(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の凹凸深さを有する樹脂成形品用のスタンパの製造方法であって、
基板上にネガ型レジスト層を形成するステップと、
前記ネガ型レジストを露光するステップと、
前記露光ステップの後に、前記ネガ型レジスト層の形成された基板上にレジスト層を形成するステップと、
前記ネガ型レジストに凹凸パターンを形成するステップと、
前記レジストの凹凸パターンであって、前記ネガ型レジストの凹凸パターンと異なる凹凸パターンを、リソグラフィー処理により形成するステップと、
前記ネガ型レジストの凹凸パターンと前記レジストの凹凸パターンとが形成された基板に、めっき処理によって金属を付着させるステップと、
を備え、
前記ネガ型レジストに凹凸パターンを形成するステップは、
前記ネガ型レジストの露光後に、現像処理を行い前記ネガ型レジストのパターンを形成し、
前記レジスト層を形成するステップは、
前記ネガ型レジストのパターン形成後に前記レジスト層を形成し、
前記レジストに凹凸パターン形成するステップは、
前記レジスト層形成後に、露光及び現像処理を行い、凹凸パターンを形成する、樹脂成形品用のスタンパの製造方法。
【請求項２】
前記ネガ型レジストの凹凸パターンの凹部の一部と、前記レジストの凹凸パターンの凹部の一部が重なり、
前記レジストパターンの重なる凹部の幅が、前記ネガ型レジストの重なる凹部の幅よりも大きい、請求項１に記載のスタンパの製造方法。
【請求項３】
複数の凹凸深さを有する樹脂成形品用の製造方法であって、
請求項１に記載の方法によりスタンパを形成するステップと、
前記スタンパを使用して樹脂成形品を成形するステップと、
を有する樹脂成形品用の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂成形品の製造方法、樹脂成形品用スタンパの製造方法、燃料電池用流路部材の製造方法、流路部材用スタンパの製造方法、燃料電池用流路部材及び燃料電池に関し、さらに詳しくは異なる凹凸深さを有する樹脂成形品の製造方法、樹脂成形品用スタンパの製造方法、燃料電池用流路部材の製造方法、流路部材用スタンパの製造方法、燃料電池用流路部材及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、酸素と水素原料から水を合成することを基本反応としているが、電荷担体や電解質の違いから、５種類の型式に大別される。従来の電池(１次電池又は２次電池)では、セル内に電極と電解質が存在、密閉系における電解質/電極界面での反応が主であった。しかし、燃料電池では原料を連続的に電極に供給する方式であるため、セル内には原料流路が存在する。
【０００３】
例えば、原料を供給する貫通孔（ポート）と流路（チャネル）を有するセパレーターもしくは電極等の原料供給用の流路部材を複数重ね合わせて配置してセルを形成する。そして、貫通孔から原料ガスを供給して、セル内の電気化学的反応により電流を得て発電している。
【０００４】
流路は、セパレーターもしくは電極等自体に形成する必要があり、耐食性・電気伝導性・薄肉剛性を有した材料選定が必要である。また、流路は型式により微細性は異なるが、家電用に開発中のダイレクトメタノール型（ＤＭＦＣ）は、５０〜１００μｍの溝が妥当と考えられている。材料には、流路部材にはＳＵＳ・Ｎｉに代表される金属板を用いるものあるいは導電性樹脂等の導電性炭素材を成形したものを用いるものがあるが開発されている。導電性炭素材を用いたものでは微細加工技術が必要となる。
【０００５】
金属板を用いたセパレーターではフォトリソグラフィにより、金属板に溝及び貫通孔を形成している（例えば、非特許文献１）。これにより、精度よく形成されたセパレーターを製造することができる。しかしながら、この方法ではそれぞれの基板毎にレジスト塗布、露光、現像、エッチング及びレジスト剥離工程を行う必要がある。従って、生産性が低く燃料電池のコスト低減が困難であった。
【０００６】
