 비스페놀 A의 디아크릴산 에스테르 및 디메타크릴산 에스테르; 이들의 혼합물 등이 있다.
본 발명의 미세구조 기재 코팅 방법은 프로파일 보존 중합체 코팅을 형성하는 데 사용된다. 도면은 미세구조 물품 상의 프로파일 보존 코팅 개념을 예시한다. 특히, 도 2는 다수의 미세구조 부재(14)를 갖춘 기재(12)를 포함하는 물품(10)을 도시한다. 미세구조 부재(14)는, 예를 들면 높이 H, 그리고 너비 W 및 길이 L로 표시된 베이스의 치수로 특징될 수 있는 지주형 형상일 수 있다. 또한, 이들 구조는 도 2에 도시된 바와 같이 베이스에서 상부로 테이퍼 형태가 될 수 있다.
기재(12)에는 미세구조 프로파일에 순응하는 코팅(16)이 그 위에 배치되어 있다. 코팅(16)의 두께 T는 코팅이 프로파일 보존 코팅으로 하기에 충분히 얇다. "프로파일 보존 코팅으로 되기에 충분히 얇다"는 것은, 미세구조 부재의 용도와 치수에 따른다. 예를 들면, 도 2에서, 코팅의 두께가 미세구조 부재 간의 거리의 절반 정도인 경우, 코팅은 표면의 구조물 내에 충전되어 프로파일 보존을 중지하게 될 수도 있다. 실제로, 프로파일 보존 코팅을 얻기 위한 코팅 두께의 상한은 표면상에서 미세구조 부재의 관심 대상의 최소 특성 치수보다 더 작다. 예를 들면, 도 2에서, 코팅 두께에 대한 상한은 미세구조 부재의 베이스의 너비 W 미만이며, 미세구조 부재의 베이스의 너비의 약 50% 미만이 바람직하고, 약 20% 미만이 보다 바람직하다. 용어 "관심 대상의 최소 특성 치수"는 미세구조 형상에 따라 그 의미가 변한다. 그러나, 비교적 편평한 표면의 면을 가진 미세구조 형상에 대하여 관심 대상의 최소 특성 치수가 종종 그것의 편평한 표면의 면의 최소 치수로 측정된다. 둥근 미세구조 형상에 대하여, 굴곡의 직경 또는 반경과 같은 치수가 보다 적절한 측정치가 될 것이다.
미세구조면의 프로파일을 보존하기 위하여, 본 발명의 중합체 코팅은 바람직하게는 미세구조 부재의 관심 대상의 최소 특성 치수의 약 20% 이하인 치수를 갖는 것이 바람직하다. 미세구조 형상 치수에 따라서, 중합체 코팅은 바람직하게는 200 ㎛ 미만, 보다 바람직하게는 100 ㎛ 미만, 보다 더 바람직하게는 50 ㎛ 미만인 두께를 갖는다. 또한, 중합체 코팅은 약 0.01 ㎛ 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 코팅은 미세구조 형상의 크기보다 훨씬 작은 표면 형상 내에 충전될 수 있으므로, 미세구조 프로파일을 보존하면서 표면을 평탄화할 수 있다.
도 2에 도시된 것과 유사한 형상을 포함하는 미세구조면은 많은 응용 분야에 사용될 수 있다. 그 예로서, 미세구조 파스너(미국 특허 제5,634,245호 및 동제5,344,177호에 개시되어 있음), 액정 디스플레이 패널과 같은 전자 디스플레이 기재에 사용되는 것과 같은 스페이서(예를 들면, 미국 특허 제5,268,782호에 개시된 미세구조 융기부 및 지주), 광학 도파관 상의 광 추출 구조물(유럽 특허 출원EP 0 878 720 A1에 개시된 것과 유사함) 및 당업계의 숙련자에게 명백하게 될 기타 응용물이 있다. 그러한 응용을 위해, 도 2의 미세구조 부재의 베이스의 너비와 길이는 약 0.5 ㎛ 내지 수 백 ㎛ 크기일 수 있다. 유사하게, 미세구조 부재의 높이는 수 십 ㎛ 내지 수 백 ㎛ 범위일 수 있다. 미세구조 부재는 기재 표면 상에 균일한 크기로 이격되거나 또는 그렇게 배치되지 않을 수도 있다. 미세구조 부재 간의 간격은 1 ㎛ 미만 내지 약 1000 ㎛ 범위일 수 있다.
도 3은 미세구조 형상(24)에 의해 형성된 일련의 V형 평행 홈을 갖춘 기재(22)를 포함하는 미세구조 물품(20)을 도시한다. 그 형상은 피크 대 피크 간격 S, 밸리 대 밸리 너비 W, 피크 대 밸리 높이 H, 측면 길이 L 및 인접 측면의 면에 의해 각각의 피크와 밸리에서 형성된 각을 가진다. 프로파일 보존 코팅(26)은 두께 T를 가진다. 도 3에 도시된 바와 같은 미세구조면이 관심 대상이 될 수 있는 한 가지 형상은 피크(28)와 밸리(27)에서의 각의 첨예도이다. 각의 첨예도는 굴곡의 반경에 의해 측정할 수 있다. 굴곡의 반경은 구(球)에 접촉하는 표면적을 최대화하면서 각의 오목부 내부에 합치될 수 있는 최대 구의 반경을 가리킨다. 미세구조 V홈은 수 십 마이크로미터 내지 수 십 나노미터의 굴곡 반경을 가질 수 있다. 코팅(26)을 부착할 때, 피크와 밸리의 첨예도가 실질적으로 보존되는 것이 바람직하다. 그러나, 코팅(26)의 두께에 따라서, 코팅(29)의 피크와 코팅(29')의 밸리에서 약간의 곡면화가 생길 수 있다. 피크에서의 곡면화는 통상적으로 밸리에서의 곡면화보다 유의성이 적다. 부착 중에 표면 장력을 감소시키기 위해 액상 단량체 코팅에 의해 형성된 메니스커스로 인하여 밸리에서 보다 유의성이 큰 곡면화가 생길수 있다. 곡면화 정도는 코팅의 두께, V형 홈 구조물의 각도, 코팅 재료 및 구조물의 전체 크기에 의해 결정된다.
