WO2018100952A1 - 微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法及び転写用金型ロール - Google Patents

微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法及び転写用金型ロール Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a transfer mold roll having a fine periodic structure and a transfer mold roll having a fine periodic structure.
  • embossing rolls such as embossed cylinders are used when embossing using holograms or light interference colors is continuously processed into a long film.
  • a master is created by electroplating with a peeling layer by chemical plating, and a master is duplicated and arranged Was created and pasted on a roll.
  • a method for producing such a master there is, for example, Patent Document 1.
  • the present invention has been made in view of the problems of the prior art, and is a transfer gold having a fine periodic structure that enables a seamless continuous pattern to be created on an object to be transferred such as a film.
  • An object of the present invention is to provide a mold roll manufacturing method and a transfer mold roll.
  • a method for manufacturing a transfer mold roll having a fine periodic structure includes a step of preparing a cylindrical metal substrate, and an ultrashort pulse laser on the outer peripheral surface of the cylindrical metal substrate.
  • a seamless loop pattern that forms a seamless circular nano-periodic structure on the outer peripheral surface of the cylindrical metal substrate by irradiation with the ultrashort pulse laser, and generates a light interference color by the seamless circular nano-periodic structure.
  • a process for producing a transfer mold roll having a fine periodic structure includes a step of preparing a cylindrical metal substrate, and an ultrashort pulse laser on the outer peripheral surface of the cylindrical metal substrate.
  • the ultrashort pulse laser is preferably a femtosecond laser or a picosecond laser, and more preferably a femtosecond laser.
  • the cylindrical metal substrate has a rotation axis in the longitudinal direction, and the outer surface of the cylindrical metal substrate is irradiated with the ultrashort pulse laser while being rotated about the rotation axis. Is preferred.
  • the ultrashort pulse laser includes a circular wave plate provided in parallel with the outer peripheral surface of the cylindrical metal substrate, and a rotation controller that rotates the wave plate in the circumferential direction. It is preferable to be irradiated.
  • the transfer mold roll having a fine periodic structure of the present invention comprises a seamless periodic pattern that generates a light interference color due to a seamless periodic nano-periodic structure formed on the outer peripheral surface of a cylindrical metal substrate.
  • a transfer mold roll having a fine periodic structure of the present invention comprises a seamless periodic pattern that generates a light interference color due to a seamless periodic nano-periodic structure formed on the outer peripheral surface of a cylindrical metal substrate.
  • FIG. 2 is a photograph showing a partial appearance of a transfer mold roll having a fine periodic structure obtained in Example 1.
  • FIG. 2 is a partially enlarged photograph of a seamless orbiting nano-periodic structure formed on a transfer mold roll having a fine periodic structure obtained in Example 1.
  • FIG. 4 is a photograph showing a partial appearance of a transfer mold roll having a fine periodic structure obtained in Example 2.
  • reference numeral 10 denotes a fine processing apparatus for forming a fine periodic structure used in the method for producing a transfer mold roll having a fine periodic structure of the present invention.
  • the microfabrication apparatus 10 includes an ultrashort pulse laser oscillator 12 that oscillates an ultrashort pulse laser.
  • an ultrashort pulse laser oscillator 12 that oscillates an ultrashort pulse laser.
  • a known ultrashort pulse laser oscillator can be used as long as it oscillates a femtosecond laser or a picosecond laser which is an ultrashort pulse laser.
  • the microfabrication apparatus 10 further includes an optical wavelength converter 14, an optical attenuator 16, a first mirror 18, a second mirror 20, a wavelength plate 22, and an objective lens 24.
  • the laser light oscillated from the ultrashort pulse laser oscillator 12 is polarized by the wave plate 22 through the optical wavelength converter 14, the optical attenuator 16, the first mirror 18, and the second mirror 20, and the objective lens 24 is made to pass through.
  • the ultra-short pulse laser 32 is irradiated to the outer peripheral surface 30 of the cylindrical metal substrate 28 through.
