(57)【要約】【課題】大量かつ安価に高分子材料の表面微細加工成型品を時間効率よく製造する方法を提供する。【解決手段】流動性物質を透明材料の裏面に接触させ、透明材料の表面から強度範囲が０．０１Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅから１００Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅまでのレーザーを照射して表面微細加工を施して作製した透明材料を金型として用い、高分子材料を加熱して流動化状態として熱エンボス加工を行うことにより成型品を得ることを特徴とする高分子材料の成型加工方法。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動性物質を透明材料の裏面に接触させ、透明材料の表面から強度範囲が０．０１Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅから１００Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅまでのレーザーを照射して表面微細加工を施して作製した透明材料を金型として用い、高分子材料を加熱して流動化状態として熱エンボス加工を行うことにより成型品を得ることを特徴とする高分子材料の成型加工方法。
【請求項２】
前記金型として、石英ガラス、一般ガラス、フッ化カルシウム、シリコンカーバイド、サファイヤ、アルミナ、水晶又はダイヤモンドからなる金型を用いることを特徴とする請求項１に記載の高分子材料の成型加工方法。
【請求項３】
前記高分子材料として、熱可塑性高分子材料、光硬化性高分子材料又は熱硬化性高分子材料を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の高分子材料の成型加工方法。
【請求項４】
前記金型として、エキシマレーザー又はＹＡＧレーザーの基本発振波長あるいは高調波を用いて微細加工された金型を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高分子材料の成型加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子材料の成型加工方法に関し、更に詳しくは、表面微細加工を施した高分子材料の成型品を大量かつ安価に製造することができる高分子材料の成形加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高分子材料の表面微細加工方法は、金型を用いた熱エンボス法や射出成型法、ならびに、回転ドリルによる機械的汎用切削法、高強度パルスレーザーを用いたアブレション加工法などが実用化されている。機械的汎用切削法やアブレション加工法は成型品を１個ずつ個別に加工するので、プロトタイプの作製には適しているが、同一規格の成型品を大量に製造するには、高速処理量や製造コストの面での問題がある。一方、金型を用いた成型加工法は、同一規格品を大量製造するのに最も適した方法である。この方法では、高分子成型品が要求する加工精度が保証される方法で金型を作製することが重要な鍵となる。
【０００３】
例えば、リソグラフィ法により金型（光ディスク原盤）を作製する加工法（高本ら特開平０６−１５０３９５号公報（特許文献１）、石田ら特開２０００−１９９９０２号公報（特許文献２））では、まず、ガラス基板上にレジストを塗布し、リソグラフィ法による露光・現像工程の後、ニッケルなどの金属を用いてスタンパ金型を得ている。
【０００４】
しかしながら、上記の方法は、フォトリソグラフィ技術に基づいているので、レジストの塗膜、乾燥、露光、現像、エッチング、剥離などの複雑工程が必要であり、微細加工するための時間効率が低いという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０６−１５０３９５号公報
【特許文献２】
特開２０００−１９９９０２号公報
【特許文献３】
特許第３０１２９２６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、大量かつ安価に高分子材料の表面微細加工成型品を時間効率よく製造する方法を提供することをその課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、前記課題は下記の方法により解決される。