도 3에 도시된 바와 같은 V형 홈과 유사한 형상을 가진 미세구조면은 다양한 목적에 사용될 수 있으며, 광 튜브(미국 특허 제4,805,984호에 개시됨) 또는 디스플레이 스크린용으로서 광 출력의 각도 관리, 유체 흐름의 제어, 촉매 작용 분야용 표면적의 증대 및 당업계의 숙련자에게 명백한 기타 기능을 포함한다. 또한, 다중 세트의 교차 V형 홈에 대해 가시화할 수 있는, 피라미드형 또는 입방체 모서리 돌출부 또는 결각을 가진 미세구조면을 제조할 수 있다. 피라미드형 및 입방체 모서리형 미세구조면은, 예를 들면 재귀반사 시트(미국 특허 제5,450,235호; 동제5,614,286호; 및 동제5,691,846호에 개시됨), 광학 보안 물품(미국 특허 제5,743,981호에 개시됨), 홀로그램용과 같은 회절 격자(미국 특허 제4,856,857호에 개시됨), 미세구조 마모 입자(미국 특허 제5,672,097호에 개시됨)로서, 또는 기타 그러한 분야에 유용할 수 있다.
도 4는 미국 특허 제3,700,478호; 동제3,700,305호; 동제4,648,932호; 동제4,763,985호에 개시된 것과 같은 재귀반사 시트일 수 있는 미세구조 물품(30)을 도시한다. 물품(30)은 미소구(36)와 같은 광학 부재의 층이 그 위에 부착된 기재(32)를 포함한다. 미소구(36)는 프로파일 보존 코팅(34)을 가지며, 백킹(35)(또한, 통상적으로 결합제 층으로 칭한다)에 부분적으로 매립되어 있다. 코팅(34)의 두께 T는 미소구(36)의 직경 D보다 훨씬 작아서 코팅이 구체(36)의 굴곡 프로파일을 실질적으로 보존할 수 있다. 구체가 캐리어 필름(도시하지 않음) 상에 있는 경우, 코팅(34)을 미소구(36)에 도포한 후 백킹을 구체 상의 코팅 위에 도포할 수 있다. 그 후, 캐리어 필름을 제거하여 도 4에 도시된 구조물을 제공한다.
전술한 특허들 및 동시 출원되고 동시 계류중인 미국 특허 출원 09/259,100호(대리인 번호 54701USA4A, 발명의 명칭 "중합체 다층 반사 코팅을 갖춘 재귀반사 물품")에 기재된 바와 같이, 도 4의 구조물은, 예를 들면 도로 표지 또는 기타 그러한 분야용 재귀반사 시트로서 유용할 수 있다. 재귀반사용의 경우, 미소구 아래의 코팅은 고반사성이어야 한다. 금속 코팅 또는 다층 금속 산화물 유전체 코팅을 미소구 상에 반사 코팅으로서 도포할 수 있지만, 이러한 유형의 코팅은 시간의 경과에 따라서 부식되어 반사성을 손실할 수 있다. 하기 예시적인 실시예에서 더 상세하게 설명하겠지만, 본 발명은 미소구 구조물의 프로파일을 보존하고, 또한 광, 특히 가시광에 대해 고반사성인 표면을 제공하기 위하여 미소구 아래에 다층 중합체 코팅을 제공하는 데 사용할 수 있다.
프로파일 보존 중합체 코팅을 갖춘 미세구조 기재는 여러 가지 목적을 위해 사용할 수 있다. 예를 들면, 하기 실시예에 예시된 바와 같이, 미소구의 층은 프로파일 보존 중합체 층으로 코팅되어 미국 특허 제4,763,985호 및 동제4,648,932호에 개시된 바와 같은 내장형 렌즈 재귀반사 비드 시트를 위해 미소구 및 반사층 간의 스페이스 코팅 역할을 할 수 있다. 유사하게, 프로파일 보존 중합체 코팅은 미소구의 층에 배치된 중간층으로서 또는 재귀반사 시트 내 반사층으로서 사용할 수 있다. 예를 들면, 프로파일 보존 층은 미국 특허 제5,812,317호에 개시된 중간층 또는 반사층(또는 양자 모두)을 대체하여 사용할 수 있다. 또한, 프로파일 보존 중합체 코팅은 동시 출원되고 동시 계류중인 미국 특허 출원 09/259,100호(대리인 번호 54701USA4A, 발명의 명칭 "중합체 다층 반사 코팅을 갖춘 재귀 반사 물품")에 개시된 바와 같이 미세구조 물품 상에 반사 코팅을 형성시키기 위해 다층 스택에 사용할 수 있다.
발명의 개요
전술한 바와 같이, 현재의 기술로 금속, 세라믹, 유기 분자 또는 플라즈마 중합화 층을 가진 코팅을 생성할 수 있다. 공지의 기술로 임의의 코팅을 임의의 기재에 도포할 수 있는 반면에, 일반적으로 그러한 방법들은 부착할 수 있는 재료의 범위와 코팅의 화학 조성의 조절 가능성 면에서 제한된다. 실제로, 이들 방법은 일반적으로, 조절된 화학 물질을 갖거나 및/또는 미세구조 프로파일을 보존하는 미세구조면 상에 경화된 중합체 코팅을 생성하는 데 적절한 것으로 알려지지 않았다. 전술한 기술이 편평한 표면 또는 거시적인 윤곽을 가진 기재를 코팅하는 데 대체로 적절하지만, 이들은 물리적 미세구조를 유지할 수 없으므로 미세구조 프로파일을 가진 기재를 코팅하는 데 이들이 특별히 적절한 것은 아니다.
어떤 기재들은 평활하고 평탄한 표면보다는 특정한 표면 미세구조를 가진다. 보통, 미세구조면은 광학적 성질, 기계적 성질, 물리적 성질, 생물학적 성질 또는 전기적 성질과 같이, 기재에 대해 임의의 유용한 성질을 제공하는 데 사용된다. 여러 경우에서, 내재하는 미세구조면 프로파일의 이점을 유지하면서 기재 성질을 변경하기 위해 미세구조면을 코팅하는 것이 요망된다. 그러므로, 그러한 코팅은 미세구조면의 특성 치수에 비하여 대체로 얇다. 전술한 박막 코팅법 중에서, 소수의 방법만이 내재하는 물리적 미세구조면 프로파일을 유지하는 방식으로 균일하고 얇은 코팅을 미세구조면에 부착시킬 수 있다.
