JP2009292089A

JP2009292089A - 成形型及びそれを用いて成形したマイクロレンズ

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Publication number: JP2009292089A
Application number: JP2008149212A
Authority: JP
Inventors: Ryusuke Naito; 龍介内藤
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2009-12-17
Also published as: CN101596758A; EP2130659A1; US20090306322A1

Abstract

【課題】精密な成形型の成形面の形状を設計通りに光学部品に転写することができる成形型、該成形型を用いるマイクロレンズの製造方法、及び該方法により製造されるマイクロレンズを提供すること。
【解決手段】膜厚１０〜５００ｎｍのフッ素系樹脂を含む離型層が成形型の成形面に形成されてなることを特徴とする成形型、該成形型を用いて樹脂を成形してマイクロレンズを製造する、マイクロレンズの製造方法、及び該製造方法により製造されるマイクロレンズ。
【選択図】なし

Description

本発明は、成形型、マイクロレンズの製造方法及びマイクロレンズに関する。

含フッ素重合体水性組成物を離型剤として成形型の成形面に塗布して塗膜することが開示されている（特許文献１）。しかし、特許文献１に記載される塗膜の厚みは、１〜１００μｍと比較的厚いのでマイクロレンズ、光導波路、光学素子等の微細な精密形状を有する光学部品の成形には不適切である。つまり、厚みが大きい場合、成形型の成形面の微細な凹凸形状に追従するような離型層を形成することが困難であり、例えば、成形型の成形面の微細な凹凸形状を潰してしまうことがあるために、精密な成形型の成形面の形状を設計通りに光学部品に転写することができない。
特開２００７−６３４８２号公報

本発明の課題は、精密な成形型の成形面の形状を設計通りに光学部品に転写することができる成形型、該成形型を用いるマイクロレンズの製造方法、及び該方法により製造されるマイクロレンズを提供することである。

本発明は、離型層の膜厚を１０〜５００ｎｍにすることにより上記課題を解決した。従って、本発明の要旨は、
［１］膜厚１０〜５００ｎｍのフッ素系樹脂を含む離型層が成形型の成形面に形成されてなることを特徴とする成形型、
［２］前記［１］記載の成形型を用いて樹脂を成形してマイクロレンズを製造する、マイクロレンズの製造方法、及び
［３］前記［２］記載の製造方法により製造されるマイクロレンズ
に関する。

本発明によれば、精密な成形型の成形面の形状を設計通りに光学部品に転写することができる成形型、該成形型を用いるマイクロレンズの製造方法、及び該方法により製造されるマイクロレンズを提供することができる。

本発明の成形型は、膜厚１０〜５００ｎｍのフッ素系樹脂を含む離型層が成形型の成形面に形成されてなることを特徴とする。本発明において、「成形型の成形面」とは、例えば、マイクロレンズの成形に用いる場合、所定のマイクロレンズ形状と逆の形状を有する成形型の表面のことをいい、「離型層」とは、該成形型の成形面上に形成され、かつ成形対象物を成形型から容易に離すことができる層であって、精密な成形型の成形面の形状を設計通りにマイクロレンズに転写することができるように設けられる層のことをいう。

本発明において、成形型を形成する基材は、Ｎｉ、Ａｌ、青板ガラス、石英、シリコーンウエハ、ポリイミド及びポリカーボネートからなる群より選択されることが好ましい。例えば、これらの表面に電子線描画、切断、レーザー等の方法を用いて所定の形状を加工して成形型を得ることができる。また、所定の形状を有する原版に対してＮｉ、Ａｌ等を電鋳する方法を用いて成形型を得ることもできる。なかでも、一度に大きな面積を比較的簡便に作製することができるという生産性の観点から、電鋳を用いた金属メッキで得られるＮｉ成形型を用いることが好ましい。

本発明の好ましい態様において、成形型の製造方法は、（ａ）マイクロレンズと同一の形状を有する原版を作製する工程、及び（ｂ）該原版を用いてマイクロレンズと逆の形状を有する成形型を作製する工程を含む。

工程（ａ）において、原版は、青板ガラス、石英、シリコーンウエハ、ポリイミド等であることが好ましい。また、電子線描画、露光、切断、レーザー照射等の方法を用い、所定のマイクロレンズと同一の形状を加工して原版を作製することができる。ここで、マイクロレンズは、直径２〜１００μｍ、高さ２〜１００μｍを有することが好ましい。