【非特許文献１】Ｍｕ  Ｃｈｉａｏ，Ｋｉｅｎ  Ｂ．Ｌａｍ，ａｎｄ  Ｌｉｗｅｉ  Ｌｉｎ"ＭＩＣＲＯＭＡＣＨＩＮＥＤ  ＭＩＣＲＯＢＩＡＬ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬＳ"ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）２００３，Ｋｙｏｔｏ  Ｊａｐａｎ，ｐｐ３８３−３８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように従来の方法では精度良く形成された多段構造の燃料電池用セパレーターを生産性良く製造することができないという問題点があった。
【０００８】
本発明は以下の問題点に鑑みてなされたものであり、異なる凹凸深さを有するパターンを有する樹脂成形品の製造方法、樹脂成形品用スタンパの製造方法、燃料電池用流路部材の製造方法、流路部材用スタンパの製造方法並びに異なる凹凸深さを有するパターンが精度よく形成された燃料電池用流路部材及びそれを備える燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にかかる樹脂成形品用スタンパの製造方法は複数の凹凸深さを有する樹脂成形品用のスタンパの製造方法であって、基板（例えば、本実施の形態における基板１）上にネガ型レジスト層（例えば、本実施の形態における１層目のレジスト２）を形成するステップと、前記ネガ型レジストを露光するステップと、前記露光ステップの後に、前記ネガ型レジスト層が形成された基板上にレジスト層を形成するステップと、前記ネガ型レジストに凹凸パターン（例えば、本実施の形態における１層目のレジストパターン２ａ）を形成するステップと、前記レジストの凹凸パターンであって、前記ネガ型レジストの凹凸パターンと異なる凹凸パターン（例えば、本実施の形態における２層目のレジスト５）を、リソグラフィー処理により形成するステップと、前記ネガ型レジストの凹凸パターンと前記レジストの凹凸パターンとが形成された基板に、めっき処理によって金属を付着させるステップと、を備えるものである。これにより、多段構成のパターンが精度よく形成されたスタンパを生産性よく製造することができる。
【００１０】
本発明にかかる樹脂成形品用スタンパの製造方法は上述の製造方法であって、前記ネガ型レジストに凹凸パターンを形成するステップは、前記ネガ型レジストの露光後に、現像処理を行い前記ネガ型レジストのパターンを形成し、前記レジスト層を形成するステップは、前記ネガ型レジストのパターン形成後に前記レジスト層を形成し、前記レジストに凹凸パターン形成するステップは、前記レジスト層形成後に、露光及び現像処理を行い、凹凸パターンを形成するものである。これにより、異なる凹凸深さを有するパターンが精度よく形成されたスタンパを生産性よく製造することができる。
【００１１】
上述の製造方法において前記ネガ型レジストの凹凸パターンの凹部の一部と、前記レジストの凹凸パターンの凹部の一部が重なり、前記レジストパターンの重なる凹部の幅を、前記ネガ型レジストの重なる凹部の幅よりも大きくすることも可能である。これにより、２段以上の段差を有する階段状のパターンが精度よく形成されたスタンパを生産性よく製造することができる。
【００１２】
本発明にかかる樹脂成形品の製造方法は、複数の凹凸深さを有する樹脂成形品用の製造方法であって、上述の製造方法によりスタンパを形成するステップと、前記スタンパを使用して樹脂成形品を成形するステップと、を有するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、精度良く形成された多段構成の樹脂成形品の製造方法、燃料電池用流路部材用の製造方法およびそれらに使用されるスタンパ並びに燃料電池用流路部材及び燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施の形態ついて以下に図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものを実質的に同様の内容を示している。
【００１５】
発明の実施の形態１．
本実施の形態にかかる樹脂成形品及びスタンパの製造方法について図１を用いて説明する。図１は本実施の形態にかかるスタンパの製造工程を示す断面図である。１は基板、２は１層目のレジスト、３は１層目のマスク、５は２層目のレジスト、６は２層目のマスク、７は第２の中間構造体、８はスタンパである。