본 발명은 미세구조면을 중합체로 코팅하는 신규한 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 (a) 단량체 또는 예비중합체를 함유하는 기화 액상 조성물을 미세구조면에 응축시켜서 경화성 전구체 코팅을 형성하는 단계; 및 (b) 미세구조면 상에서 전구체 코팅을 경화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 방법은, 기화 액상 조성물을 미세구조면에 응축시켜서 경화성 코팅을 제공하고, 미세구조면 상에서 경화시키는 점에서 미세구조면의 공지의 코팅 방법과 상이하다. 본 발명의 방법은 내재하는 기재의 미세구조 프로파일을 보존하는 중합체 코팅을 생성할 수 있다. 미세구조 물품을 코팅하는 공지의 방법은 용액 또는 분산액으로부터 반응성 액체 재료를 코팅하고, 전체 분자를 승화시키거나, 또는 원자 및/또는 분자 단편을 부착시키는 단계를 수반하였다. 이러한 공지의 기술들은 내재하는 미세구조 기재의 프로파일을 보존하고, 화학 조성이 조절된 중합체 코팅을 제공하는 것으로 알려지지는 않았다.
이와 같이, 본 발명의 방법으로부터 생성될 수 있는 생성물은 공지의 미세구조 물품과는 상이하다. 따라서, 본 발명은 또한, 미세구조면 상에 배치된 프로파일 보존 중합체 코팅을 가진 미세구조면을 갖춘 물품을 제공한다. 중합체 코팅은 미세구조면의 프로파일을 제공할 뿐만 아니라, 화학 조성을 조절한다. 그러므로, 중합체 코팅은 조절된 화학 조성을 가진다. 대안의 구체예에서, 미세구조 기재는 다중프로파일 보존 코팅을 가져서 다층 코팅을 형성하도록 코팅할 수 있다.
본 발명은 미세구조 프로파일을 유지하고, 조절된 화학 조성을 가진 코팅을 얻을 수 있도록 미세구조면에 광범위한 중합체 형성 재료를 코팅할 수 있는 능력을 제공한다. 따라서, 이러한 점은 원래의 표면의 구조 성질에 악영향을 미치지 않으면서 미세구조 기재의 표면 성질을 변경(즉, 코팅의 표면 성질로 대체하거나 향상)시킬 수 있게 한다. 또한, 미세구조 기재의 프로파일에 악영향을 미치지 않으면서, 광학적 성질, 전기적 성질, 릴리즈 성질, 생물학적 성질 및 기타 그러한 성질과 같은 하나 이상의 표면 성질에 더 영향을 주기 위하여 동일하거나 상이한 재료의 다중 프로파일 보존 코팅을 부착할 수 있다.
소정의 제조 기술 뿐만 아니라 최종 용도는 미세구조 기재를 형성하는 데 사용될 수 있는 재료의 범위를 한정시킬 수 있다. 따라서, 미세구조 물품을 즉시 제조하여 소정의 미세구조 성질을 얻을 수 있는 반면에, 미세구조 물품의 표면은 바람직하지 않은(또는 최적 이하의) 물리적 성질, 화학적 성질, 전기적 성질, 광학적 성질, 생물학적 성질 또는 기타 표면 성질을 가질 수도 있다.
본 발명은 기재의 미세구조 프로파일을 여전히 유지하면서도 종래 수단에 의해서는 달리 얻을 수 없는 매우 다양한 표면 성질을 가진 미세구조 기재를 제공할 수 있다. 본 발명에 따라서 미세구조면에 프로파일 보존 중합체 코팅을 부착시킴으로써, 미세구조면의 다양한 물리적 성질, 광학적 성질 또는 화학적 성질 중 하나 이상을 변경하거나, 또는 향상시키면서 미세구조 기재의 구조 성질을 유지할 수 있다. 또한, 본 발명의 프로파일 보존 중합체 코팅은 조절된 화학 조성을 가지며, 이것은 소정의 기재 면적에 걸쳐서 표면 성질을 균일하게 하고 유지시키는 것을 돕는다.
본 발명의 상기 및 기타 이점들은 본 발명의 도면과 상세한 설명에 보다 완전하게 도시하고 기재한다. 그러나, 상세한 설명과 도면은 예시를 목적으로 하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범주를 부당하게 한정하는 방식으로 이해해서는 안됨을 알아야 한다.
용어
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 하기 용어들은 하기 정의를 가진다:
"응축"은 재료가 표면 상에서 액체 또는 고체 상태로 있도록 기상 재료를 표면 상에 모으는 것을 의미한다.
"조절된 화학 조성"은, 예를 들면 첨가 반응, 축합 반응 및/또는 개환 반응에 의해 연결된 단량체 단위를 특징으로 하는 사전 결정된 국소 화학 조성을 가진 중합체 코팅으로 정의되며, 그것의 화학 조성은 평균 코팅 두께의 수 배 이상의 배수와 동일한 측면 거리에 대해 사전 결정되고, 여기서, 다음 의미들은 다음과 같이 정의한다: "사전 결정된"은 코팅을 제조하기 전에 알 수 있는 것을 의미하고; "측면"은 두께 방향에 직각인 모든 방향으로 정의하며; "두께 방향"은 그 위치에서 내재하는 표면 프로파일에 수직인 방향으로서 코팅 상의 임의의 소정 위치로 규정한다.
"경화"는 중합체를 형성하는 단량체 및/또는 소중합체 단위의 연결을 유발하는 과정을 의미한다.
표면을 설명하는 데 사용되는 경우의 "형상(feature)"은 표면의 인접부 위에 생긴 지주, 늑재, 피크, 미소구 부분 또는 그러한 기타 돌출부와 같은 구조, 또는 표면의 인접부 아래로 함몰된 홈, 채널, 밸리, 웰, 노치, 구멍 또는 그러한 기타 오목부와 같은 구조를 의미한다. 형상의 "크기" 또는 "치수"는 그것의 특징적인 너비, 깊이, 높이 또는 길이를 포함한다. 미세구조면 프로파일의 여러 치수 중에서, "관심 대상의 최소 특성 치수"는 본 발명에 따른 프로파일 보존 중합체 코팅에 의해 보존하고자 하는 미세구조 프로파일의 최소 치수를 가리킨다.
"미세구조 기재"는 국소 최소치와 최대치를 특징으로 하는 프로파일을 형성하는 소정의 복수개의 형상을 가진 하나 이상의 표면을 갖춘 기재를 의미하며, 인접하는 국소 최소치 및/또는 최대치 간의 이격은 약 1 ㎛ 내지 약 1000 ㎛이다. 표면 상의 두 지점 간의 이격은 관심 대상의 임의의 방향에서 지점들 간의 거리를 말한다.
"단량체"란, 그 자체, 또는 다른 단량체 또는 소중합체와 조합하여 다른 소중합체 또는 중합체를 형성할 수 있는 단일의 한 개의 단위 분자를 말한다.
"소중합체"란, 2 개 이상의 단량체의 조합이지만, 중합체로 여기기에는 충분히 크지 않을 수 있는 화합물을 말한다.