  • optical wavelength converter 14 optical attenuator 16, first mirror 18, second mirror 20, wavelength plate 22, and objective lens 24, known ones can be applied.
  • the cylindrical metal substrate 28 has a rotation axis O in the longitudinal direction, and the outer peripheral surface 30 of the cylindrical metal substrate 28 is irradiated with an ultrashort pulse laser while being rotated about the rotation axis O. Is preferably performed.
  • the surface may be any metal, and any known metal can be applied.
  • Ni, stainless steel, brass, Fe, Cr, Zn, Sn it is preferable to be made of at least one material selected from the group consisting of Ti, Cu, and Al. Since it is at least one kind of material, it may be an alloy.
  • a half-wave plate (1 / 2 ⁇ plate) can be preferably used as the wavelength plate 22.
  • a half-wave plate (1 / 2 ⁇ plate) can be preferably used.
  • an example of a circular half-wave plate is shown as the wavelength plate 22.
  • the wave plate 22 is provided with a rotation controller 26 for rotating the circular wave plate 22 in the circumferential direction P, and the wave plate 22 can be rotated in the circumferential direction. That is, the microfabrication apparatus 10 includes a circular wave plate 22 provided parallel to the outer peripheral surface 30 of the cylindrical metal substrate 28 and a rotation controller 26 that rotates the wave plate 22 in the circumferential direction P. Yes. Thereby, since it can be polarized in various directions, various nano-periodic structures can be formed when forming a seamless circular nano-periodic structure on the outer peripheral surface of the cylindrical metal substrate. As the wavelength plate 22 and the rotation controller 26, a known half-wave plate with a rotation controller can be used.
  • the nano-periodic structure acts as a diffraction grating by irradiating a picosecond to femtosecond laser with a low fluence, and a rainbow-colored light interference color like a hologram can be emitted.
  • seamless means that there is no joint between patterns.
  • the nano periodic structure has fine grooves perpendicular to the linear polarization plane of the laser beam.
  • the direction can be changed by changing the wavefront of the polarization.
  • FIG. 2 shows an example of pattern production in which the direction of the groove of the nano-periodic structure varies depending on the polarization direction.
  • the pattern 34a in FIG. 2 (a) is a pattern produced only with the polarization direction indicated by the arrow in FIG. 2 (a) (only the first polarization direction).
  • the pattern shown in FIG. 2B includes a pattern 34b produced with a polarization direction indicated by an arrow in FIG. 2B, in addition to a polarization direction pattern 34a indicated by an arrow in FIG. This is a formed pattern (first polarization direction + second polarization direction).
  • the pattern in FIG. This is a pattern in which a pattern 34c formed in the polarization direction indicated by the arrow in FIG. 2C is formed (first polarization direction + second polarization direction + third polarization direction).
  • FIG. 3 A photograph taken with an electron microscope (SEM) showing the boundary of the nano-periodic structure when different types of nano-periodic structures having different polarization directions are combined is shown in FIG. 3 (scale bar: 10 ⁇ m, one scale: 1000 nm). A portion indicated by an arrow in FIG. 3 is a periodic structure boundary.
  • Example 1 Using a femtosecond pulse laser, a transfer mold roll having the following fine periodic structure was manufactured. A femtosecond laser was applied to the outer peripheral surface of the cylindrical metal substrate using the microfabrication apparatus shown in the configuration diagram of FIG. As a cylindrical metal base material, a hollow roll having a diameter of 140 mm plated with copper on the surface of an aluminum roll was prepared and used. As the femtosecond laser oscillator, Satsuma HP 2 manufactured by Amplitude Systems was used.
  • a laser beam having a wavelength of 515 nm, an irradiation energy of 0.21 J / cm 2 , a pulse width of 400 fsec, and a repetition frequency of 1 MHz is gripped by a rotatable chuck cone at both ends of a 140 mm diameter roll plated with copper on the surface, and rotates 28 times per minute. Then, the roll surface was irradiated while rotating the roll, and seamless seamless nano-periodic structure was processed without any joints to produce a transfer mold roll having a fine periodic structure.
