(57)【要約】  一態様では、微細構造パターンを航空機、船舶、自動車、または他の乗り物の外面上に作製する方法が提供されるが開示される。フォトポリマーの層（４４）を、ノズル（４５）により上塗りまたは基材（４３）に塗布する。フォトポリマーを選択的に照射してその光重合開始剤を活性化し、未照射のポリマーを除去する。照射は、ポリマーに当接しないマスク（４９）を介してであってもよく、またはビームスプリット構成（６３、６４）もしくは回折格子（７１）を介してであってもよい。パターンは、露光済みのフォトポリマーをその場に残す、または露光済みのフォトポリマーを使用して基材をマスクし、基材にエッチングし、次いで露光済みのフォトポリマーを除去することのいずれかにより、形成することができる。別の態様では、光硬化性材料の層を外面に塗布するステップ１１０２と、光硬化性材料に所定の照射強度プロファイルを含む放射を照射するステップ１１０４と、未硬化の光硬化性材料を除去して微細構造パターンを形成するステップ１１０６と、を含む方法１１００が提供される。放射は、照射済みの光硬化性材料の硬化を開始し、光硬化性材料の層にわたって選択された強度プロファイルに対応する硬化深さプロファイルを生じさせる。【選択図】図１１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細構造パターンを外面上に設ける方法であって、
光硬化性材料の層を前記外面に塗布するステップであって、前記光硬化性材料が光重合開始剤を含む、ステップと、
前記光硬化性材料を選択的に照射して、前記光硬化性材料層の照射された領域内のみで前記光重合開始剤を活性化するステップと、
前記未照射の光硬化性材料または前記照射済みの光硬化性材料のいずれかを除去するステップと、を含み、
前記塗布するステップおよび前記照射するステップが、マスクが前記光硬化性材料層と当接することを伴わない、方法。
【請求項２】
前記光硬化性材料が、フォトポリマーである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記フォトポリマー層が、前記層に接触しないマスクを介して照射される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記マスクが、実質的に平面状であり、前記外面の上で、かつ前記外面に沿って移動される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記光重合開始剤が、強度パターンにより活性化される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記干渉パターンが、放射源がマスクまたは回折格子を照射することにより生成される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記マスクまたは前記回折格子が、前記放射源を分割して干渉パターンを引き起こす、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記単一の放射源が、コヒーレントである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記干渉パターンが、回折格子により引き起こされる、請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
前記干渉パターンが、前記回折格子に単一放射源からの放射を照射することにより引き起こされる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記単一の放射源が、コヒーレントである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記外面の上塗りが、硬化性物質から形成され、前記塗布ステップが、前記上塗りが完全に硬化する前に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記上塗り硬化性物質が、フォトポリマーである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記光硬化性材料が、アクリルフォトポリマーまたはポリウレタンフォトポリマーを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記微細構造パターンが、前記照射済みの光硬化性材料により形成される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記照射済みの光硬化性材料が、前記外面に塗布されるマスクを形成し、それを通じて前記外面が、前記微細構造パターンを形成するようにエッチングされる、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
微細構造パターンを外面上に設ける方法であって、
光硬化性材料の層を前記外面に塗布するステップと、
前記光硬化性材料に所定の照射強度プロファイルを含む放射を照射して、前記照射済みの光硬化性材料の硬化を開始するステップであって、前記硬化が、前記光硬化性材料の前記層にわたって前記選択された強度プロファイルに対応する硬化深さプロファイルを生じさせる、ステップと、
前記微細構造パターンを形成するために、未硬化の光硬化性材料を除去するステップと、を含む、方法。
【請求項１８】