"중합체"란, 규칙적으로 또는 불규칙적으로 배열된 다중 탄소 함유 단량체 및/또는 소중합체 단위를 가진 유기 분자를 말한다. 본 발명에 따라서 제조된 중합체 코팅은 중합체 코팅의 화학 구조의 적어도 일부가 반복 단위를 갖도록 축합된 단량체 및/또는 소중합체를 함께 연결함으로써 제조된다.
"예비중합체"는 표면 상에서 물리적으로 축합되고 연결되어 중합체 코팅을 형성할 수 있는 단량체, 소중합체 및 그것의 혼합물 또는 조합물을 포함한다.
"전구체 코팅"은 경화시 중합체 코팅이 될 수 있는 경화성 코팅을 의미한다.
"프로파일 보존 코팅"은 코팅의 외부 프로파일이 약 0.5 ㎛ 이상의 형상 치수에 대해서는 내재하는 표면의 프로파일과 실질적으로 부합하고, 약 0.5 ㎛ 미만의 형상 치수에 대해서는 내재하는 표면의 프로파일을 평탄화하는, 표면 상의 코팅을 의미하며, 여기서, "실질적으로 부합하다"는 약 15% 이하의 표면 프로파일 편차를 포함하는데, 즉 코팅 후 표면 프로파일의 각각의 치수(예컨대, 길이, 너비 및 높이)가 코팅 전 해당 치수의 약 15% 이하로 변화되는 것이다. 다층 스택을 포함하는 프로파일 보존 코팅의 경우, 다층 스택의 하나 이상의 층은 프로파일 코팅이다.
용어 "단량체", "소중합체" 또는 "예비중합체"를 한정하여 사용되는 경우, "증기"는 기상의 단량체, 소중합체 또는 예비중합체 분자를 의미한다.
본 발명의 이점 및 목적은 하기 실시예에서 더 설명하기로 한다. 그러나, 실시예가 이 목적을 제공하지만, 실시예에 인용된 특정 성분과 사용량 및 기타 조건들은 본 발명의 범주를 부당하게 한정하는 방식으로 해석해서는 안된다는 것을 이해해야 한다. 개시를 위해 선택된 실시예는 본 발명의 다양한 구체예를 어떻게 제조하는 지, 그리고 그러한 구체예를 일반적으로 어떻게 실행하는 지에 대한 예시일 뿐이다.
실시예 1
본 실시예에서, 도 4에 도시된 물품(30)과 유사하게 구성된 물품을 제조하였다. 이 물품을 생성하기 위하여, 히드록실기를 통해 실질적인 열경화성 상태로 가교 결합된 폴리비닐 부티랄 수지의 표면에 부분적으로 그리고 임시적으로 매립된 유리 미소구(약 60 ㎛의 평균 직경 및 2.26의 굴절률)의 단층을 가진 임시 캐리어 시트를 제공하였다. 폴리비닐 부티랄 수지는 종이 캐리어 라이너 상의 가소화된 폴리염화비닐 코팅에 의해 지지되어 있다. 이러한 베이스 재료의 미세구조 시트를 광각평정(wide-angle-flat-top; WAFT) 비드코트라고 하였다.
WAFT 비드코트의 샘플을 미국 특허 제4,842,893호에 개시된 바와 같은 단량체 증착 장치의 냉각 강 드럼에 테이핑하였다. 상기 장치로 플래쉬 증발 공정을 이용하여 예비중합체 증기를 생성하였으며, 증기 코팅 다이를 사용하여 코팅하였다. 증기 코팅 다이는 코팅 재료를 WAFT 비드코트로 이동시켰다. WAFT 비드코트를 드럼에 장착하고, 이를 회전시켜서 기재를 플라즈마 처리기, 증기 코팅 다이 및 전자 빔 경화 헤드의 순서로 노출시켰다. 부착은 증기 챔버 내에서 이루어졌다. 증기 코팅 다이는 드럼에 장착된 기재의 약 30.5 cm 너비를 코팅하도록 설계되었다. 미세구조 WAFT 비드코트 재료는 30.5 cm 너비였으며, 증기 코팅 다이로 정렬시켜서 기재 너비의 28 cm 이상과 약 2.5 cm 너비의 금속 드럼 상의 협측 밴드를 코팅하였다. 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트를 증발시키고, 냉각 강 드럼을 -30℃로 유지시키면서 미세구조 WAFT 비드코트 샘플 상에 응축시켰다. 드럼 상의 샘플을 38 m/분의 속도로 플라즈마 처리기, 증발 코팅 다이 및 전자 빔 경화 헤드를 통해 이동시켰다. 570 ㎖/분의 질소 기류를 2000 와트 플라즈마 처리기에 공급하였다. 실온의 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트 액류는 9 ㎖/분이었다. 단량체 증발기 스택을 290℃로 유지시켰다. 증발 코팅 다이는 275℃로 유지시켰다. 진공 챔버압은 4.8 ×10-4Torr였다. 전자 빔 경화 건은 10 kV의 가속 전압과 9 내지 12 밀리암페어 전류를 사용하였다.
단량체 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트를 공급하고 샘플의 20 회 회전 동안 경화시켰으며, 각각의 회전에서 대략 0.5 ㎛의 단량체가 부착되고 경화되었다(20 회 회전 후, 대략 총 두께 10 ㎛). 미세구조 WAFT 비드코트 샘플 상의 코팅 두께를 평가하기 위하여, 노출된 평탄한 금속 드럼의 협측 밴드로 코팅하고 경화시킨 폴리트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트를 제거하여 두께가 10.5 ㎛로 측정되었다. 미세구조 WAFT 비드코트 상의 코팅 두께는 현미경 사진으로 평가한 결과, 대략 10 ㎛였다.
후술되는 바와 같이, 미소구를 연속해서 알루미늄 반사체 층과 감압성 접착제 층으로 코팅한 후, 임시 캐리어로부터 제거하여 도 4에 도시된 것과 같은 물품을 제조하였다.
실시예 2
실시예 1에 기재된 바와 같이, 미세구조 WAFT 비드코트의 다른 시험편을 실시예 1에서 사용한 장치의 냉각 강 드럼에 테이핑하였다. 단량체로서, 트리스(2-히드록시에틸)이소시아누레이트 트리아크릴레이트와 트리메틸올 프로판 트리아크릴레이트의 50/50 중량비 혼합물을 실시예 1과 동일한 조건 하에서 사용하였으나, 단, 이 단량체 혼합물을 80℃로 가열하고, 플라즈마 동력을 1900 와트로 하였으며, 챔버 진공은 4.5 ×10-4Torr였다. 부착된 중합체 두께는 대략 6 ㎛로 평가되었다. 이것은 실시예 2에서 사용된 분자량이 더 큰 단량체의 혼합물에 비하여 분자량이 더 낮은 단량체를 사용한 실시예 1의 것보다 더 얇았다.