工程（ｂ）において、マイクロレンズ形状を有する原版と逆の形状を有する成形型は、Ａｌ、Ｎｉ等を用いた電鋳によって、原版の表面に金属を電解メッキした後、原版からメッキ金属を離型して作製することができる。

本発明において、離型層は、上記成形型の成形面に形成されて微細な光学部材が製造できるような層であればよく、好ましくは後述されるフッ素系樹脂を含む分散液を成形型の成形面に塗布、乾燥、及び焼成して形成されてなる。

フッ素系樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、及びテトラフルオロエチレン／パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）共重合体（ＰＦＡ）からなる群より選択されることが好ましい。溶融加工性の観点から、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン／パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）共重合体（ＰＦＡ）が好ましく、さらに表面粗さの観点から、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）が好ましい。

また、フッ素系樹脂の形態は、分散液を用いて塗布、乾燥及び焼成する点から、粒子であることが好ましい。

フッ素系樹脂粒子の平均粒子径は、離型層の薄膜化及び表面粗さの観点から、好ましくは５０〜５００ｎｍ、より好ましくは２５０ｎｍ以下であることが好ましい。平均粒子径は大塚電子社製ＥＬＳ−８０００を用いて測定することができる。

フッ素系樹脂粒子は、分散液中に含まれることが好ましく、分散液の媒体は、フッ素系樹脂粒子が分散する液体であれば、特に限定されないが、例えば水が好ましい。

分散液中のフッ素系樹脂粒子の濃度は、離型層の薄膜化と成形物の離型性の観点から、好ましくは０．１〜３重量％、より好ましくは０．２〜３重量％、さらに好ましくは１〜３重量％である。

上記分散液の２５℃における粘度は、離型層の薄膜化の観点から、好ましくは１〜２ｍＰａ・ｓ、より好ましくは１〜１．４ｍＰａ・ｓである。粘度は、ＴｈｅｒｍｏＨＡＡＫＥ社製ＨＡＡＫＥＲｈｅｏＳｔｒｅｓｓ６００を用いて測定することができる。

上記分散液は、本発明の効果を損なわない範囲で、界面活性剤としてのポリオキシエチレンアルキルエーテル等の任意成分を含んでいてもよい。

上記分散液の塗布方法は、ディップコート法、スピンコート法、スプレー塗工法等の一般的な方法であれば、特に限定されない。

乾燥方法は、分散液の媒体が蒸発する条件であれば、特に限定されないが、６０〜３００℃で１〜６０分間行うことが好ましい。

焼成方法は、フッ素系樹脂粒子が溶融する温度であれば、特に限定されないが、通常、２６０〜３８０℃で５〜３０分間行うことが好ましい。溶融が不十分である場合は得られる膜にクラックが生じたり、膜の表面粗さが大きくなる。また、焼成しすぎる場合はフッ素系樹脂粒子が分解してしまう。

上記によって、成形型の成形面に離型層を形成することができる。離型層の膜厚は、成形物を設計通りに作製することおよび成形物の特性の観点から、１０〜５００ｎｍであり、好ましくは１０〜３００ｎｍ、より好ましくは１０〜１００ｎｍである。離型層の膜厚は、成形型の断面について透過型電子顕微鏡を用いて測定することができる。本発明において、上記範囲の膜厚を有する離型層は、成形型の成形面の微細な凹凸形状を潰すことがないように設けられているため、精密な成形型の成形面の形状を設計通りに光学部品に転写することができる。

離型層の表面粗さ（Ｒａ）は、光散乱要因にならない程度の平滑性を有していればよく、好ましくは１〜５０ｎｍ（入射光の波長の１／２０程度）、より好ましくは１〜４０ｎｍであることが好ましい。例えば、マイクロレンズにおいて、入射光の波長が８５０ｎｍである場合は、表面粗さは４０ｎｍ以下であることが好ましい。なお、表面粗さは原子間力顕微鏡を用いて測定することができる。

本発明の成形型は、マイクロレンズ、光導波路、光学素子等の光学部品の成形に好適に用いることができる。従って、本発明は、上記成形型を用いて樹脂を成形してマイクロレンズを製造する、マイクロレンズの製造方法を提供する。本発明の好ましい態様において、マイクロレンズの製造方法は、好ましくは（ａ）成形型を樹脂に対して配置する工程、及び（ｂ）プレス手段を用いて樹脂を成形する工程を含む。また、これらの工程（ａ）と工程（ｂ）は同時に行うこともできる。