前記光硬化性材料に照射するステップが、前記所定の照射強度プロファイルに対応するフォトマスクを通じて前記光硬化性材料に照射するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記照射するステップが、前記光硬化性材料に所定の持続時間にわたって照射するステップを含む、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記開始される硬化が、前記外面から近位の第１の側から、前記外面から遠位の対向する第２の側への、前記光硬化性材料の前記層のボトムアップ式硬化を含む、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記ボトムアップ式硬化が、前記層光硬化性材料内に拡散した酸素に基づく硬化の抑止を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記拡散した酸素が、前記光硬化性材料の前記層内で差別的な硬化速度を生じさせる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記差別的な硬化速度が、前記第１の側に向かってのより高い硬化速度と、前記第２の側の近くのより低い硬化速度とを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記硬化の抑止が、前記光硬化性材料内の光重合開始剤の重合を抑止する、請求項２１〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記所定の照射強度プロファイルが、前記照射済みの光硬化性材料の層にわたって対応する周期的な硬化深さプロファイルを生じさせる周期的な強度プロファイルを含む、請求項１７〜２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記周期的な硬化深さプロファイルが、前記照射済みの光硬化性材料の層にわたっての第１の次元における周期性と、前記照射済みの光硬化性材料の層にわたっての前記第１の次元に直交する第２の次元における実質的に非周期的なプロファイルとを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記実質的に非周期的なプロファイルを提供するために、前記外面に対して前記放射を前記第２の次元に沿って移動させるステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１の次元における前記周期性が、以下の微細構造パターン
・のこぎり歯リブレット幾何形状
・波形リブレット幾何形状、および
・刃形リブレット幾何形状
のうちの任意の１つ以上を形成させる、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記周期的な硬化深さプロファイルが、前記照射済みの光硬化性材料の層にわたっての第１の次元における周期性と、前記照射済みの光硬化性材料の層にわたっての前記第１の次元に直交する第２の次元における周期性とを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の次元における前記周期性と、前記第２の次元における前記周期性とが、以下の微細構造パターン
・蓮の葉の幾何形状、および
・スーパーオムニフォビックな幾何形状
のうちのいずれかまたは両方を生じさせる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記微細構造パターンの形成後に、硬化した光硬化性材料がない前記外面の少なくとも一部分の除去処理をさらに含む、請求項１７〜３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記微細構造パターンの形成後に、硬化した光硬化性材料がない前記外面の少なくとも一部分の付加処理をさらに含む、請求項１７〜３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
請求項１７〜３２のいずれか一項に記載の方法を行うためのシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、微細構造を表面上にパターン形成するための方法およびシステムに関する。より具体的には、本開示は、微細構造を外面上にパターン形成することに関する。一構成では、本発明は、微細構造パターンを乗り物の外面上の上塗り上に設ける。
【背景技術】
【０００２】
現代の航空機による燃料消費量は、航空機が経験する抗力にかなり依存する。類似の考慮事項は、船舶および自動車に関して当てはまる。空気力学表面の抗力が微細構造パターンを表面上に作製することにより低減することができることは周知である。
【０００３】
本明細書におけるいずれの先行技術への言及も、この先行技術がいずれの法域において共通の一般的知識を形成していること、またはこの先行技術が当業者により理解され、重要とみなされ、かつ／または他の先行技術文献と組み合わせられると合理的に予想され得ることを、自認するかまたはいずれの形の示唆するものではなく、そのように受け取られるべきでもない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様によれば、微細構造パターンを乗り物の外面上に設ける方法であって、
光硬化性材料の層を外面に塗布するステップであって、光硬化性材料が光重合開始剤を含む、ステップと、
光硬化性材料を選択的に照射して、光硬化性材料層の照射された領域内のみで光重合開始剤を活性化するステップと、
未照射の光硬化性材料または照射済みの光硬化性材料のいずれかを除去するステップと、を含み、
塗布するステップおよび照射するステップが、マスクが光硬化性材料層と当接することを伴わない、方法、が開示される。
【０００５】
好ましくは、光硬化性材料は、フォトポリマーである。
【０００６】
本発明の第２の態様によれば、微細構造パターンを外面上に設ける方法であって、
光硬化性材料の層を外面に塗布するステップと、
光硬化性材料に所定の照射強度プロファイルを含む放射を照射して、照射済みの光硬化性材料の硬化を開始するステップであって、硬化が、光硬化性材料の層にわたって選択された強度プロファイルに対応する硬化深さプロファイルを生じさせる、ステップと、
微細構造パターンを形成するために、未硬化の光硬化性材料を除去するステップと、を含む、方法、が開示される。
【０００７】
本開示のさらなる態様によれば、微細構造パターンを外面上に設けるための対応するシステムも開示される。
【０００８】
これより、添付図面を参照しながら、本開示の構成をただの例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】照射前後のフォトポリマーの概略図である。