알루미늄 금속을 벨 자(bell jar) 증기 코터 내에서, 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 중합체 코팅 위에 부착하여 내장형 렌즈 재귀반사 시트용 광학 장치를 모두 갖춘 금속 반사층을 형성하였다. 알루미늄 코팅을 적용한 후, 감압성 접착제의 층을 코팅된 미소구 상에 적층하고, 임시 캐리어 시트를 미소구로부터 제거하였다. 이 시점에서, 보호 오버코트를, 임시 캐리어를 제거함으로써 노출된 미소구 부분에 임의로 도포하여 도 5에 도시된 바와 같은 물품(40)을 형성할 수 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 내장형 렌즈 재귀반사 시트(40)는 결합제 층(35)에 매립된 미소구(36)의 층을 포함할 수 있으며, 중합체 코팅(34)(실시예 1 및 실시예 2에서 부착된 것과 같음)은 미소구 상에 배치되고, 반사 코팅(38)(알루미늄 또는 기타 반사 금속)은 중합체 코팅과 결합제층 사이에 배치된다. 일부 응용 분야에서, 중합체 코팅(34)은, 보호 오버코트(39)에 의해 야기된 광 굴절을 상쇄하는 스페이스 코트 역할을 한다. 도 6은 도 5에 나타낸 바와 같은 영역(6)의 확대도를 도시한다. 확대도에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 및 실시예 2에 부착된 것과 같은 코팅(34)은 프로파일 보존 코팅일 수 있다.
실시예 1과 실시예 2를 비교하면, 재귀반사 시트 형성에서의 시트는 미국 미네소타주 세인트 폴에 소재하는 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링 컴파니(3M)에서 상표명 3M SCOTCHLITE 가요성 반사 시트 #580-10으로 시판되는 것을 사용하였다. 표준화된 테스트 ASTM E 810에 따라서 선택된 입사각에서 입사 후 각각의 샘플에서 재귀반사된 광의 강도를 측정함으로써 실시예 1 및 실시예 2와 비교예에 대해 재귀반사 성능을 측정하였다. 결과를 표 I에 나타낸다.
재귀반사된 광은 반사되어 광원으로 되돌아오며, 광원과 관찰자의 눈의 위치차로 인한 작은 관찰각에 의해 상쇄되는 광이다. 이러한 측정의 경우 관찰각을 0.2°에서 일정하게 유지시켰다. 입사각은 표면 상에 입사되는 광선과 입사 지점에서 표면에 직각인 선 간의 각이다. 입사각은 표 I에 나타내었다. 일반적으로, 입사각 범위에 걸쳐서 광을 재귀반사시키는 재귀반사 시트의 능력은 재귀반사 시트의 향사도(angularity)로 언급된다. 양호한 향사도를 가진 WAFT 시트의 경우, 중합체 코팅(또는 스페이스 코팅)과 금속 Al 코팅(또는 기타 반사체 코트)은 미소구의 굴곡 프로파일을 보존해야 한다.
여러 입사각에서의 재귀반사도(광도/피트 촉광/평방 피트 = 칸델라/룩스/평방 미터)
실시예 입사각
-4°또는 5° 40° 50°
1 136.6 45.4 15.3
2 41.7 15.8 5.6
비교예 103.5 31.3 12.4
표 I에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1은 시판되는 샘플에 필적하는 우수한 명도와 향사도를 가졌다. 용제계 공정을 이용하여 스페이스 코트를 제공하는 실시예 2는 적정한 성능을 나타내었지만, 실시예 1과 시판되는 비교용 샘플에 비해 다소 낮게 측정되었다. 용제계 스페이스 코트의 지식에 기초하여, 실시예 2가 양호한 명도에 요망되는 것보다 낮은 스페이스 코트 두께를 가진 반면에, 실시예 1은 60 ㎛ 직경의 미소구에 대해 약 12 ㎛의 최적 스페이스 코트 두께에 근접하는 것으로 밝혀졌다.
실시예 3
평균 직경이 40 내지 90 ㎛이고 굴절률이 1.93인 유리 미소구를, 비드코트 캐리어로서 언급되는 미세구조 기재를 형성하는 임시 캐리어 시트에 부분적으로 매립하였다. 비드코트 캐리어를 실시예 1에 기재된 단량체 증기 코팅 장치의 냉각 강 드럼에 테이핑하였다. 국제 공개 공보 WO 98/50805 A1(미국 특허 출원 08/853,998호에 대응함)에 기재된 바와 같은 2차 부틸(디브로모페닐 아크릴레이트)(SBBPA)와 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트(TRPGDA)의 교대층을 증발시키고, 냉각 강 드럼을 -30℃에서 유지시키면서 비드코트 캐리어 상에 응축시켰다. 드럼을 38 m/분의 속도로 회전시켜서 샘플을 플라즈마 처리기, 증기 코팅 다이 및 전자 빔 경화 헤드에 통과시켰다. 570 ㎖/분의 질소 기류를 2000 W 플라즈마 처리기에 가하였다. 실온의 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트 액류는 1.2 ㎖/분이었고, 가열된 SBBPA 액류는 1.1 ㎖/분이었다. 단량체 증발기 스택을 295℃에서 유지시켰으며, 증발 코팅 다이는 285℃였다. 진공 챔버압은 2.2 ×10-4Torr였다. 전자 빔 경화 건은 7.5 kV의 가속 전압과 6 밀리암페어의 전류를 사용하였다. 1회 드럼 회전 동안 단량체 펌프의 SBBPA 단량체 유동 밸브를 개방한 다음, SBBPA 단량체 유동 밸브를 폐쇄하고, 다음 회전 동안 TRPGDA 단량체 유동 밸브를 동시에 개방함으로써 교대층을 도포하였다. 이것을 60 개의 교대층을 위해 반복하였으며, 각각의 층은 다음 층을 부착하기 전에 경화시켰다. 60 개의 교대층으로 코팅된 비드코트 캐리어를, 미국 매사츄세츠주 댄버스에 소재하는 ITW 데브콘에서 상표명 POLYSTRATE 5-MINUTE EPOXY로 시판되는 급속 경화형 범용 에폭시 접착제 약 0.7 mm로 코팅하였다. 비드코트를 박리하여 표면 상의 미소구의 일부를 노출시키기 1 시간 전에 주위 조건 하에서 에폭시를 경화시켰다.