【００１６】
本実施の形態では基板上１に１層目のレジスト２を塗布する。１層目のレジスト２にはネガ型の感光性レジストが用いられている。マスク３を用いて露光すると、図１（ａ）に示す構成となる。そして、現像液により現像する。本実施の形態ではネガ型レジスト（例えば、東京応化工業株式会社製ＣＡ３０００）を用いているため、光が照射されない領域のレジストが現像液に溶け出す。よって、光が照射されていない領域すなわち露光されていない領域のレジストが除去されるよう、レジストパターンが形成される。基板上に残存するレジストパターンは既に変質されているため、２層目以降の露光工程の影響を受けることがない。よって、所望の造形深さの溝を有するパターンを形成することができる。
【００１７】
１層目のレジストパターン２ａを有する基板上に２層目のレジスト５を塗布する。２層目のレジスト５にはポジ型の感光性レジストを用いている。１層目のレジストパターン２ａの凹部にもレジスト５が形成される。２層目のマスク３を用いて露光すると図１（ｂ）に示す構成となる。現像することにより、光が照射された領域の２層目のレジスト５が除去される。ここでは１層目のレジストパターン２ａが設けられている領域の一部に光を照射しないようなパターンを有するマスク６により露光している。そのため、基板上には１層目のレジスト２で形成された凸部の上にさらに２層目のレジスト５により２段目の凸部が形成される。これにより、基板１は２段の階段状のパターンを有する多段構成となる。導電化、電鋳処理を行い、この多段構成となった基板と逆パターンのスタンパ８を形成する。このようにしてスタンパ８を形成することが出来る。このスタンパ８を用いて射出成形等することにより、樹脂成形品を製造することができる。
【００１８】
１層目のレジストにポジ型のものを用いた場合、光が照射されていない領域のレジストパターン２ａが残存する。そのため、２層目以降の露光工程で２層目のレジストの上から１層目のレジストパターン２ａが設けられている領域に光が照射された場合、１層目のレジストパターン２ａが変質し、２層目以降の現像工程で溶け出す恐れがある。本実施の形態では１層目のレジストをネガ型としているため、２層目の露光工程で１層目のレジストパターン２ａに対応する領域に光が照射された場合でも、溶け出す恐れがない。２層目の露光工程において１層目のレジストパターン２ａの面まで現像することができ、レジストパターンを精度よく形成することができる。このように、１層目のレジスト２にネガ型の感光性レジストを用いることにより、第１の中間構造体を形成しなくても、精度よく形成された２段以上の段差を有する多段構成のスタンパを生産性よく形成することができる。
【００１９】
このスタンパ８により、樹脂成形品に所望の造形深さを有する溝を精度良く形成することが出来る。これにより、生産性を向上することができる。特に、凹部にレジストが残存することがなくなるため、樹脂成形品に精度よく角型の溝を形成することが可能になる。上述の製造方法では１層の深さが数十μｍ程度で幅が数十μｍのパターンを有する樹脂成型品を精度よく形成することができる。
【００２０】
また、上述のスタンパ８を用いて導電性樹脂等の導電性炭素材を例えば、射出成型又はプレス成型により成型することにより、図６に示す燃料電池用原料を供給するための流路が形成された流路部材を製造することができる。図６は流路部材の一つであるセパレーター１００の構成を示す斜視図である。セパレーターにはポート１０１となる２つの貫通孔が設けられている。一方のポート１０１から酸素や水素等の原料ガスが流入され、他方のポート１０１から原料が排出される。セパレーターの中央には複数の溝が形成され、この溝が２つのポートの間を接続するチャネル１０３（流路）となる。
【００２１】
本実施の形態にかかるスタンパの製造方法により形成したスタンパを用いることにより、溝の幅が２μｍ〜１００μｍでアスペクト比が１以上のパターンを有する導電性炭素材を精度よく成型することができる。従って、電気化学反応を促進するための流路及び流路に原料を供給するための貫通孔を精度よく形成することができる。さらに１対のセパレーター１００の間に電極及び電解質を設けることによって燃料電池を形成することができる。これにより、燃料電池の発電効率を向上することができる。