【図２】微細構造パターンを製造するために連続プロセスにおいて使用される先行技術のローリングフォトリソグラフィ装置の概略斜視図であり、マスクが、フォトポリマーに接している。
【図３】図２の装置の円筒体を貫く横断面図である。
【図４】フラウンホーファ技法と呼ばれ得る第２の先行技術技法の概略側面図であり、ウェブ微細構造の形成具または型が、フォトポリマーに当接する。
【図５】図４の構成の一部の詳細を示す拡大図である。
【図６】本開示のある構成によるローラー装置の概略断面図であり、マスクは、フォトポリマーのすぐ近くに来るが、フォトポリマーには接触しない。
【図７】図６の一部分の拡大図であり、その構成要素を詳細に示す。
【図８】図６に似ているが、ビームスプリッタにより生成される２本のビームの干渉により所定の強度プロファイルが提供される、ある代替的な構成を例示する図である。
【図９】図８の装置の中心部分の拡大図である。
【図１０】回折格子の概略図であり、このような格子を使用して引き起こされる干渉パターンを例示する。
【図１１】図１１Ａは、微細構造パターンを外面上に設ける方法の一例の流れ図である。図１１Ｂは、図１１Ａに例示する記載の方法のステップの結果の側面図を例示する。図１１Ｃは、図１１Ａに例示する記載の方法のステップの結果の上面図を例示する。
【図１２】図１１Ａに例示する方法のステップを行うためのシステムのある構成を例示する。
【図１３】図１３Ａ〜１３Ｃは、図１２に例示するシステムによる光硬化性材料の層の照射のスナップショットを例示する。
【図１４Ａ】図１１Ａに例示する方法を行うためのシステムの別の構成を例示する。
【図１４Ｂ】図１４Ａに例示するシステムによる光硬化性材料の層の照射のスナップショットを例示する。
【図１４Ｃ】図１１Ａに例示する方法を行うためのシステムのさらに別の構成を例示する。
【図１５】図１５Ａ〜１５Ｅは、本開示により設けられる微細構造パターンの例を示す。
【図１６】図１６Ａおよび１６Ｂは、本開示の方法に適用可能な後処理ステップの例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示は、航空機、船舶、および自動車などの、空気または水などの流体中を進む乗り物の上塗り上などの、外面上に微細構造パターンを設ける際の技法に関する。
【００１１】
フォトポリマーなどの光硬化性材料は、コンピュータマイクロチップ製作のために開発されたフォトリソグラフィ技法からよく知られており、図１に概略的に例示するように、フォトポリマー１は、より小さい分子（モノマー２およびオリゴマー３）と光重合開始剤４との混合物からなる。
【００１２】
通常はマスクを介する紫外光６または放射への露光後、光重合開始剤は、モノマー２とオリゴマー３との間の重合反応を引き起こし、それらを架橋させてより大きいネットワークポリマー分子にし、それにより硬化済みのポリマーを形成させる。これらのネットワークポリマーは、その化学的特性および構造的特性を変化させる。いわゆる「ネガ型フォトポリマー」は、不溶性になり、未露光のフォトポリマーよりも強くなる。しかしながら、いわゆる「ポジ型フォトポリマー」は、可溶性になり、したがって未露光のフォトポリマーよりも弱くなる。したがって、微細構造は、フォトポリマーの薄層を基材に塗布し、それをフォトマスクを通じてＵＶ光または放射へ露光することにより作製することができる。未露光のネガ型フォトポリマーを、未露光のフォトポリマーを洗い流す現像液の使用により除去し、それにより露光済みのフォトポリマーを所望のパターンに残すか、または露光済みのポジ型フォトポリマーを除去するかのいずれかである。
【００１３】
次いで、基材を腐食するが、残存するフォトポリマーを腐食しない液体エッチング剤を塗布することができる。結果的に、残存するフォトポリマーが除去されるとき、所望の微細構造が作製され、基材内にエッチングされる。プラズマによるなどの、他のエッチング方法も、使用することができる。
【００１４】
フォトリソグラフィ技法
この一般的なフォトリソグラフィ技法は、ローリングマスクフォトリソグラフィにおいて、図２および３に概略的に例示する連続プロセスで使用されている。ここで、液体フォトポリマーを、ノズル１０を介して基材１１に塗布する。円筒状ローリングマスク１２にフォトポリマー上をローリングさせる。円筒状ローリングマスク１２は、ＵＶ放射の内部同軸源１３を収容している。ローリングマスク１２の下流には、現像剤のためのノズル１５およびリンス液のためのノズル１６がある。
【００１５】
図３に見られるように、内部同軸源１３からのＵＶ放射は、基材１１上のフォトポリマーと接触しているマスク１２を通過し、それにより上述の光重合反応を形成する。次いで、ポリマーにより被覆された基材１１は、それぞれ露光済みのフォトポリマーにより覆われていない基材の部分から未露光のフォトポリマーを除去するためノズル１５の下を、および基材１１をすすぐためのノズル１６の下を通る。
【００１６】
ある代替的なプロセスを、図４および５に例示する。このフラウンホーファ法では、微細構造は、図２および３の先行技術構成の場合のように航空機表面または基材上にエッチングされるのではなく、フォトポリマーから形成され、航空機表面上に残される。図４および５の構成では、ＵＶ透過ウェブ２２は、その外側表面上に形成される所望の微細構造のネガを有する。ウェブ２２は、好ましくはシリコーンフィルムから形成され、ＵＶランプ２１から発されるＵＶ放射に対して透過的である。ウェブ２２は、一対の可撓性ローラー２３およびガイドローラー２５の上を通る。投与ユニット２４は、タンク３０と、液体コーティング２６がウェブに塗布され、タンク３０内に収容されている液体から形成されることを可能にするパイプ３１との形をとる。次いで、液体コーティング２６を、ローラー３、５上のウェブ２２のローリング動作により、基材２７の上面に塗布する。
【００１７】
図５に示すように、ウェブ２２は、所望のパターンのネガを有し、したがって、基材２７上のフォトポリマー３２をその所望のパターンに形成する。ＵＶランプ２１からのＵＶ放射３３は、ウェブ２２を通過し、フォトポリマー３２を、硬化済みのフォトポリマー２８により形成される所望のパターンに固める。このように、装置が基材２７に対して矢印２９により示される方向に動くにつれて、所望のパターンの硬化済みのフォトポリマー２８が、基材２７上に形成される。