비교용으로서, 유리 미소구를 비드코트 캐리어에 삽입하고, 증착층 없이 동일한 에폭시의 약 0.7 mm로 미소구에 코팅하였다. 1 시간 동안 에폭시를 경화시킨 후, 캐리어 필름을 박리하였다. 실시예 3과 비교예의 재귀반사도를 파장의 함수로서 400 nm 내지 800 nm의 파장을 가진 가시광에 대해 측정하였다. 실시예 3은 파장 범위에 걸쳐서 약 2.5% 내지 3.5% 반사율을 가진 반면에, 미소구 상의 다층 코팅이 없는 비교용 샘플은 그 범위에 걸쳐서 약 1.5% 반사율을 가졌다. 이것은 다층 증기 코팅이 반사성이라는 것을 나타내었다.
실시예 4
평균 직경이 40 내지 90 ㎛이고 굴절률이 1.93인 유리 미소구를 임시 캐리어 시트에 부분적으로 매립하였다. 임시 캐리어 시트를 증기 코트 캐리어로 지칭한다. 알루미늄 분광 반사층을 미소구의 노출된 부분에 도포하여 재귀반사 부재를 얻었다. 금속화 증기코트 캐리어/미소구 층을, 0.15 mm 갭을 사용하고, 노치 바 코팅에 의해 하기 성분(중량부)의 에멀션으로 코팅하였다:
39.42 중량부 Rhoplex HA-8(롬 앤드 하스 컴파니)
2.06 중량부 Acrysol ASE-60(롬 앤드 하스 컴파니)
0.23 중량부 Nopco DF160-L(다이아몬드 샴록 컴파니), 물로 50% 희석시킴
0.47 중량부 질산암모늄(물로 희석시킴, 10.6 부 물, 90.4 부 질산암모늄)
0.31 중량부 수산화암모늄(28-30% wt/wt 수용액)
1.96 중량부 Z-6040(다우 케미컬 컴파니)
2 중량부 Aerotex M-3(아메리칸 시아나미드 컴파니)
55.55 중량부 물.
재료를 약 5 분 동안 105℃ 오븐 내에서 경화시켰다. 0.1 mm 미만의 두께의 코로나 처리된 에틸렌 아크릴산 공중합체의 필름(미국 텍사스주 댈라스에 소재하는콘솔리데이티드 서모플라스틱스 컴파니에서 상표명 LEA-90으로 시판됨)을 코팅되고 금속화된 증기 코트 캐리어에 적층하였다. 그 다음, 증기 코트 캐리어를 박리하여 기재 표면 상의 미소구를 노출시켰다.
노출된 유리 미소구 미세구조 기재를 국제 출원 US98/24230호(미국 특허 출원 08/980,947호에 대응함) 및 US98/22953호(미국 특허 출원 08/980,948호에 대응함)에 기재된 방법과 장치에 의해 롤 대 롤 코팅 시스템에서 대기압 하에 단량체 증착함으로써 코팅하였다. 액체 스트림을 미세구조 기재의 노출된 미소구에 분무하고, 기화시켰으며, 응축시키고, 중합하였다. 이것은 다음과 같이 행해졌다. 표준압에서 비점이 295℃인 1,6-헥산디올 디아크릴레이트 7.08 중량부와 100 mmHg(1400 Pa)에서 비점이 100℃인 퍼플루오로옥틸아크릴레이트(미국 미네소타주 세인트 폴에 소재하는 3M 컴파니에서 상표명 FC 5165로 시판됨) 60.0 중량부의 용액으로 구성된 액체 스트림을 주사기 펌프(미국 매사츄세츠주 홀리스톤에 소재하는 하바드 어패러터스사에서 상표명 모델 55-2222로 시판됨)로, 국제 출원 US98/24230호(미국 특허 출원 08/980,947호에 대응함) 및 US98/22953호(미국 특허 출원 08/980,948호에 대응함)에 기재된 것과 같은 분무 노즐을 통해 이송하였다. 0.35 mPa(34 Psi)의 기체 스트림(저온 질소, 미국 미네소타주 인버 그로브 하이츠에 소재하는 프락세어 컴파니에서 시판함)을 152℃로 가열하고, 분무 노즐을 통과시켰다. 액체 유속은 0.5 ㎖/분이고, 기체 스트림 유속은 26.1 ℓ/분(표준 온도 및 압력, 또는 "STP")이었다. 액체 스트림과 기체 스트림 모두를, 국제 출원 US98/24230호(미국 특허 출원 08/980,947호에 대응함) 및 US98/22953호(미국 특허 출원 08/980,948호에 대응함)에 기재된 것과 같은 별도의 채널을 따라 노즐을 통과시켰다. 기체 스트림은 환상 오리피스에서 유출되어 노즐 단부로부터 3.2 mm에 위치하는 중앙 선단으로 이동하였다. 그 위치에서 기체 스트림은 중심 액체 스트림과 충돌하였다. 이로써 액체 스트림을 분무화하여 기체 스트림 내에 액적 안개를 형성하였다. 그 다음, 기체 스트림 내에 분무화된 액적은, 유체가 증기 이송 챔버를 통해 이동할 때 신속하게 기화된다. 증기 이송 챔버는 두 개의 부분, 즉 직경이 10 cm이고 길이가 64 cm인 유리관과, 직경이 10 cm이고 길이가 10 cm인 알루미늄관을 구비하였다. 유리관과 알루미늄관의 일단으로 대략 16 mm 연장된 노즐의 출구 단부는 유리관의 타단에 연결되었다. 증기 이송 챔버 벽 상에서 증기 응축을 방지하기 위하여 관의 외부 주위를 감싸는 가열 테이프와 밴드 히터를 사용하여 유리관과 알루미늄관을 가열하였다.
증기 및 기체 혼합물은 알루미늄관의 단부에서 증기 코팅 다이로부터 유출되었다. 증기 코팅 다이의 출구는 길이가 25 cm이고 너비가 1.6 mm인 슬롯이었다. 증기 및 기체 혼합물의 온도는 증기 코팅 다이의 출구에서 3 cm 앞의 위치에서 120℃였다. 기재 이동 속도를 2.0 m/분으로 조절한 기계식 구동 시스템에 의해 기재를 증기 코팅 다이에 통과시켜서 냉각 금속 드럼으로 이송하였다. 증기 코팅 다이와 냉각 드럼의 간격은 1.75 mm였다. 기체 내 증기 및 증기 혼합물을 필름에 응축시켜서 습윤 코팅의 스트립을 형성하였다.