上記マイクロレンズの製造方法において、樹脂は、耐熱性および硬化収縮の観点から、スチレン系ポリマー又はエポキシ系ポリマー等であることが好ましく、成形性の観点から樹脂のガラス転移点Ｔｇが１２０℃以下であることが好ましい。樹脂は、生産性の点から、シート状にして用いることができ、成形型に対応させて適宜配置することができる。

また、プレス手段を用いて樹脂を成形する際の圧力、温度等は樹脂により適宜選択される。また、必要により、系中を真空にしてもよい。例えば、スチレン系ポリマーを用いる場合、真空度は１０ｈＰａ以下、圧力は０．２ＭＰａ以上、温度は１４０℃以上、温度は２分間以上のような条件下でプレス成形することがマイクロレンズの形状転写性の観点から好ましい。

また、本発明は上記製造方法により製造されるマイクロレンズを提供するものである。例えば、マイクロレンズは、レンズ径２〜１００μｍ、レンズ高２〜１００μｍであることが好ましい。また、マイクロレンズを成形する場合の離型層の膜厚は、１０〜５００ｎｍであり、１０〜３００ｎｍであることが好ましい。１０ｎｍより薄い場合はプレス成形の際の離型性が低下する傾向があり、３００ｎｍより厚い場合はマイクロレンズの輝度が低下する傾向がある。

実施例１
マイクロレンズと同一の形状を有する原版を作製するために、ポリイミドの原版について、エキシマレーザーを用いて直径１０μｍ、高さ５μｍのマイクロレンズ形状を加工して、次に該原版を用いてＮｉの電鋳を行いマイクロレンズと逆の形状を有するＮｉ成形型（たて５ｃｍ×よこ５ｃｍ×厚さ１２０μｍ）を作製した。次にＦＥＰを含む水性分散液（三井デュポンフロロケミカル社製、ＦＥＰ−１２０ＪＲ、平均粒子径２１０ｎｍ）を粘度１．０ｍＰａ・ｓ（２５℃）、ＦＥＰ濃度０．１重量％になるように水で希釈した分散液をスピンコート法により該Ｎｉ成形型の形成面に、塗布して８０℃５分間乾燥してさらに３５０℃１５分間焼成することで膜厚１０ｎｍの離型層を形成して成形型を得た。なお、離型層の表面粗さは、５ｎｍであった。

この成形型をポリスチレンシートに対して配置した後、真空プレス機：ニチゴーモートン社製Ｖ１３０を用いて、真空度５ｈＰａ、圧力０．５ＭＰａで１６０℃２分間プレス成形を行い、マイクロレンズを製造した。製造されたマイクロレンズについてディスプレイパネルにマイクロレンズを設置し、輝度計（ＢＭ−９、トプコンテクノハウス社製）を用いて、パネル直上に対して、検出角０．２°の範囲で、かつパネルと輝度計の距離が３５０ｍｍとなるようにして輝度を評価した。マイクロレンズ設置による輝度増加量が７０％以上であると判断できたため、マイクロレンズが精密な成形型の成形面の形状に対応して設計通りに成形されていることを確認した。

実施例２
分散液の粘度を１．２ｍＰａ・ｓ（２５℃）、分散液中のＦＥＰ濃度を０．２重量％にした以外は、実施例１と同様にして膜厚５０ｎｍの離型層が形成された成形型を得た。なお、離型層の表面粗さは５ｎｍであった。更に、実施例１と同様にマイクロレンズを製造した。製造されたマイクロレンズについて実施例１と同様に輝度を評価し、マイクロレンズ設置による輝度増加量が７０％以上であると判断できたため、マイクロレンズが精密な成形型の成形面の形状に対応して設計通りに成形されていることを確認した。

実施例３
分散液の粘度を１．４ｍＰａ・ｓ（２５℃）、分散液中のＦＥＰ濃度を１重量％にし、ディップコート法を用いた以外は実施例１と同様にして膜厚３００ｎｍの離型層が形成された成形型を得た。なお、離型層の表面粗さは５ｎｍであった。更に実施例１と同様にしてマイクロレンズを製造した。製造されたマイクロレンズについて実施例１と同様に輝度を評価し、マイクロレンズ設置による輝度増加量が７０％以上であると判断できたため、マイクロレンズが精密な成形型の成形面の形状に対応して設計通りに成形されていることを確認した。