【００１８】
この方法では、ローリングマスクマトリクス材料は、非常に低い表面エネルギーと、特定の狭い範囲内のショア硬さとを必要とする。加えて、液体コーティング２６は、露光後に基材２７に付着しなければならないが、ウェブ２２が除去された後に流れ、または別の方法で形状を変えてはならない。さらに、ウェブ２２は、生産するのが高価であり、ローリング接触プロセスを通じて劣化する。
【００１９】
マスクベースの構成
これより図６および７に目を転じて、本開示のある構成について説明する。装置は、装置を覆い、装置を周囲ＵＶ光から保護するフードまたはシュラウド４１の形をとる。シュラウド内には、装置が基材４３にわたって動くことを可能にする一対のローラー４２がある。
【００２０】
図２の構成に概して類似したある構成では、ノズル４５のアレイが、ポリマーを基材４３に塗布し、さらなるノズル４６のアレイが、液体現像剤を塗布し、さらなるノズル４７のアレイが、液体リンス液を塗布する。ノズル４５と４６の間には、ＵＶ光源５０を収容するローリング円筒状マスク４９がある。ある代替的な構成では、マスクは、実質的に平面状であってもよく、前記外面の上で、かつ前記外面に沿って移動される。当業者は、円筒状マスクについての以下の説明が、軽微な変更と共に、実質的に平面状のマスクに適用可能であり得ることを理解するであろう。
【００２１】
図７で最もよく見えるように、マスク４９は、フォトポリマー４４に当接しないが、その代わりに、約１０〜１００センチメートルの小さい隙間５１だけフォトポリマー４４から離間している。
【００２２】
図６に概略的に例示するように、光源５０からのＵＶ放射へ露光されたフォトポリマー４４の部分は、現像剤ノズル４６およびリンス液ノズル４７の下を通った後も、基材４３に付着した状態にとどまる。コンピュータマイクロチップフォトリソグラフィの近接プリント技法を利用する本構成は、解像度を１〜２マイクロメートルまで下げることを達成でき、これは、表面摩擦抗力などの空気力学を低減する微細構造にとって十分過ぎるものである。記載の構成は、図４および５に関連して上述したマスク密着プリントの厳格な要件なしに、異なるフォトポリマー／現像剤の組み合わせを可能にする。加えて、異なる円筒状マスク４９を容易に代用して、異なる微細構造構成を、例えば単一の航空機の外装の異なる区域に塗布することを可能にすることができる。
【００２３】
基材４３をエッチングすることにより微細構造を形成するように、図６および７の構成を使用することも可能である。これは、追加のエッチングノズルを使用することにより、またはパネル全体をエッチング液内浸すことにより、行うことができる。
【００２４】
マスクレスの構成
本開示のあるさらなる構成によれば、図８および９に例示するように、マスクレスシステムは、干渉リソグラフィの使用により作製することができる。干渉リソグラフィは、２つのコヒーレントな光源または放射源間の干渉パターンを構築することにより、規則的配列構造の連続パターン形成を可能にする。特徴間の最小間隔は、波長の約半分に等しく、これは、ＵＶ放射の場合、約０．２マイクロメートルの最小間隔に対応する。図８に示すように、図６の装置が、円筒状マスク４９および光源５０の除去、ならびにその代わりとしてのＵＶレーザー６１、空間フィルタ６２、ビームスプリッタ６３、および一対の鏡６４の提供により、変更されている。この構成では、ＵＶレーザーの波長は、３６４ナノメートルである。鏡６４は、角度θを増大または減少させるように、基材４３に対して可動性である。これは、干渉構成により生成されるパターン線間の間隔を調節する。
【００２５】
前と同じように、本構成を使用して、追加のエッチングノズルの提供により、基材２４内にエッチングパターンを形成することができる。
【００２６】
これより図１０に目を転じると、図８および９の構成は、ビームスプリット技法を使用する代わりに回折格子７１を（例えば、位相マスクの形で）代わりに利用するように、さらに変更することができる。回折格子７１は、ＵＶ源（図１０に例示せず）から均一に照射され、それにより基材４３上に干渉パターンを再び形成する。この構成では、間隔パターンは、調整可能ではなく、その代わりに回折格子の構造により決定される。
【００２７】
単一露光構成
一部の既存のフォトリソグラフィ構成は、表面にわたって望ましい微細構造パターンを層ごとに（例えば、多重露光により）作製するために、多重露光を必要とする。本明細書に記載するのは、多重露光の必要なしに選択された空間プロファイルを有する微細構造パターンを提供する、微細構造パターンを外面上に設けるための方法およびシステムである。
【００２８】
図１１Ａに例示するように、記載の方法１１００は、光硬化性材料の層を外面に塗布するステップ１１０２と、光硬化性材料に所定の照射強度プロファイルを含む放射を照射するステップ１１０４と、微細構造パターンを形成するために未硬化の光硬化性材料を除去するステップ１１０６と、を含む。放射は、照射済みの光硬化性材料の硬化を開始し、光硬化性材料の層にわたって選択された強度プロファイルに対応する硬化深さプロファイルを生じさせる。対応関係としては、選択された強度プロファイルと硬化深さプロファイルとの間の線形または非線形関係が挙げられる。除去するステップ１１０６は、硬化の完了後に発生し得る。
【００２９】
図１１Ｂおよび１１Ｃは、記載の方法１１００のステップ１１０２、１１０４、および１１０６の各々の後の中間結果または最終結果の一例の側面図１１５０および上面図１１６０をそれぞれ概略的に例示する。この例では、光硬化性材料の層は、ＵＶ硬化性または近ＵＶ硬化性のコーティング１１５２であり、これは、硬化後に外面に付着する。コーティング１１５２は、ＭＩＬ−ＰＲＦ−８５２８５規格を含む軍用規格を満たすものなどの、特定の用途のために設計されたものであってもよい。別の例では、コーティング１１５２は、プライマーサーフェーサーＣｒｏｍａｘ  ３１３０Ｓである。この例では、外面は、乗り物の上塗りなどの基材１１５４である。図１１Ｂおよび１１Ｃに例示する例では、所定の照射強度プロファイルは、のこぎり歯照射強度プロファイル１１５６である。強度と硬化深さとの対応関係が線形の関係であるこの例では、得られる微細構造パターンは、のこぎり歯リブレット幾何形状１１６０を含む。強度と硬化深さとの対応関係が非線形の関係である別の例では、得られる微細構造パターンは、波形リブレット幾何形状を含む。