  • the appearance of a transfer mold roll having a fine periodic structure formed on the surface is shown in FIG. In the appearance of the processed transfer mold roll, it was possible to process a seamless continuous loop pattern 36 and to observe a rainbow-colored light interference color.
  • FIG. 4 the portion where the rainbow-colored light interference color was observed is indicated by the symbol A.
  • SEM electron microscope
  • Example 2 Next, using a picosecond pulse laser, a transfer mold roll having the following fine periodic structure was manufactured. A picosecond laser was applied to the outer peripheral surface of the cylindrical metal substrate using the microfabrication apparatus shown in the block diagram of FIG. As a cylindrical metal base material, a hollow roll having a diameter of 140 mm in which the surface of an aluminum roll was chrome plated was prepared and used. As a picosecond laser oscillator, Pharos-20W-1MHz manufactured by Light Conversion was used.
  • a laser beam with a wavelength of 515 nm, an irradiation energy of 0.09 J / cm 2 , a pulse width of 400 fsec to 3 psec, and a repetition frequency of 600 kHz is gripped by a rotatable chuck cone at both ends of a 140 mm diameter roll chrome-plated on the surface. While rotating at 17 revolutions per minute, the surface of the roll was irradiated to process seamless seamless nano-periodic structures, and a transfer mold roll having a fine periodic structure was produced. The appearance of a transfer mold roll having a fine periodic structure formed on the surface is shown in FIG.
  • 10 fine processing apparatus
  • 12 ultrashort pulse laser oscillator
  • 14 optical wavelength converter
  • 16 optical attenuator
  • 18 first mirror
  • 20 second mirror
  • 22 wavelength plate
  • 24 objective lens
  • 26 Rotation controller
  • 28 cylindrical metal substrate
  • 30 outer peripheral surface of cylindrical metal substrate
  • 32 ultrashort pulse laser
  • 34a, 34b, 34c seamless loop pattern production example
  • 36 Example 1 Seamless loop pattern
  • 38 seamless loop pattern of Example 2
  • O rotation axis
  • P circumferential direction
  • A a portion where a rainbow-colored light interference color was observed.