코팅 직후, 기재가 냉각 드럼 상에 있는 동안, 코팅된 필름을 질소 대기 하에 222 nm 단색광 자외선 램프 시스템(독일에 소재하는 헤로이스 컴파니에서 상표명 Nobelight Excimer Labor System 222로 시판됨)에 통과시킴으로써 단량체 코팅을 자유 라디칼 중합하였다. 램프의 조사량은 100 mW/㎠이었다.
실시예 5
단량체 증착 중의 기재 속도가 4.0 m/분이고, 입구 기체 온도가 146℃였던 점을 제외하고는 실시예 4에 따라서 기재 및 코팅 공정을 실행하였다.
실시예 6
단량체 증착 전에, 기재를 1.3 J/㎠의 정규화 코로나 에너지 및 300 와트 동력, 그리고 54 ℓ/분의 질소의 전극 통과 유속으로 질소 코로나 처리하였다. 활성 길이가 35 cm인, 영국에 소재하는 셔먼 트리터스 리미티드에서 구입한 세 개의 세라믹관 전극을 나금속 접지 롤과 함께 사용하였다. 코로나 동력원은 미국 뉴욕주 로체스터에 소재하는 ENI 파워 시스템에서 구입한 모델 RS-48B 표면 처리기였다. 코로나 처리, 단량체 증착 및 경화의 차후 단계 중의 속도는 4.0 m/분이고, 입구 기체 온도는 140℃였다.
실시예 4 내지 실시예 6의 재귀반사도와 Al 코팅된 대조 샘플을 실시예 1에 대해 기재한 바와 같이 측정하였다. 결과를 표 II에 나타낸다. 표 II로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 4 내지 실시예 6은, 특히 더 큰 입사각에 대해서 Al 코팅된 대조 샘플에 비해 재귀반사도가 개선되었다.
여러 입사각에서의 재귀반사도(광도/피트 촉광/평방 피트 = 칸델라/룩스/평방 미터)
실시예 입사각
-4° 50°
대조 575 127
4 592 129
5 603 145
6 601 153
실시예 7
미국 미네소타주 세인트 폴에 소재하는 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링에서 상표명 3M OPTICAL LIGHTING FILM(OLF) #2301로 시판되는 광학 필름 시편을 단량체 증착 장치의 냉각 강 드럼에 테이핑하고, 실시예 1에서와 같이 단량체 증기 코팅하였다. OLF는 일면 상에 일련의 미세구조 V형 홈과 피크를 가지며, 타면은 평탄하다. 통상적으로, 이 필름은 광 분포를 관리하기 위해 전자 디스플레이에 사용된다. V형 홈 구조는 높이가 약 178 ㎛이고, 피크 대 피크 간격이 356 ㎛이다. "V"각은 피크와 밸리에서 90°이다. 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트를 증발시키고, -30℃로 유지시킨 냉각 강 드럼으로 OLF 샘플의 홈이 있는 면에 응축시켰다. 드럼 상의 샘플을 38 m/분의 속도로 플라즈마 처리기, 증기 코팅 다이 및 전자 빔 경화 헤드에 통과시켰다. 570 ㎖/분의 질소 기류를 2000 와트 플라즈마 처리기에 적용하였다. 실온의 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트 액체 유속은 9 ㎖/분이었다. 단량체 증발기 스택을 290℃로 유지시켰으며, 증기 코팅 다이는 275℃였다. 진공 챔버압은 4.8 ×10-4Torr였다. 전자 빔 경화 건은 10 kV의 가속 전압과 9 내지 12 밀리암페어의 전류를 사용하였다. 단량체 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트를 도포하고, 샘플의 20 회 회전 중에 경화시켰으며, 각각의 회전 중에 대략 0.5 ㎛가 드럼 상에 부착되었다. 그러나, 1 ㎛의 총 두께가 OLF 상에서 측정되었다. 드럼(10 ㎛)과 OLF(1 ㎛) 상의 두께차는 OLF 샘플과 드럼 간의 불량한 열 전달로 인하여 드럼에 비해 OLF 샘플이 덜 냉각된 것으로 추정된다.
도 7은 피크(56) 근방의 코팅된 OLF 샘플(50) 부분의 디지털 재생 주사 전자 현미경 사진을 나타낸다. 화상을 확대하여 OLF 기재 상의 단일 형상의 상단의 약 10%를 나타낸다. OLF 기재(52)는 프로파일 보존 코팅(54)을 갖추었으며, 샘플 주위를 경화시킨 다음, 마이크로톰을 사용하여 절단한 것을 에폭시(55)로 싼 후 조영하였다. 에폭시로 싸인 절단면을 연마하고 조영하여 도 7에 나타낸 현미경 사진을 얻었다. 도 7에서 6 ㎛ 스케일로 나타낸 바와 같이, 코팅(54)의 두께 T는 약 1 ㎛이었다. 코팅은 피크(56) 주변의 부위에서 두께가 더 작지만, 코팅된 OLF의 전체 프로파일은 내재하는 OLF 프로파일에 3% 이내로 부합하였다. OLF 기재(52)와 코팅(54) 사이의 어두운 밴드는 연마 단계 중에 코팅의 부분 박리를 나타낸다.
실시예 8
실시예 7에서 사용된 바와 같은 OLF 시트를 38 m/분의 속도로 설정된 롤 대 롤로 실시예 1에 기재된 장치를 통과시켜 이송하였다. 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트를 증발시키고, -30℃의 냉각 강 드럼으로 OLF 샘플의 홈이 있는 면에 응축시켰다. OLF 웹을 38 m/분의 속도로 플라즈마 처리기, 증기 코팅 다이 및 전자 빔 경화 헤드를 통과시켰다. 570 ㎖/분의 질소 기류를 2000 와트 플라즈마 처리기에 적용하였다. 실온의 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트 액체 유속은 18 ㎖/분이었다. 단량체 증발기 스택을 290℃로 유지시켰으며, 증기 코팅 다이는 275℃였다. 진공 챔버압은 4.8 ×10-4Torr였다. 전자 빔 경화 건은 12 내지 15 kV의 가속 전압과 9 내지 12 밀리암페어의 전류를 사용하였다. 이들 조건 하에서, 폴리트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트의 대략 0.6 ㎛ 두께의 층이 OLF 샘플의 미세구조 면에 부착되었다.