【００２２】
図１（ｄ）に示すようなスタンパ８を流路部材の製造に用いる場合、凸部の１段目は浅い溝が形成される。そのため、凸部の１段目に対応する箇所は、流路部材において、電気化学的反応を促進するための流路（チャネル）の形成に適している。凸部の２段目は深い溝が形成されるため、流路部材における原料供給用の貫通孔（ポート）の形成に適している。このように形成する場合、１層目のマスク３は貫通孔の反転パターンとすればよく、２層目のマスク６は流路と同じパターンとすればよい。このような流路と同じパターンのマスク及び貫通孔と同じパターンのマスクで露光すれば、プリント燃料電池の流路部材の流路と貫通孔を形成するためのスタンパ８を製造することができる。このスタンパ８を用いて導電性炭素材を成形することにより燃料電池の原料を供給するための流路が形成されたセパレーター等の流路部材が製造される。流路部材としては、原料の流路が形成されていればよく、原料流路が形成された電極も含まれる。
【００２３】
参考例１．
本参考例にかかる流路部材及びスタンパの製造方法について図２を用いて説明する。図２は本参考例にかかるスタンパの製造工程を示す断面図である。図１で付した符号と同一の符号は同一の構成を示すため説明を省略する。また、実施の形態１と同様の工程については、実施の形態１で説明した内容と同様であるため説明を省略する。
【００２４】
本参考例では基板上１に１層目のレジスト２を塗布する。１層目のレジスト２にはネガ型の感光性レジストが用いられている。１層目のマスク３を用いて露光すると、図２（ａ）に示す構成となる。
【００２５】
本参考例では１層目のレジスト２を現像しないまま、その上から２層目のレジスト５を塗布する。なお、２層目のレジスト５にもネガ型の感光性レジストを用いている。１層目のレジスト２の潜像の上に２層目のレジスト５が形成されることになる。ここで１層目のレジスト２において、光が照射され現像液に溶け出さない部分をレジストパターン２ａとし、光が照射されず現像液に溶け出す部分を潜像部分２ｂとする。２層目のマスク６を用いて露光すると図２（ｂ）に示す構成となる。そして、１層目のレジスト２と２層目のレジスト５を同時に現像する。１層目のレジスト２と２層目のレジスト５は同じレジスト又は同種のレジストを用いているため、同じ現像液で現像することが出来る。１層目のレジスト２の潜像部分２ｂが２層目のレジスト５の光が照射されていない部分と同時に除去され、１層目のレジストパターン２ａと２層目のレジストパターン５ａが形成される。ここで、図２（ｃ）に示すように基板に多段構成のレジストパターンを形成することが出来る。これにより、現像工程を１回省略することができ、生産性を向上することができる。この多段構成の基板に導電化、電鋳処理を施すことにより、スタンパ８が形成される。このスタンパ８を用いて、射出成形等をすることにより樹脂成形品が製造される。
【００２６】
本参考例では１層目及び２層目のレジストをネガ型としているため、光が照射しない領域のレジストの潜像部分２ｂが現像液に溶け出す。２層目の露光工程において、潜像部分２ｂを露光しないようなパターンを有するマスク３を用いることにより、１層目のレジストパターン２ａを変質させることなく、２層目のレジストを露光することができる。すなわち、１層目のレジスト２の光が照射されてない領域（潜像部分２ｂ）の上に設けられた２層目のレジスト６には、２層目の露光工程で光が照射されないようにしている。このようなパターンを有するマスク６を用いて露光することにより、１層目のレジストパターン２ａを精度よく形成することができる。１層の深さが数十μｍ程度で幅が数十μｍのパターンを有する樹脂成型品を精度よく形成することができる。
【００２７】