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Abstract

フィルムなどの被転写対象物に対して、シームレスに連続的な長尺パターンを作成できるようにした、微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法及び転写用金型ロールを提供する。 円筒状金属基材（２８）を準備する工程と、前記円筒状金属基材の外周面（３０）に超短パルスレーザを照射する工程と、前記超短パルスレーザの照射により前記円筒状金属基材の外周面（３０）にシームレス周回ナノ周期構造（３４ａ，３４ｂ，３４ｃ）を形成し、前記シームレス周回ナノ周期構造（３４ａ，３４ｂ，３４ｃ）による光干渉色を発生するシームレス周回柄（３６，３８）を加工する工程と、を含む、微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法とした。

Description

微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法及び転写用金型ロール
　本発明は、微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法及び微細周期構造を有する転写用金型ロールに関する。
　従来、ホログラム又は光干渉色を利用したエンボス加工を連続的に長尺のフィルムに加工する場合、型押しシリンダーのようなエンボスロールが使われている。
　かかるエンボスロールを作成するにあたっては、まず、レーザを利用して感光膜にホログラムパターンを生成した後、化学めっきによる剥離層と電鋳によってマスターを作成し、作成したマスターを複製したものを並べて原版を作成し、ロールに貼り付けることが行われていた。このようなマスターを作製する方法としては、例えば特許文献１がある。
　上記した従来のマスターを複製して原版を作製する方法では、マスターを複製して並べていくとつなぎ目が発生してしまう問題があった。かかる原版から転写した製品では、つなぎ目部分は利用できないため、歩留りが悪くなる問題があった。また、従来の方法では、つなぎ目なしに連続の長尺パターンを作成することができなかった。
特開平８－３０５２６４
　本発明は、従来技術の問題点に鑑みなされたもので、フィルムなどの被転写対象物に対して、シームレスに連続的な長尺パターンを作成できるようにした、微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法及び転写用金型ロールを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明の微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法は、円筒状金属基材を準備する工程と、前記円筒状金属基材の外周面に超短パルスレーザを照射する工程と、前記超短パルスレーザの照射により前記円筒状金属基材の外周面にシームレス周回ナノ周期構造を形成し、前記シームレス周回ナノ周期構造による光干渉色を発生するシームレス周回柄を加工する工程と、を含む、微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法である。
　前記超短パルスレーザが、フェムト秒レーザ又はピコ秒レーザであるのが好適であり、フェムト秒レーザであるのがさらに好適である。
　前記円筒状金属基材が、長手方向に回転軸を有し、前記回転軸を中心として回転せしめられながら、前記円筒状金属基材の外周面に前記超短パルスレーザの照射が行われてなるのが好適である。
　前記超短パルスレーザが、前記円筒状金属基材の前記外周面と平行に設けられた円形の波長板と、前記波長板を円周方向に回転せしめる回転コントローラと、を備えた微細加工装置から照射せしめられてなるのが好適である。
　本発明の微細周期構造を有する転写用金型ロールは、円筒状金属基材の外周面に形成されたシームレス周回ナノ周期構造による光干渉色を発生するシームレス周回柄を備えてなる、微細周期構造を有する転写用金型ロールである。
　本発明によれば、フィルムなどの被転写対象物に対して、シームレスに連続的な長尺パターンを作成できるようにした、微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法及び転写用金型ロールを提供することができるという著大な効果を有する。
本発明の微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法に用いられる微細周期構造を形成するための微細加工装置を示す構成図である。 シームレス周回ナノ周期構造によるパターン製作例を示す模式図である。 偏光方向の異なる異種ナノ周期構造を組み合わせた場合のナノ周期構造の境界を示す一部拡大写真である。 実施例１で得られた微細周期構造を有する転写用金型ロールの一部外観を示す写真である。 実施例１で得られた微細周期構造を有する転写用金型ロールに形成されたシームレス周回ナノ周期構造の一部拡大写真である。 実施例２で得られた微細周期構造を有する転写用金型ロールの一部外観を示す写真である。