도 8은 밸리(66) 근방의 코팅된 OLF 샘플(60) 부분의 디지털 재생 주사 전자 현미경 사진을 나타낸다. 화상을 확대하여 밸리(66)에서 OLF 기재 상의 두 개의 형상의 교점의 하단 약 20%를 나타낸다. OLF 기재(62)는 프로파일 보존 코팅(64)을 갖추었으며, 샘플 주위를 경화시킨 다음, 마이크로톰을 사용하여 절단한 것을 에폭시(65)로 싼 후 조영하였다. 에폭시로 둘러싸인 절단면을 연마하고 조영하여 도 8에 나타낸 현미경 사진을 얻었다. 도 8에서 12 ㎛ 스케일로 나타낸 바와 같이, 코팅(64)의 두께 T는 약 0.6 ㎛이었다. 코팅은 OLF 기재(62)의 밸리(66)에 인접한 둥근 부분(68)을 가졌다. 코팅의 둥근 부분의 곡률은 밸리의 곡률보다 더 컸지만, 코팅된 OLF 샘플의 전체 프로파일은 내재하는 OLF에 면 길이의 1% 이내로 부합하였다. OLF 기재(62)와 코팅(64) 사이, 그리고 코팅(62)과 에폭시(65) 사이의 어두운 밴드는 연마 단계 중에 코팅의 부분 박리를 나타낸다.
실시예 7 및 실시예 8과 코팅되지 않은 OLF의 표면 거칠기를 간섭 측정법에 의해 분석하였다. 레이저 빔을 샘플 빔과 기준 빔으로 분할하고, 샘플 빔을 샘플의 표면에 반사시켰으며, (공지 거리를 횡단하는) 기준 빔과 샘플 빔 간의 상 차이를 검출함으로써 간섭 측정법으로 표면 형상의 높이를 측정하였다. 기준 빔이 횡단하는 거리를 소정 범위에 걸쳐 변경하여 다중 보강 간섭 및 상쇄 간섭 무늬를 검출한다. 이러한 방식으로 표면 높이의 차를 검출할 수 있다. 간섭계를 V형 홈의 면 중 하나에서 직접 볼 수 있도록 샘플을 45°기울였다. 표 III에 나타낸 바와 같이, Rq및 Ra는 표면 거칠기의 통계 측정치이며, 그 값이 클 수록 거칠기가 크다는 것을 가리킨다. Rq는 제곱 평균 제곱근 거칠기이고, 표면의 소정 지점의 높이와 표면의 평균 높이 간의 차의 제곱의 합계의 제곱근을 취하여 계산한다. Ra는 표면에 대한 평균 높이 편차이다. 표 III에 결과를 요약한다.
표면 거칠기(nm)
실시예 코팅 두께 Rq Ra
대조 코팅 안됨 23.54 nm 18.36 nm
7 1 ㎛ 21.73 nm 15.83 nm
8 0.6 ㎛ 13.17 nm 10.54 nm
표 III의 데이터로 실시예 7 및 실시예 8의 코팅된 OLF 표면이 코팅 전의 OLF 표면보다 더 평탄하다(Rq및 Ra값이 더 낮다)는 것을 나타낸다. 이 점은 또한 OLF 샘플 미세구조의 프로파일을 보존하는 실시예 7 및 실시예 8의 코팅이 미세구조의 면을 평탄화시켰다는 것을 가리킨다.
본 발명은 본 명세서에 상세하게 기재되지 않은 임의의 요소 없이도 적절하게 실시될 수 있다.
본 발명의 다양한 개량과 변형은 본 발명의 범주와 사상에서 벗어나지 않으면서 당업계의 숙련자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 청구 범위의 한정과 그에 대한 임의의 균등물로 규정될 것이다.

Claims (18)

  1. (a) 예비중합체 증기를 미세구조면에 응축시켜서 경화성 전구체 코팅을 형성하는 단계; 및
    (b) 미세구조면 상에 부착된 전구체 코팅을 경화시키는 단계
    를 포함하는 미세구조 코팅 물품의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단량체 또는 소중합체를 함유하는 액상 조성물을 기화시켜서 예비중합체 증기를 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 기화 단계는 액상 단량체 또는 액상 소중합체를 플래쉬 증발시키는 것을 포함하는 것인 방법.
  4. 제2항에 있어서, 액상 조성물의 기화 단계는 액상 조성물을 액적으로 분무화한 후, 액적을 기화시킴으로써 수행되는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 미세구조면의 선택 영역만을 단계 (a) 및 단계 (b) 중에 예비중합체 증기에 노출시키는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 경화 단계는 전구체 코팅을 방사선에 노출시키는 것을 포함하는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 응축 및 경화 단계는 교대 방식으로 다수회 수행하여 미세구조면 상에 다층 코팅을 형성하는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 예비중합체 증기는 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 아크릴아미드, 메타크릴아미드, 비닐 에테르, 말레에이트, 신나메이트, 스티렌, 올레핀, 비닐, 에폭시드, 실란, 멜라민, 히드록시 작용성 단량체 또는 소중합체, 또는 아미노 작용성 단량체 또는 소중합체를 함유하는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 전구체 코팅을 경화시키는 단계는 미세구조면 상에 프로파일 보존 중합체 코팅을 형성하는 것인 방법.
  10. 기재의 적어도 일부에 부착된 프로파일 보존 중합체 코팅을 갖추며, 상기 중합체 코팅은 조절된 화학 조성을 갖는 것인 물품.
  11. 제10항에 있어서, 프로파일 보존 코팅은 미세구조 기재 상에 배치된 코팅의 다층 스택 중 한 개의 층인 물품.
  12. 제11항에 있어서, 다층 스택의 하나 이상의 층은 무기 재료를 포함하는 것인물품.
  13. 제11항에 있어서, 코팅의 다층 스택의 각각의 층은 조절된 화학 조성을 가진 프로파일 보존 중합체 코팅인 것인 물품.
  14. 제13항에 있어서, 코팅의 다층 스택은 프로파일 보존 코팅인 것인 물품.
  15. 제10항에 있어서, 미세구조 기재는 평균 직경이 약 1 ㎛ 내지 500 ㎛인 미소구의 층을 포함하며, 상기 미소구는 베이스 필름에 매립되어 있는 것인 물품.
  16. 제15항에 있어서, 프로파일 보존 코팅은 미소구 층과 베이스 필름의 사이에 부착되는 것인 물품.
  17. 제10항에 있어서, 미세구조 기재는 다수의 V형 홈을 포함하는 것인 물품.
  18. 제10항에 있어서, 미세구조 기재는 다수의 피라미드형 돌출부를 포함하는 것인 물품.
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