実施例４
分散液の粘度を１．５ｍＰａ・ｓ（２５℃）、分散液中のＦＥＰ濃度を２．６重量％にした以外は実施例３と同様にして膜厚５００ｎｍの離型層が形成された成形型を得た。なお、離型層の表面粗さは５ｎｍであった。更に実施例１と同様にしてマイクロレンズを製造した。製造されたマイクロレンズについて実施例１と同様に輝度を評価し、マイクロレンズ設置による輝度増加量が７０％以上であると判断できたため、マイクロレンズが精密な成形型の成形面の形状に対応して設計通りに成形されていることを確認した。

実施例５
ＰＦＡを含む水性分散液（ダイキン工業社製ネオフロンＰＦＡディスパージョンＡＤ２ＣＲ；平均粒子径５００ｎｍ）を用いて分散液の粘度を１．４ｍＰａ・ｓ（２５℃）、分散液中のＰＦＡ濃度を２．５重量％とした以外は実施例３と同様にして膜厚３００ｎｍの離型層が形成された成形型を得た。なお、離型層の表面粗さは５０ｎｍであった。更に実施例１と同様にして、マイクロレンズを製造した。製造されたマイクロレンズについて実施例１と同様に輝度を評価し、マイクロレンズ設置による輝度増加量が７０％以上であると判断できたため、マイクロレンズが精密な成形型の成形面の形状に対応して設計通りに成形されていることを確認した。

比較例１
分散液の粘度を０．９ｍＰａ・ｓ（２５℃）、分散液中のＦＥＰ濃度０.０２重量％とした以外は実施例１と同様にして膜厚５ｎｍの離型層が形成された成形型を得た。なお、離型層の表面粗さは５ｎｍであった。更に実施例１と同様にしてマイクロレンズを製造したが、成形型の成形面に形成された離型層が部分的に薄くなっていたために、成形型からの離型性が低下し、マイクロレンズが部分的に成形されない欠陥が生じて輝度が１５％低下した。

比較例２
分散液の粘度を２．１ｍＰａ・ｓ（２５℃）、分散液中のＦＥＰ濃度１０重量％とした以外は実施例３と同様にして膜厚７００ｎｍの離型層が形成された成形型を得た。なお、離型層の表面粗さは５ｎｍであった。実施例１と同様にしてマイクロレンズを製造したが、成形型の成形面に形成された離型層が厚く製膜されたために、マイクロレンズは精密な成形型の成形面の形状に対応して設計通りに成形されてはおらず、輝度が１０％低下した。

なお、実施例１〜５及び比較例１〜２において、離型層の膜厚は透過型電子顕微鏡（日立製作所製）を用いて測定し、離型層の表面粗さは原子間力顕微鏡（日本ビーコ株式会社製）を用いて測定した。

本発明の成形型は、例えば、マイクロレンズ、光導波路、光学素子等の光学部品の成形に好適に用いることができる。

Claims

膜厚１０〜５００ｎｍのフッ素系樹脂を含む離型層が成形型の成形面に形成されてなることを特徴とする成形型。
前記フッ素系樹脂がポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及びテトラフルオロエチレン／パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）共重合体からなる群より選択される、請求項１記載の成形型。
前記離型層の表面粗さ（Ｒａ）が１〜５０ｎｍである、請求項１又は２記載の成形型。
前記成形型を形成する基材が、Ｎｉ、Ａｌ、青板ガラス、石英、シリコーンウエハ、ポリイミド及びポリカーボネートからなる群より選択される、請求項１〜３いずれか記載の成形型。
前記離型層が、前記フッ素系樹脂を含む分散液を成形型の成形面に塗布、乾燥、及び焼成して形成されてなる、請求項１〜４いずれか記載の成形型。
前記分散液の２５℃における粘度が１〜２ｍＰａ・ｓである、請求項５記載の成形型。
請求項１〜６いずれか記載の成形型を用いて樹脂を成形してマイクロレンズを製造する、マイクロレンズの製造方法。
前記樹脂がスチレン系ポリマーである、請求項７記載の製造方法。
請求項７又は８記載の製造方法により製造されるマイクロレンズ。