また、上述のスタンパ８を用いて導電性炭素材を成型することにより、実施の形態１と同様に燃料電池用の原料を供給するための流路が形成された流路部材を製造することができる。特に導電性炭素材に幅２μｍ〜１００μｍでアスペクト比１以上の溝パターンを形成することに好適である。図２（ｄ）に示すようなスタンパ８を流路部材の製造に用いる場合、凸部の１段目は浅い溝が形成される。そのため、凸部の１段目に対応する箇所は流路部材の流路（チャネル）の形成に適している。凸部の２段目は深い溝が形成されるため、基板を貫通する貫通孔（ポート）の形成に適している。このように形成する場合、１層目のマスク３は貫通孔の反転パターンとすればよく、２層目のマスク６は流路の反転パターンとすればよい。このような流路と同じパターンのマスク及び貫通孔と同じパターンのマスクで露光すれば、流路部材の流路と貫通孔を形成するためのスタンパ８を製造することができる。このスタンパ８を用いて導電性炭素材を成形することにより燃料電池の原料を供給するための流路が形成されたセパレーター等の流路部材が製造される。
【００２８】
発明の実施の形態２．
本実施の形態にかかる流路部材及びスタンパの製造方法について図３を用いて説明する。図３は本実施の形態にかかるスタンパの製造工程を示す断面図である。図１で付した符号と同一の符号は同一の構成を示すため説明を省略する。９は３層目のレジストである。また、実施の形態１又は参考例１と同様の工程については、実施の形態１又は参考例１で説明した内容と同様であるため説明を省略する。本実施の形態では、３層目のレジストを形成して、３段構成のスタンパを形成している。
【００２９】
本実施の形態では基板上１に１層目のレジスト２を塗布する。１層目のレジスト２にはネガ型の感光性レジストが用いられている。マスク３を用いて露光すると、図３（ａ）に示す構成となる。そして現像処理を行い、１層目のレジスト２をパターニングする。その上から２層目のレジスト５を塗布する。２層目のレジスト５にはポジ型の感光性レジストを用いている。２層目のマスク６を用いて露光すると図３（ｂ）に示す構成となる。２層目のレジスト５を現像すると露光された領域が現像液に溶け出し、１層目のレジストパターン２ａの上に２層目のレジストパターン５ａが形成される。これにより、１段目の凸部の上にさらに２段目の凸部が形成された２段構成となる。さらに３層目のレジスト９を塗布する。３層目のレジスト９にはネガ型のレジストを用いている。この３層目のレジストを現像すると２層目のレジストパターン５ａの上にさらに３層目のレジストパターンが形成され、図３（ｄ）に示すような３段構成となる。この３段構成の基板に導電化、電鋳処理を施すことにより、図３（ｅ）に示す基板と逆パターンのスタンパ８が形成される。これにより、中間構造体を設けることなく、３段構成のスタンパを精度よく形成することができ、生産性を向上することができる。
【００３０】
このスタンパ８を用いて、射出成形等をすることにより樹脂成形品が製造される。また、上述の製造方法では１層の深さが数十μｍ程度で幅が数十μｍのパターンを有する樹脂成形品を精度よく形成することができる。さらに、上述のスタンパ８を用いて導電性炭素材を成型することにより、実施の形態１と同様に燃料電池用の原料を供給するための流路部材を製造することができる。この場合、貫通孔及び異なる深さを有する流路を形成することができる。本実施の形態にかかるスタンパの製造方法により形成したスタンパを用いることにより、溝の幅が２μｍ〜１００μｍでアスペクト比が１以上のパターンを有する導電性炭素材を精度よく成型することができる。従って、電気化学反応を促進するための流路及び流路に原料を供給するための貫通孔を精度よく形成することができる。さらにセパレーターの生産性を向上することができ、燃料電池のコスト低減を図ることができる。
【００３１】
発明の実施の形態３．
本実施の形態にかかる樹脂成形品及びスタンパの製造方法について図４を用いて説明する。図４は本実施の形態にかかるスタンパの製造工程を示す断面図である。図１で付した符号と同一の符号は同一の構成を示すため説明を省略する。また、実施の形態１、２、又は参考例１と同様の工程については、実施の形態１、２、又は参考例１で説明した内容と同様であるため説明を省略する。
【００３２】
まず、基板１上に１層目のレジスト２を塗布する。１層目のレジスト２にはネガ型の感光性レジストが用いられている。マスク３を用いて露光すると、図４（ａ）に示す構成となる。そして現像処理を行い、１層目のレジスト２をパターニングすると１層目のレジストパターン２ａが形成される。その上から２層目のレジスト５を塗布する。ここで２層目のレジスト５にはポジ型の感光性レジストを用いている。２層目のレジスト５は１層目のレジスト２より厚く塗布している。２層目のマスク６を用いて２層目のレジスト５を露光すると図４（ｂ）に示す構成となる。２層目のレジスト５を現像すると２層目のレジストパターン５ａが形成される。図４（ｃ）に示す様に、凸部の中に凹部が形成され、異なる高さの凸部のレジストパターンを基板上に形成することができる。