　以下に本発明の実施の形態を説明するが、これら実施の形態は例示的に示されるもので、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能なことはいうまでもない。なお、同一部材は同一符号で表される。
　図１において、符号１０は、本発明の微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法に用いられる微細周期構造を形成するための微細加工装置を示す。
　微細加工装置１０は、超短パルスレーザが発振される超短パルスレーザ発振器１２を備えている。超短パルスレーザ発振器１２は、超短パルスレーザであるフェムト秒レーザ又はピコ秒レーザを発振させるものであれば公知の超短パルスレーザ発振器を使用できる。
　また、微細加工装置１０は、さらに、光波長変換器１４、光減衰器１６、第一ミラー１８、第二ミラー２０、波長板２２、対物レンズ２４を備える。超短パルスレーザ発振器１２から発振されたレーザ光は、光波長変換器１４、光減衰器１６、第一ミラー１８、第二ミラー２０、を介して波長板２２によって偏光せしめられ、対物レンズ２４を通って円筒状金属基材２８の外周面３０に超短パルスレーザ３２が照射される。これら光波長変換器１４、光減衰器１６、第一ミラー１８、第二ミラー２０、波長板２２、対物レンズ２４についても、公知のものが適用できる。
　円筒状金属基材２８は、長手方向に回転軸Ｏを有しており、前記回転軸Ｏを中心として回転せしめられながら、前記円筒状金属基材２８の外周面３０に超短パルスレーザの照射が行われるのが好適である。
　円筒状金属基材２８の材質としては、表面が金属であればよいもので、公知の金属はいずれも適用可能であるが、例えば、Ｎｉ、ステンレス鋼、真鍮、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌからなる群から選ばれた少なくとも一種の材料からなるのが好適である。なお、少なくとも一種の材料であるから、合金であってもよい。
　前記波長板２２は１／２波長板（１／２λ板）が好適に使用でき、図１の構成図では、波長板２２として円形の１／２波長板の例を示した。
　また、波長板２２には、円形の波長板２２を円周方向Ｐに回転せしめる回転コントローラ２６が設けられており、前記波長板２２を円周方向に回転せしめることができる。即ち、微細加工装置１０は、円筒状金属基材２８の外周面３０と平行に設けられた円形の波長板２２と、前記波長板２２を円周方向Ｐに回転せしめる回転コントローラ２６とを備えている。これにより、様々な方向に偏光せしめることができるので、前記円筒状金属基材の外周面にシームレス周回ナノ周期構造を形成するにあたって、様々なナノ周期構造を形成することができる。前記波長板２２と回転コントローラ２６についても、公知の回転コントローラ付き１／２波長板などが使用できる。
　本発明では、ピコ秒からフェムト秒レーザを低フルーエンスで照射することでナノ周期構造が回折格子の役目をして、ホログラムのような虹色の光干渉色を出すことができる。なお、本明細書において、シームレスとは、柄と柄のつなぎ目がないという意味である。
　ナノ周期構造は、レーザ光の直線偏光面に垂直方向に微細な溝ができる。ナノ周期構造の溝の方向を変えるには、偏光の波面を変化させることで方向を変えることができ、光学系内に配置した(1/2)λ波長板の角度を変更しながら、複数回ロール表面に加工をすることにより各方向の溝を配置した転写用金型ロールであるエンボスロールを作成することができる。
　図２に、偏光方向によるナノ周期構造の溝の方向の異なるパターン作製例を示す。
　図２（ａ）のパターン３４ａは、図２（ａ）に矢印で示した方向の偏光方向のみで作製したパターンである（１回目偏光方向のみ）。図２（ｂ）のパターンは、図２（ａ）に矢印で示した方向の偏光方向のパターン３４ａに加えて、図２（ｂ）に矢印で示した方向の偏光方向で作製したパターン３４ｂを形成したパターンである（１回目偏光方向＋２回目偏光方向）。図２（ｃ）のパターンは、図２（ａ）に矢印で示した方向の偏光方向のパターン３４ａ及び図２（ｂ）に矢印で示した方向の偏光方向で作製したパターン３４ｂに加えて、図２（ｃ）に矢印で示した方向の偏光方向で作製したパターン３４ｃを形成したパターンである（１回目偏光方向＋２回目偏光方向＋３回目偏光方向）。
　また、例えば、上記した図２（ａ）のパターン３４ａと図２（ｂ）のパターン３４ｂとでは溝の方向が異なるため、ナノ周期構造の境界が出来る。かかる偏光方向の異なる異種ナノ周期構造を組み合わせた場合のナノ周期構造の境界を示す電子顕微鏡（ＳＥＭ）による写真を図３に示す（スケールバー：１０μｍ、１目盛り：１０００ｎｍ）。図３の矢印で示した個所が周期構造境界である。
　以下に実施例をあげて本発明をさらに具体的に説明するが、これらの実施例は例示的に示されるもので限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
（実施例１）
　フェムト秒パルスのレーザを使用して、以下に示す微細周期構造を有する転写用金型ロールを製造した。