【００３０】
微細構造パターン形成システム
図１２は、記載の方法１１００において照射するステップ１１０４を行うように構成された微細構造パターン形成システム１２００のある構成を例示する。この構成では、コーティング１１５２を基材１１５４に塗布するステップ１１０２（これはすでに行われている）と未硬化の光硬化性材料を除去するステップ１１０６（これはまだ行われていない）とは、システム１２００によってではなく、別々に行われる。
【００３１】
システム１２００は、放射源１２０２を含む。放射源１２０２は、近ＵＶ光源であってもよい。一例では、近ＵＶ光源は、最大５０ｍＷの電力出力を有する４０５ｎｍのレーザーダイオードである。レーザーダイオードは、同位相の入射光を作り出す点状源として振る舞う。この波長は、フォトマスクが、さもなければＵＶ波長のために必要となるであろう水晶ではなく、ガラスから作製されることを可能にする。別のシステムでは、他の波長が使用されてもよい。システム１２００は、放射を改質して光硬化性材料の層に対する望ましい照射を作り出す放射改質器１２０３を含む。一構成では、放射改質器１２０３は、振幅マスク１２０４および／または位相マスク１２０６を含む。所定の照射強度プロファイルを達成するために、放射に、所定の照射強度プロファイルに関連付けられた振幅マスクおよび／または位相マスクを通過させる。振幅マスク１２０４の場合、これは、マスク上の位置に基づいて異なる透過度または減衰量を有するグレースケールマスクであってもよい。位相マスク１２０６の場合、これは、照明時に干渉パターン１２０９を提供する１次元の回折格子の形であってもよい。ボトムアップ式硬化（下のさらなる説明を参照されたい）の存在下で、所定の照射強度プロファイルは、多重露光の必要なしに微細構造パターンの作製を可能にする。
【００３２】
この構成では、照射強度プロファイルは、第１の次元１２１１に沿ってばらつきを有し、同様に第１の次元１２１１に沿ってばらつきを有する硬化深さプロファイルを生じさせる。放射改質器１２０３は、光硬化性材料１１５２の層の露光面積を第１の次元１２１１に沿って限定するためのシャッター１２０８を含んでもよい。放射改質器１２０３はまた、第１の次元１２１１に実質的に直交する第２の次元１２１２に沿って露光を限定するためのフォトレジストマスク１２１４を含んでもよい。放射源１２０２および／または放射改質器１２０３は、支持リグ１２１０により支持されている。支持リグ１２１０は、放射改質器１２０３から光硬化性材料１１５２の層への距離を変化させるように、上昇させるおよび下降させるなど、支持される構成要素を変位するよう構成される。支持リグ１２１０はまた、光硬化性材料１１５２の層の異なる部分に照射するように、第２の次元１２１２に沿って移動させるなど、放射源１２０２および放射改質器１２０３を変位するよう構成される。放射改質器１２０３の変位は、放射改質器１２０３の開口よりも大きい光硬化性材料１１５２の層の領域の露光を可能にする。
【００３３】
図１３Ａ〜１３Ｃは、変位を有するシステム１２００による光硬化性材料１１５２の層の照射の、スナップショットを例示する。例えば、フォトレジストマスク１２１４および／またはシャッター１２０８が放射露光を実質的に線の次元に限定する図１３Ａに例示するように、放射源１２０２および放射改質器１２０３は、第２の次元１２１２に沿って連続動作で移動され、放射改質器１２０３の開口よりも大きい露光面積を達成する。別の例として、フォトレジストマスク１２１４および／またはシャッター１２０８が第２の次元１２１２に沿ってより多くの放射露光を可能にする図１３Ｂに例示するように、放射源１２０２および放射器改質器１２０３は、第２の次元１２１２に沿ってシャッター式の様式で移動され（すなわち、移動−露光−シャッターの繰り返しサイクル）、放射改質器１２０３の開口よりも大きい露光面積を達成する。いずれの例でも、第１の次元１２１１沿いの硬化深さプロファイルの周期性は、第２の次元１２１２沿いの支持リグの移動の有無にかかわらず、次の微細構造パターン、すなわち、のこぎり歯リブレット幾何形状（図１５Ａ）、波形リブレット幾何形状（図１５Ｂ）、および刃形リブレット幾何形状（図１５Ｃ）のうちの１つ以上の形成という結果をもたらす。外面が乗り物の外面の一部分である場合、これらの幾何形状は、乗り物が空気または水などの流体に対して動くとき、乗り物が経験する表面摩擦抗力などの有害抗力を低減することが知られている。本質的に、図１５Ａ〜１５Ｃの微細構造パターンは、パターン形成された外面に隣接する流体境界層の分離を遅延または低減する効果を有する。流体境界層の分離の相対的な遅延または低減は、表面摩擦抗力の低減という結果をもたらす。有利には、有害抗力を低減することにより、乗り物は、例えば、燃料効率の増大を経験し得る。いくつかの異なる、例示しない微細構造パターンが図１５Ａ〜１５Ｃに示す微細構造パターンと同じ効果を有し得ることを当業者は理解するであろう。
【００３４】
図１４Ａは、微細構造パターン形成システム１４００の別の構成を例示する。システム１２００とは異なり、システム１４００は、ステップ１１０２、１１０４、および１１０６の全てを行うように構成される。システム１４００は、光硬化性コーティングを塗布するための光硬化性コーティング塗布器１４０２、光硬化性材料に所定の照射強度プロファイルを含む放射１４０３を照射するための照射器１４０４、および未硬化の光硬化性材料を除去して微細構造パターンを形成するための除去器１４０６を含む。照射器１４０４は、放射源１２０２および放射改質器１２０３を含み得る。除去器１４０６は、現像剤１４０７ａを塗布して、未硬化の光硬化性材料の、硬化済みの光硬化性材料からの分離を容易にするための現像塗布器１４０６ａを含む。除去器１４０６はまた、リンス剤１４０７ｂを塗布して、未硬化の光硬化性材料をすすぎ落すためのリンス液塗布器１４０６ｂを含む。現像剤１４０７ａの選択は、使用する光硬化性材料に依存する。例えば、現像剤は、ＵＶ硬化性コーティングの場合、鉱物性アルコールであってもよい。一部の構成では、一部の光硬化性材料については、圧縮空気による物理的除去が可能であり得る。