【００３３】
本実施の形態では１層目のレジスト２にネガ型のレジストを用いているため、２層目の露光工程で光が照射されても１層目のレジストが現像液に溶け出すことがない。さらに１層目のレジストと２層目のレジストで厚さを変えて塗布しているので高さの異なる凸部を有するパターンを形成できる。もちろん、異なる部分に異なる高さの凸部が形成された多段構成のパターンを形成しても良い。導電化、電鋳処理を行うことにより、図４（ｄ）に示すスタンパ８が形成される。このスタンパ８を用いて射出成形等を行うことにより、１層の深さが数十μｍ程度で幅が数十μｍのパターンを有する樹脂成型品を精度よく形成することができる。
【００３４】
さらに、上述のスタンパ８を用いて導電性炭素材を成型することにより、実施の形態１と同様に燃料電池用の原料を供給するための流路が形成された流路部材を製造することができる。本実施の形態にかかる製造方法により形成したスタンパを用いることにより、幅２μｍ〜１００μｍ、アスペクト比１以上の溝パターンを有する導電性炭素材を精度よく成型することができる。従って、電気化学反応を促進するための流路及び流路に原料を供給するための貫通孔を精度よく形成することができる。
【００３５】
その他の実施の形態．
上述の実施の形態を用いることにより、面内に精度良くライン＆スペース、楕円を含む円柱状、及び四角柱などの多角柱のパターンが混在して形成されたスタンパを生産性よく製造することができる。例えば、図５に示すような多段構成の樹脂成形品用スタンパ及び流路部材用スタンパを製造することができる。もちろん、図５（ａ）、図５（ｂ）に形成されたスタンパを一例であり、図示した形状に限られるものではない。なお、本発明は２段構成又は３段構成のスタンパに限らず、４段以上の多段構成をなすスタンパに用いることができる。この場合、流路部材には深さの異なる流路を形成することができる。
【００３６】
また、それぞれの実施の形態を組み合わせて用いることも可能である。また、本発明の樹脂成形品用スタンパを用いて血液粘度測定用チップ等のマイクロデバイスあるいはプリント配線基板を作成することもできる。さらに、実施の形態で説明した場合を除き、ネガ型のレジストをポジ型のレジストにすることができ、ポジ型のレジストをネガ型のレジストにすることも可能である。特に２層目以降のレジストはポジ型、ネガ型にいずれを用いることが可能である。
【００３７】
本発明にかかる流路部材はＤＭＦＣ型の燃料電池に限ることなく、例えば、固体高分子型（ＰＥＦＣ）の燃料電池に対して利用することが可能である。さらには燃料電池のリアクターを成型するためのスタンパとしても利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるスタンパの製造方法を示す断面図である。
【図２】本発明の参考例１にかかるスタンパの製造方法を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかるスタンパの製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態３にかかるスタンパの製造方法を示す断面図である。
【図５】本発明により製造された樹脂成形品又は樹脂成型品用スタンパの１例を示す斜視図である。
【図６】本発明にかかるセパレーターの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  基板、２  １層目のレジスト、３  １層目のマスク、５  ２層目のレジスト、６  ２層目のマスク、８  スタンパ、９  ３層目のレジスト、１００  セパレーター、１０１  チャネル、１０３  ポート
【図１】
0004383182.tif 000002
【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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