　図１の構成図に示した微細加工装置を用いて、円筒状金属基材の外周面にフェムト秒レーザを照射した。円筒状金属基材として、アルミ製ロールの表面に銅メッキされた直径140mmの中空ロールを準備し、使用した。
　フェムト秒レーザ発振器には、Amplitude Systems社製Satsuma HP2を使用した。波長515nm, 照射エネルギー0.21J/cm2、パルス幅400fsec, 繰り返し周波数１MHzのレーザ光を、前記表面に銅メッキされた直径140mmのロールの両端を回転可能なチャックコーンで把持し、毎分28回転でロールを回転させながら、ロール表面に照射させ、つなぎ目のないシームレスな周回ナノ周期構造の加工を行い、微細周期構造を有する転写用金型ロールを製造した。
　表面に微細周期構造が形成された転写用金型ロールの外観を図４に示す。加工された転写用金型ロールの外観では、シームレスで連続的な周回柄３６を加工することができ、虹色の光干渉色を出すことが観察できた。図４において、虹色の光干渉色が観察された部分を符号Ａで示した。図５に示した電子顕微鏡（ＳＥＭ）による写真では、転写用金型ロールの表面にナノメートル単位の構造が形成されていることが確認できた（スケールバー：５μｍ、１目盛り：５００ｎｍ）。また、かかる製造された転写用金型ロールを用いて、シームレスに連続的に長尺のＰＥＴフィルムにホログラムをエンボス加工することができた。
（実施例２）
　次に、ピコ秒パルスのレーザを使用して、以下に示す微細周期構造を有する転写用金型ロールを製造した。
　図１の構成図に示した微細加工装置を用いて、円筒状金属基材の外周面にピコ秒レーザを照射した。円筒状金属基材として、アルミ製ロールの表面にクロムメッキされた直径140mmの中空ロールを準備し、使用した。
　ピコ秒レーザ発振器には、Light Conversion社製Pharos-20W-1MHzを使用した。波長515nm, 照射エネルギー0.09J/cm2、パルス幅400fsec～3psecまで可変し、繰り返し周波数600kHzのレーザ光を、前記表面にクロムメッキされた直径140mmのロールの両端を回転可能なチャックコーンで把持し、毎分17回転で回転させながら、ロール表面に照射させ、つなぎ目のないシームレスな周回ナノ周期構造の加工を行い、微細周期構造を有する転写用金型ロールを製造した。
　表面に微細周期構造が形成された転写用金型ロールの外観を図６に示す。加工された転写用金型ロールの外観では、シームレスで連続的な周回柄３８を加工することができ、虹色の光干渉色を出すことが観察できた。図６において、虹色の光干渉色が観察された部分を符号Ａで示した。パルス幅が400fs～3psの範囲でも干渉色がみられナノ周期構造を確認できた。また、かかる製造された転写用金型ロールを用いて、シームレスに連続的に長尺のＰＥＴフィルムにホログラムをエンボス加工することができた。
　１０：微細加工装置、１２：超短パルスレーザ発振器、１４：光波長変換器、１６：光減衰器、１８：第一ミラー、２０：第二ミラー、２２：波長板、２４：対物レンズ、２６：回転コントローラ、２８：円筒状金属基材、３０：円筒状金属基材の外周面、３２：超短パルスレーザ、３４ａ，３４ｂ，３４ｃ：シームレス周回柄のパターン作製例、３６：実施例１のシームレス周回柄、３８：実施例２のシームレス周回柄、Ｏ：回転軸、Ｐ：円周方向、Ａ：虹色の光干渉色が観察された部分。

Claims (5)

  1. 　円筒状金属基材を準備する工程と、
    　前記円筒状金属基材の外周面に超短パルスレーザを照射する工程と、
    　前記超短パルスレーザの照射により前記円筒状金属基材の外周面にシームレス周回ナノ周期構造を形成し、前記シームレス周回ナノ周期構造による光干渉色を発生するシームレス周回柄を加工する工程と、
    を含む、微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法。
  2. 　前記超短パルスレーザが、フェムト秒レーザ又はピコ秒レーザである、請求項１記載の微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法。
  3. 　前記円筒状金属基材が、長手方向に回転軸を有し、前記回転軸を中心として回転せしめられながら、前記円筒状金属基材の外周面に前記超短パルスレーザの照射が行われてなる、請求項１又は２記載の微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法。
  4. 　前記超短パルスレーザが、前記円筒状金属基材の前記外周面と平行に設けられた円形の波長板と、前記波長板を円周方向に回転せしめる回転コントローラと、を備えた微細加工装置から照射せしめられてなる、請求項１～３いずれか１項記載の微細周期構造を有する転写用金型ロールの製造方法。
  5. 　円筒状金属基材の外周面に形成されたシームレス周回ナノ周期構造による光干渉色を発生するシームレス周回柄を備えてなる、微細周期構造を有する転写用金型ロール。
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