【００３５】
この構成では、システム１４００は、光硬化性コーティング塗布器１４０２、照射器１４０４、および除去器１４０６をこの順序で位置決めされた状態で囲い込むための囲い１４０８を含む。さらに、システム１４００は、基材１１５４の上をローリングする（光硬化性材料１１５２の有無にかかわらず）２つの車輪、すなわち前輪１４１０ａおよび後輪１４１０ｂを含む。使用中、システム１４００は、後輪１４１０ｂから前輪１４１０ａの方向にローリングさせることができる。前輪１４１０ａは、記載の方法１１００の第１のステップ（ステップ１１０２）を行う光硬化性コーティング塗布器１４０２の近くに置かれ、後輪１４１０ｂは、記載の方法１１００の最後のステップ（ステップ１１０６）を行う除去器１４０６の近くに置かれる。
【００３６】
図１４Ｂは、航空機表面１４１２上でローリングされるとき、システム１４００により方法１１００を行う際のスナップショットを例示する。光硬化性コーティング塗布器１４０２は、光硬化性コーティング１４１４を航空機表面１４１２に塗布する。図１２Ａの図と同様に、照射器１４０４内のフォトレジストマスク１２１４および／またはシャッター１２０８は、放射露光を、干渉パターン１２０９を有する実質的に線の次元に限定する。システム１４００が次元１２１２に沿ってローリングされるにつれて、光硬化性材料は、照射されると、経時的に硬化済みの光硬化性材料１４１６になり、硬化深さプロファイルを呈する。次いで、除去器１４０７が、現像およびすすぎを行って、未硬化の光硬化性材料１４１７を除去し、微細構造パターン１４１８を形成する。
【００３７】
図１４Ｃは、システム１４００に類似しているが車輪がない、微細構造パターンシステム１４５０のある構成を例示する。この構成では、放射改質器の開口よりも大きい露光面積を達成するために、システム１４５０は、システム１４００の囲い１４０８を支持するロボットアーム１４５２（車輪１４１０ａおよび１４１０ｂがない）を含み、シャッター式の様式で（すなわち、移動−露光−シャッター）または連続様式で動く。
【００３８】
図１２の構成では、放射改質器１２０３は、第２の次元１２１２において、照射強度プロファイルのいかなるばらつきも提供しない。これは、照射済みの光硬化性材料の層にわたって、第１の次元１２１１において周期性を有する周期的な硬化深さプロファイル（および、それゆえに微細構造の周期的なパターン形成）を可能にし、かつ第２の次元１２１２において実質的に非周期的なプロファイルを可能にする。例えば、支持リグ１２１０は、放射源１２０２および放射器改質器１２０３を基材１１５４に対して一定の速度で第２の次元１２１２に沿って移動させて、第２の次元１２１２において実質的に一定の硬化深さプロファイルを提供するように構成されてもよい。別の構成では、移動速度は、第２の次元１２１２において非一定の硬化深さプロファイルを提供するように、可変的な様式で制御されてもよく、変化する移動速度は、第２の次元１２１２における非一定のプロファイルに対応する。より低い移動速度は、一般により大きい硬化深さに対応し、逆もまた同様である。例えば、のこぎり歯様式の移動速度は、第２の次元１２１２において逆のこぎり歯硬化深さプロファイルをもたらし得る。さらに別の構成では、移動速度は、一定であってもよいが、全体的な強度は（強度プロファイルの有無にかかわらず）、第２の次元１２１２において非一定の硬化深さプロファイルを提供するように可変的な様式で制御されてもよく、変化する全体的な強度は、第２の次元１２１２における非一定のプロファイルに対応する。より低い全体的強度は、一般に小さい硬化深さに対応し、逆もまた同様である。例えば、のこぎり歯様式で変化する全体的な強度は、第２の次元１２１２においてのこぎり歯硬化深さプロファイルをもたらす。当業者はのこぎり歯プロファイルまたは逆のこぎり歯プロファイルが単に例示的なものであることを理解するであろうが、非一定の硬化深さプロファイルは、第２の次元に沿ってばらつきを有する様々な非一定の微細構造パターンという結果をもたらし得る。一例では、高さのばらつきは、各リブレットが、１つの次元においてのこぎり歯プロファイルを含み、直交次元においてランプアップ部、プラトー部、およびランプダウン部を含む、テーパ状のリブレット幾何形状において現れ得る。他の例は、例えば、米国特許第６，３４５，７９１号に見出すことができる。
【００３９】
ある代替的な構成では、放射改質器１２０３は、第２の次元１２１２に沿って照射強度プロファイルのばらつきを提供し、同様に第２の次元１２１２に沿ってばらつきを有する硬化深さプロファイルを生じさせるために、別の１次元の振幅マスクもしくは位相マスク（図示せず）を含んでもよく、または１次元の振幅マスクもしくは位相マスクを２次元の振幅マスクもしくは位相マスクで置き換えてもよい。この構成では、放射源１２０２および放射器改質器１２０３は、図１３Ｃに図示するように、シャッター式の仕方で移動されて、放射改質器１２０３の開口よりも大きい露光面積を達成する。第１の次元１２１１および第２の次元１２１２沿いの硬化深さプロファイルの周期性は、第２の次元１２１２沿いの支持リグの移動の有無にかかわらず、次の微細構造パターン、すなわち、蓮の葉の幾何形状（図１５Ｄ）およびスーパーオムニフォビックな幾何形状（図１５Ｅ）のうちの１つ以上の形成という結果をもたらす。これらの幾何形状のうちのいくつかは、例えば航空機の洗浄要件または保守要件を低減するために自己洗浄特性を有する。
【００４０】
図１５Ａ〜１５Ｅに示す幾何形状では、このような幾何形状の特徴サイズは、最小約１０マイクロメートル、高さ最大約１００マイクロメートルであり得る。
【００４１】
ボトムアップ式硬化