（１）流動性物質を透明材料の裏面に接触させ、透明材料の表面から強度範囲が０．０１Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅから１００Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅまでのレーザーを照射して表面微細加工を施して作製した透明材料を金型として用い、高分子材料を加熱して流動化状態として熱エンボス加工を行うことにより成型品を得ることを特徴とする高分子材料の成型加工方法。
（２）前記金型として、石英ガラス、一般ガラス、フッ化カルシウム、シリコンカーバイド、サファイヤ、アルミナ、水晶又はダイヤモンドからなる金型を用いることを特徴とする前記（１）に記載の高分子材料の成型加工方法。
（３）前記高分子材料として、熱可塑性高分子材料、光硬化性高分子材料又は熱硬化性高分子材料を用いることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の高分子材料の成型加工方法。
（４）前記金型として、エキシマレーザー又はＹＡＧレーザーの基本発振波長あるいは高調波を用いて微細加工された金型を用いることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の高分子材料の成型加工方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明について詳細に説明する。
前記の事情の下、本発明者らはレーザー光化学などの基礎研究において、とくに、流動性物質を透明材料の裏面に接触させ、透明材料の表面から強度範囲が０．０１Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅから１００Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅまでのレーザーを照射する方法により透明材料のレーザー微細表面加工が達成できることを見いだしている（特許第３０１２９２６号公報（特許文献３））。本発明では、同特許公報に記載された方法で作製した金型を利用して高分子材料の成型加工を行う。
【０００９】
具体的には、本発明では、まず、特許第３０１２９２６号公報記載の透明材料のレーザー微細加工法を用いて、石英ガラス基板などに表面微細加工を行い、金型のパターンを形成する。次に、ポリスチレンなどの高分子ペレットを加熱し流動化状態にしたところで、石英ガラス金型を用いて熱エンボス加工を行う。高分子ペレットの加熱温度は、材料にも依存するが、５０〜３００℃程度であることが好ましく、より好ましくは１５０〜２５０℃である。成型品を冷却後、金型から剥離させて成型品が完成する。石英ガラスは、耐熱性、化学的安定性や耐久性に優れているので、金型として繰り返し使用することができ、経済的に高分子精密成型品を製造することができる。特許第３０１２９２６号公報記載の方法によれば石英ガラス製金型も短時間の内に大量に作製できるので、安価かつ高速処理性を有した高分子精密成型品加工方法となる。また、本手法によれば、石英ガラス金型を用いて射出成形加工も容易に可能である。
【００１０】
また、本発明では、金型として紫外・可視光透過特性に優れた材料である石英ガラスを使用することができるので、光硬化性樹脂を成形加工するようにも使用することができる。すなわち、最適硬化温度に設定した金型と光硬化性樹脂が接触した状態で、金型側もしくは樹脂側から光を照射することで、成型品を作製することができる。本手法では、熱硬化性樹脂、例えばシリコーン樹脂などについても同様の加熱重合処理または加熱架橋処理を行うことで成型品を作製することができる。このときの加熱温度は材料に依存するので、材料が要求する最適加熱温度範囲に設定することが望ましい。
【００１１】
特許第３０１２９２６号公報記載の透明材料のレーザー微細加工法は、まず、透明材料に流動性物質を接触させる。次に、透明材料を通して、流動性物質と透明材料の接触面にレーザーを照射させる。レーザーと透明材料の入射角度も任意に設定でき、流動性物質と透明材料の接触面にレーザーが到達できるようになれば良い。また、レーザーの照射については、単一のレーザービームを照射するか、複数のレーザービームを同時にまたは続いて照射するか、あるいは、透明材料の両面からレーザーを照射するか、いずれか任意に行われる。少なくとも、一つのレーザービームが透明材料を通して流動性物質と透明材料の接触面に照射できれば良い。また、レーザーの照射方法については、直接にレーザーをレンズにより集光させて照射する方法、マスク（遮光板の一部をくりぬいたもの）を介して照射する方法などの任意の方法によって行うことができる。
【００１２】