一構成では、硬化は、ボトムアップ式硬化を含む。図１１Ｂ〜１１Ｃに例示する例を参照すると、ボトムアップ式硬化は、光硬化性材料の層の外面から近位の第１の側（すなわち、底部側１１６２）で始まり、外面から遠位の対向する第２の側（すなわち、頂部側１１６４）に向かって続く硬化プロセスを指す。ボトムアップ式硬化がない場合、硬化は、照射時に瞬間的またはほぼ瞬間的であってもよい。逆に、ボトムアップ式硬化は、硬化が、底部側１１６２から頂部側１１６４に空間的かつ経時的に進行することを可能にする。ボトムアップ式硬化は、次のこと、すなわち、未硬化の光硬化性材料が除去される、光硬化性材料の層が完全に硬化する、または硬化がさらに進行することが抑止される、のうちのいずれか１つが発生するまで進行し続ける（下のさらなる説明を参照されたい）。したがって、微細構造パターンの最大高さは、次のもの、すなわち、光硬化性材料の層の厚さ、除去するステップ１１０６のタイミング、および硬化の抑止の程度、のうちの１つ以上により制御され得る。
【００４２】
ボトムアップ式硬化は、制御区域をもたらし、硬化深さプロファイルの制御およびそれゆえに微細構造パターンの提供を容易にする。例えば、照射強度および／または持続時間を制御することは、最終的な硬化深さプロファイルおよびその後の微細構造パターンに影響を与える。図１１Ｂおよび１１Ｃに例示する例では、照射強度プロファイルと硬化深さプロファイルとの間の対応関係は、整合しているか、または実質的に整合している。具体的には、硬化深さプロファイルは、のこぎり歯照射強度プロファイル１１５６に対応するのこぎり歯硬化深さプロファイル１１５８である。のこぎり歯硬化深さプロファイル１１５８は、未硬化の光硬化性材料を除去するステップ１１０６を行うことにより達成される。別の例では、対応関係は、整合していないか、実質的に整合していない場合がある。例えば、光硬化性材料がのこぎり歯照射強度プロファイル１１５６で照射され、のこぎり歯の先端が光硬化性材料層の全高に達した後もボトムアップ式に硬化され続ける場合、得られる硬化深さプロファイルは、台形プロファイルに対応し得る。
【００４３】
ボトムアップ式硬化は、いくつかの方法のうちの１つで達成され得る。一構成では、ボトムアップ式硬化は、ボトムアップ式硬化を容易にする大気中の酸素の存在に依存する。特に、光硬化性材料の少なくとも一部は、光硬化性材料内に拡散した酸素により抑制される硬化の抑止を被る。拡散した酸素は、光硬化性材料内の光重合開始剤の重合を抑止する。大気条件下では、大気中の酸素は、光硬化性材料の層の上部（すなわち、外面から遠位）により多く、光硬化性材料の層の下部（すなわち、外面から近位）により少なく拡散する。この例では、外面は、航空機の外面であってもよく、大気中の酸素は、航空機が格納庫内に保管されている間に供給されることがある。拡散した酸素および結果として生じる硬化の抑止は、光硬化性材料の層内で差別的な硬化速度を生じさせる。差別的な硬化速度は、第１の側に向かってのより高い硬化速度と、第２の側の近くのより低い硬化速度とを含む。コーティングが相対的に厚い場合、酸素抑止は、しきい値深さまでのみ測定可能または有効であり得、しきい値深さより下では、光硬化性材料は、酸素抑止がない、またはほとんどない状態で、硬化することができる。しきい値深さ未満では、光／放射が浸透するにつれての光／放射の減衰のため、硬化はより困難になる。この減衰は、ポリマー自体内への吸収および／またはコーティング内の色素による吸収により、生じ得る。
【００４４】
別の構成では、当業者なら理解するであろうが、外面は、酸素拡散レベルを制御するように所定のレベルで加圧された酸素を有し、かつそれゆえに硬化の抑止を制御する制御環境内に置かれてもよい。さらに別の構成では、当業者なら理解するであろうが、外面は、ボトムアップ式硬化または酸素がコーティング表面の下に浸透する範囲を低減するように、低減された酸素レベルを有する制御環境内に置かれてもよい。
【００４５】
後処理
記載の方法１１００は、後処理ステップをさらに含んでもよい。ステップ１１０６における微細構造パターンの形成後に、方法１１００は、硬化済みの光硬化性材料がない基材１１５４の少なくとも一部分の除去処理ステップまたは付加処理ステップを含んでもよい。図１６Ａに例示するように、上段の図は、ステップ１１０６後の方法１１００の結果を表す。結果は、硬化済みの光硬化性材料１６００により形成される微細構造パターンを、基材１１５４の上面上に有する。基材１１５４の上面はまた、硬化済みの光硬化性材料１６００がない区域１６０２を含む。図１６Ａに例示する除去処理の場合、方法１１１０は、例えば基材１１５４の上面にエッチングまたはサンドブラスト加工を行い、その後硬化済みの光硬化性材料１６００を除去することにより、基材１１５４の一部を除去するステップをさらに含む。除去処理の結果は、ステップ１１０６の結果の微細構造パターンに対応する微細構造パターンを含む、基材のみの材料である。あるいは、図１６Ｂに例示する付加処理の場合、方法１１１０は、例えば、追加の基材材料を基材１１５４の上面上に堆積させ、その後硬化済みの光硬化性材料１６００を除去することにより、追加の基材材料を添加することをさらに含む。付加処理の結果は、ステップ１１０６の結果の微細構造パターン（のネガ）に対応する微細構造パターンを含む、基材のみの材料である。
【００４６】
図６〜１５の記載の構成は、図２〜５の構成に内在する生産上の困難のうちの少なくとも一部を克服する。例えば、一構成では、基材４３は、航空機の外面の上塗りである。別の例として、図１２および１４に例示するシステムの構成は、多重露光の必要性なしに微細構造パターンの作製を可能にする。
【００４７】
図６〜１０に例示するローラー装置の特徴およびその非接触な性質は、ローラー装置を複雑な曲面および航空機の窓に適用し、それにより、より大きい適用範囲および抗力低減を確保することができることである。図１４Ａに例示するローリング可能なシステム１４００、および図１４Ｃに例示し、対応する段落に記載するロボットシステム１４５０も、類似の特徴を提供する。
【００４８】
上述の事項は、本発明の一部の実施形態のみを説明したものであり、それらの一部の実施形態に対する当業者に自明な変更を、本発明の範囲から逸脱することなしに、行うことができる。
【００４９】
本明細書で使用するとき、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語（およびその文法的変化形）は、「のみからなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｎｌｙ  ｏｆ）」という排他的意味ではなく、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という包括的な意味で使用されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年5月31日(2017.5.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細構造パターンを外面上に設ける方法であって、
光硬化性材料の層を前記外面に塗布するステップであって、前記塗布済みの光硬化性材料の層が、前記外面から近位の第１の側と、前記外面から遠位の対向する第２の側とを有する、ステップと、
前記光硬化性材料の前記塗布済みの層の前記第２の側上に放射を照射して、前記照射済みの光硬化性材料の硬化を前記第１の側から前記第２の側に向かって開始するステップと、
前記微細構造パターンを形成するために、未硬化の光硬化性材料を除去するステップと、を含む、方法。
【請求項２】
前記光硬化性材料に照射するステップが、フォトマスクを通じて前記光硬化性材料に照射するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記照射するステップが、前記光硬化性材料に所定の持続時間にわたって照射するステップを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記開始された硬化が、前記光硬化性材料の前記層にわたって、前記放射の所定の強度プロファイルに対応する硬化高さプロファイルを生じさせる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記硬化が、前記光硬化性材料の前記層内に拡散した酸素のレベルに基づく前記光硬化性材料の前記層の一部分の硬化の抑止を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第２の側の近くの前記拡散した酸素のレベルが、前記光硬化性材料の前記層の前記第１の側の近くのレベルよりも大きい、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記硬化の抑止がさらに、露光時間および／または強度に基づく、請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
前記硬化の抑止が、前記光硬化性材料内の重合を抑止する、請求項５〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記所定の照射強度プロファイルが、前記照射済みの光硬化性材料の層にわたって対応する周期的な硬化高さプロファイルを生じさせる周期的な強度プロファイルを含む、請求項４〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記周期的な硬化高さプロファイルが、前記照射済みの光硬化性材料の層にわたっての第１の次元における周期性と、前記照射済みの光硬化性材料の層にわたっての前記第１の次元に直交する第２の次元における実質的に非周期的なプロファイルとを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記実質的に非周期的なプロファイルを提供するために、前記外面に対して前記放射を前記第２の次元に沿って移動させるステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の次元における前記周期性が、以下の微細構造パターン
・のこぎり歯リブレット幾何形状
・波形リブレット幾何形状、および
・刃形リブレット幾何形状
のうちの任意の１つ以上を形成させる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記周期的な硬化高さプロファイルが、前記照射済みの光硬化性材料の層にわたっての第１の次元における周期性と、前記照射済みの光硬化性材料の層にわたっての前記第１の次元に直交する第２の次元における周期性とを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の次元における前記周期性と、前記第２の次元における前記周期性とが、以下の微細構造パターン
・蓮の葉の幾何形状、および
・スーパーオムニフォビックな幾何形状
のうちのいずれかまたは両方を生じさせる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記微細構造パターンの形成後に、硬化した光硬化性材料がない前記外面の少なくとも一部分の除去処理をさらに含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記微細構造パターンの形成後に、硬化した光硬化性材料がない前記外面の少なくとも一部分の付加処理をさらに含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１〜１６および１８〜２０のいずれか一項に記載の方法を行うためのシステム。
【請求項１８】
照射するステップが、前記塗布済みの光硬化性材料の層から調節可能な距離に位置付けられた前記フォトマスクを介して、前記塗布済みの光硬化性材料の層に照射するステップを含む、請求項２〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
照射するステップが、前記塗布済みの光硬化性材料の層に４０５ｎｍで照射するステップを含む、請求項１〜１６および１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
照射するステップが、前記塗布済みの光硬化性材料の層に４０５ｎｍで照射するステップを含む、請求項１〜１６および１８のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
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