また、透明材料に流動性物質を接触させるときに、透明材料がセルなどの容器状金型の場合には直接に容器に流動性物質を入ればよい。また、管状の場合には片方を密封して流動性物質を入れる。透明材料が平面基板、曲面基板などの基板状材料の場合には、この基板を容器の一面として流動性物質を入れるように容器状のものを作る。透明材料に対する流動性物質の接触に際しては、金具による固定法、大気圧を利用した吸引法、または磁気を利用した固定法などが利用できる。透明材料が容器状、管状および基板状などの形状に関係なく、接触方法は任意に決められる。最終的に流動性物質を透明材料に接触できれば良い。この接触部分は大気圧に開放しても、減圧でも加圧でも可能で、雰囲気ガスを導入しても良い。また作業温度としては流動性物質の流動性が保持されるのであれば限定されない。さらに、エッチングの安定性を高めるための手段、例えば、流動性物質を循環する方法、あるいは、攪拌する方法などを使うこともできる。
【００１３】
更に、特許第３０１２９２６号公報記載の透明材料のレーザー微細加工法によれば、透明材料のレーザー入射側の表面では何らの変化もないが、流動性物質と接触した表面ではレーザー照射部分にのみ選択的にエッチングが行える。また、マスク露光法によるレーザー照射（Ｘ．Ｄｉｎｇら、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ａ誌、ｖｏｌ．７５，Ｎｏ．６，ｐｐ．６４１−６４５（２００２））や二光束干渉照射法（Ｚｉｍｍｅｒら、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ａ誌、ｖｏｌ．７４，Ｎｏ．４，ｐｐ．４５３−４５６（２００２））を用いることによって、マイクロパターンの線幅が１マイクロメーター以下の鮮明な加工も可能である。しかも加工部位には何らの化学的な劣化や損傷を与えず、加工表面平滑度も光学研磨面と同等である。
【００１４】
加工速度はレーザー強度に依存し、加工工程を精密に制御できる。また、エッチングの深さは、レーザーパルス数に比例して増加するので、エッチングの深さを精密に制御できることを特徴としている。さらに、加工速度がレーザー強度に依存することを活用し、透過率を段階的に制限するマスク（グレーマスク）を用いることで、加工部位の表面曲率を自由に変えることができる（Ｚｉｍｍｅｒら、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ誌、ｖｏｌ．１８６，Ｎｏ．１−４，ｐｐ．２７６−２８１（２００２））。
【００１５】
また、金型作製時において、高い加工精度を要求されない部位に関しては回転ドリル切削法、超音波加工法、湿式エッチング法、プラズマエッチング法、マイクロブラスト法（微細砥粒の高速噴射加工）などの従来手法を代替的に用い、必要に応じて安価な加工方法を組み合わせ、高精度加工が必須の部位のみに特許第３０１２９２６号公報の方法を用いることも可能である。
【００１６】
本発明において金型に用いる透明材料としては、使用しているレーザー波長に対して透明性があるとともに、高分子成型品との剥離特性があれば良い。例えば、石英ガラス、一般ガラス、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化リチウム、シリコンカーバイド、アルミナ、サファイヤ、水晶、ダイヤモンドのような無機材料、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂などのプラスチック材料、およびそれらの混合物などが挙げられる。金型の形態は基板状、容器状、管状など任意の形状で良い。また、石英ガラスなどで金型を作製した後に、この金型にニッケルめっき法等による二次金型作製を行うことができる。二次金型を使い高分子材料の熱エンボス成形加工を行うと、石英ガラスの一次金型と同じ形状の成型品加工が可能である。
【００１７】
本発明で用いる金型の製造時に使用される流動性物質としては、使用しているレーザー波長に高い吸収率を持つ物質であれば良く、例えば、ピレンのアセトン溶液、ベンジルのアセトン溶液、ピレンのテトラヒドロフラン溶液、ローダミン６Ｇのエタノール溶液、フタロシアニンのエタノール溶液などのような芳香族環を含む有機化合物の溶液；有機色素化合物を含む溶液；ベンゼン、トルエン、四塩化炭素などのような液体状の化合物などが挙げられる。また、有機化合物、有機色素、無機顔料、あるいは炭素などの微粒子などを分散して作った溶液や、有機化合物、有機色素、無機顔料、あるいは炭素粉末などの微粒子や微結晶で作った流動性粉体などが挙げられる。更に、上記に挙げられた物質の二種類以上を混合して作られた流動性物質も使用することができる。これらの物質は使用しているレーザー波長に対して、高い吸収率を有することが必要で、例えば、流動性物質と透明材料の界面から、流動性物質内部に０．１ｍｍの深さで１０％以上の吸収率を有することが望ましい。更に望ましいのは０．１ｍｍの深さで５０％以上の吸収率を有することである。吸収率が十分に高くない場合には、金型加工の精密化及び微細化が十分には達せられない。
【００１８】
本発明における金型の製造に用いることができるレーザーは、ＡｒＦ（波長：１９３ｎｍ）、ＫｒＣｌ（２２２ｎｍ）、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＸｅＦ（３５１ｎｍ）エキシマレーザー、ＹＡＧレーザー、ＹＬＦレーザー、ＹＶＯレーザー、色素レーザー、炭酸ガスレーザー、Ｋｒイオンレーザー、Ａｒイオンレーザー、銅蒸気レーザー等の基本発振波長光、およびその基本発振波長光を非線形光学素子などにより変換したものを用いることもできる。例えば、ＹＡＧレーザーに二倍高調波（５３２ｎｍ）、三倍高調波（３５５ｎｍ）、四倍高調波（２６６ｎｍ）なども挙げられる。金型表面を加工するためのレーザー強度は、レーザー波長に対する流動性物質の吸収によって異なるが、レーザー強度が０．０１から１００Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅまでが望ましい。更に望ましいのは０．１から１０Ｊ／ｃｍ２／ｐｕｌｓｅまでの範囲である。レーザー強度が弱すぎる場合には、エッチングが起こらず、強すぎるときは材料に損傷を与える。
【００１９】
本発明における金型の製造では、リソグラフィ法では多段階の工程が必要であることに比べて、現像工程が不要な一段階のレーザー処理で製造できる。さらに、低レーザー強度のためにマスク・プロジェクションを通してパターン状の大面積一括加工も可能で、パターンの精度は１マイクロメーター以下でも可能である。加えて、エッチング速度もコントロールでき、エッチング表面の化学組成にも変化を与えないことから、本発明の金型加工法は微細化、精密化、高品質化できる方法であると共に、本発明は非常に低コストであり、量産性に富む方法を提供する。なお、本発明によって提供可能な高分子精密成型品としては、例えば、マイクロレンズアレー、回折格子、光導波路、フォトニック素子、液晶配向基板などの光学素子、ならびに、ＤＮＡチップ基板、マイクロリアクター反応容器、マイクロ分析セル、センサー基板などの化学・環境・バイオ・医用材料、極微小マーキングなどの産業応用材料などが挙げられる。
【００２０】
【実施例】
次に、実施例について本発明を説明する。
【００２１】
実施例１
特許第３０１２９２６号公報記載のレーザー微細加工法を用いて石英ガラス成型品を作製した。この石英ガラス成型品には、１０ミクロン角の正方穴が２０ミクロン周期で２次元アレー状に２×２平方ミリの範囲全面に形成されている。次に、この石英ガラスを金型として、溶融・流動状態に達した高温度のポリスチレン樹脂にエンボス処理を行った。冷却後、金型を樹脂から剥離し、樹脂表面を走査型電子顕微鏡ならびにレーザー走査顕微鏡によって観察したところ、図１の走査型電子顕微鏡写真に示すように、１０ミクロン角の正方突起物が２０ミクロン周期で２次元アレー状に形成されていることがわかった。この微細構造物は、２×２平方ミリの範囲全面に形成されており、金型構造が精密に転写されていることが判明した。さらに、ヘリウム−ネオンレーザーを加工表面に照射し、ビーム分割特性を評価したところ、透過光は正方パターン状に分離する良好な分割特性が得られた。以上の結果より、本法によって、二次元回折格子などの光学素子を安価かつ大面積に作製できることが分かった。
【００２２】
実施例２
特許第３０１２９２６号公報記載のレーザー微細加工法を用いて石英ガラス成型品を２種類作製した。この石英ガラス成型品には、（ａ）直径２ミクロンの円形穴が４ミクロン周期で２次元アレー状に１×１平方ミリの範囲全面に形成、（ｂ）幅５ミクロンのグレーティングが５ミクロン周期で１×１平方ミリの範囲全面に形成されている。次に、この石英ガラスを金型として、溶融・流動状態に達した高温度のポリスチレン樹脂にエンボス処理を行った。冷却後、金型を樹脂から剥離し、樹脂表面を走査型電子顕微鏡ならびにレーザー走査顕微鏡によって観察したところ、図２、図３の走査型電子顕微鏡写真に示すように、直径２ミクロンの凸レンズ状加工表面が４ミクロン周期で２次元アレー状に形成されていること（図２）、ならびに、幅５ミクロンのグレーティングが５ミクロン周期で形成されていること（図３）がわかった。この微細構造物は、１×１平方ミリの範囲全面に形成されており、金型構造が精密に転写されていることが判明した。本法によって、マイクロレンズアレーや回折格子などの光学素子を安価かつ大面積に作製できることが分かった。
【００２３】
実施例３
実施例１の石英ガラス成型品を金型として用い、溶融・流動状態に達した高温度のポリメチルメタクリレート樹脂にエンボス処理を行った。冷却後、金型を樹脂から剥離し、樹脂表面をレーザー走査顕微鏡によって観察したところ、図１と同様の１０ミクロン角の正方突起物が２０ミクロン周期で２次元アレー状に形成されていることがわかった。この微細構造物は、２×２平方ミリの範囲全面に形成されていた。
【００２４】
実施例４
実施例１の石英ガラス成型品を金型として用い、溶融・流動状態に達した高温度のポリエチレン樹脂にエンボス処理を行った。冷却後、金型を樹脂から剥離し、樹脂表面をレーザー走査顕微鏡によって観察したところ、図１と同様の１０ミクロン角の正方突起物が２０ミクロン周期で２次元アレー状に形成されていることがわかった。この微細構造物は、２×２平方ミリの範囲全面に形成されていた。
【００２５】
実施例５
実施例１の石英ガラス成型品を金型として用い、溶融・流動状態に達した高温度のポリカーボネート樹脂にエンボス処理を行った。冷却後、金型を樹脂から剥離し、樹脂表面をレーザー走査顕微鏡によって観察したところ、図１と同様の１０ミクロン角の正方突起物が２０ミクロン周期で２次元アレー状に形成されていることがわかった。この微細構造物は、２×２平方ミリの範囲全面に形成されていた。
【００２６】
実施例６
実施例１の石英ガラス成型品を金型として用い、溶融・流動状態に達した高温度のフッ素樹脂（ＦＥＰ）にエンボス処理を行った。冷却後、金型を樹脂から剥離し、樹脂表面をレーザー走査顕微鏡によって観察したところ、図１と同様の１０ミクロン角の正方突起物が２０ミクロン周期で２次元アレー状に形成されていることがわかった。この微細構造物は、２×２平方ミリの範囲全面に形成されていた。
【００２７】
実施例７
実施例１の石英ガラス成型品を金型として用い、紫外線硬化樹脂を金型に流し込み、硬化最適温度において、５００Ｗ超高圧水銀灯からの紫外線を１分間照射した。冷却後、金型を樹脂から剥離し、樹脂表面をレーザー走査顕微鏡によって観察したところ、図１と同様の１０ミクロン角の正方突起物が２０ミクロン周期で２次元アレー状に形成されていることがわかった。この微細構造物は、２×２平方ミリの範囲全面に形成されていた。
【００２８】
実施例８
実施例１の石英ガラス成型品を金型として用い、熱硬化性樹脂であるシリコーン樹脂液体（硬化前の前駆体液体）を金型に流し込み、硬化最適温度６５℃において１時間加熱した。冷却後、金型を硬化した樹脂から剥離し、樹脂表面をレーザー走査顕微鏡によって観察したところ、図１と同様の１０ミクロン角の正方突起物が２０ミクロン周期で２次元アレー状に形成されていることがわかった。この微細構造物は、２×２平方ミリの範囲全面に形成されていた。
【００２９】
【発明の効果】
本発明方法による高分子材料の微細エンボス加工を用いると、高分子成型品上に数マイクロメーターの微細構造の形成が可能となる。従って、本発明方法によれば、大量かつ安価に高分子材料の表面微細加工成型品が時間効率よく製造できるようになる。また、本発明方法の具体的な応用例としては、グレーティング、マイクロレンズ、マスクなどの光学素子、微小マーキング、微小化学反応容器（マイクロリアクター）、ＤＮＡチップ・マイクロチップ用基板、センサー基板などの製造のように様々な応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ポリスチレン材料にマイクロエンボス金型加工処理を行った成型品表面上の正方突起物（二次元回折格子）の走査型電子顕微鏡写真（撮影角度：４５度）。
【図２】ポリスチレン材料にマイクロエンボス金型加工処理を行った成型品表面上のマイクロレンズ・アレーの走査型電子顕微鏡写真（撮影角度：６０度）。
【図３】ポリスチレン材料にマイクロエンボス金型加工処理を行った成型品表面上の溝状構造体（一次元回折格子）の走査型電子顕微鏡写真（撮影角度：６０度）。
【図１】
2004168016.tif 000002
【図２】
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【図３】
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