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JP5229211B2 - 樹脂成形体、マイクロチップ及びそれらの製造方法 - Google Patents

樹脂成形体、マイクロチップ及びそれらの製造方法 Download PDF

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JP5229211B2 JP2009500137A JP2009500137A JP5229211B2 JP 5229211 B2 JP5229211 B2 JP 5229211B2 JP 2009500137 A JP2009500137 A JP 2009500137A JP 2009500137 A JP2009500137 A JP 2009500137A JP 5229211 B2 JP5229211 B2 JP 5229211B2
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Description

本発明は、樹脂成形体、特に、μ−TASに用いられるマイクロチップなど、微細な立体形状部を備えた樹脂成形体及びその製造方法に関する。
熱可塑性樹脂からなり、表面に数百nm乃至数百μmの微細な凹凸形状を形成した樹脂成形体として、μ−TAS(Micro Total Analysis System)に用いられるマイクロチップが知られている。マイクロチップは、流体の流路となる微細な溝を表面に有し、これらの樹脂成形体の製造方法としては、射出成形法、ホットエンボス法、ナノインプリント法などが挙げられる。
射出成形法は、微細な凹凸形状を金型表面に形成し、加熱溶融した樹脂を閉じた金型に数十MPa乃至200MPaの高圧で充填し、冷却・固化して離型して取り出す、樹脂成形体の製造方法である。この射出成形法は極めて高い生産性が得られ、複雑な三次元形状を自由に成形でき、自動化が容易であるという利点を有し、最も普及した樹脂加工法である。しかし、本発明が対象とする数百nm乃至数百μmの微細な凹凸形状の形成(転写)に関しては、金型の細部への樹脂の充填性と、成形後の離型性に大きな問題点を有している。
充填性に関する問題点は、常温近くに冷却された金型に、200℃乃至350℃の溶融樹脂を充填するため、樹脂の充填を開始する金型スプルーから流動末端までの圧力勾配が大きく、流動末端に樹脂が十分に充填されにくいことである。さらに、樹脂が流動末端に向けて進むに従って、樹脂が金型に冷却されて温度が下がり、流動性が低下するので、流動末端における金型壁面の微細な凹凸形状を転写することが難しい。また、冷却された金型壁面に樹脂が接触しながら流動するので、金型壁面に接する樹脂の粘度が上昇し、さらには金型壁面近くに樹脂の固化層を形成するので、金型壁面に形成された微細な凹凸形状に充填されず、十分な転写性を得ることが難しい。
微細な凹凸形状に樹脂を十分に入り込ませるためには、樹脂の流動性をよくする、例えば、高流動性樹脂の選定、樹脂流動性を高める改良(分子量低減、滑剤添加)を行う、金型温度を高くするなどの方策がある。しかし、実際には、高流動性樹脂の選定では、本発明が対象とする数百nm乃至数百μmの微細な凹凸形状への樹脂の入り込みを改善することは不可能である。また、樹脂の流動性を高める改良では、樹脂中に添加剤を加えたり、分子量を下げたりすることになり、成形後のブリードアウトや物性劣化が不可避である。また、金型温度を上げる場合は、成形品の取出し時に変形しない樹脂の熱変形温度以下までしか上げることができず、その範囲では十分な効果を得られない。
以上の課題に対して、樹脂充填時に高周波や蒸気加熱などにより金型内の温度を一時的に上昇させ、取出し時には冷却するという成形方法が提案されている(特許文献1、2参照)。しかし、加熱、冷却に時間を要するためにサイクルタイムが長くなり、高周波誘導加熱発生装置や蒸気発生装置など設備コストが必要であるという問題点がある。また、この方策では成形品の離型性に関しては考慮されていない。つまり、微細な立体形状の成形では、樹脂の充填と同様に離型性が重要な問題となり、成形品を取り出す際に微細立体形状部が変形や破損しては良好な品質の樹脂成形体(マイクロチップ)を得ることはできない。微小な部分に樹脂が入り込むほど離型時は物理的抵抗が増大して変形、破損しやすくなるという相反事項が生じる。
この離型性向上のために、一般的には、樹脂に滑剤を添加したり、金型に抜き勾配をつけるなどの対策が施される。しかし、滑剤の添加は前述のごとく成形後のブリードアウトが不可避であり、本発明が対象とする数百nm乃至数百μmの微細な凹凸形状に対してその効果は十分ではない。また、金型に抜き勾配をつけることは効果的ではあるが、数百nm乃至数百μmの微細な凹凸形状において十分な抜き勾配をつけることは金型加工上非常に困難である。さらに、金型壁面へ離型性を向上させるコート処理なども考えられるが、極微細部へは十分な効果が得られにくく、耐久性でも問題がある。
特許文献3には、成形後、僅かに金型を開き、成形品と金型との間に微小隙間を発生させ、該隙間に気体を送り込むことで、離型性を向上させることが記載されている。しかし、気体を送り込むための構成が必要で、成形品の形状的な設計に大きな制約が発生する。また、特許文献4には、金型に成形品の外周部を囲むリブを設け、成形後の樹脂の冷却収縮を利用して、金型の微細形状部分と成形品との隙間に外気をスムーズに流入させ、離型性を向上させることが記載されている。しかし、金型にリブを設けることから、特許文献3と同様に、成形品の形状的な設計に大きな制約が発生する。
特開平10−80938号公報 特開2004−195859号公報 特開2002−36313号公報 特開2002−219737号公報
本発明の目的は、樹脂の充填性や成形品の離型性が良好で、数百nm乃至数百μmの微細な凹凸形状を精度よく形成することのできる樹脂成形体、マイクロチップ及びそれらの製造方法を提供することにある。
本発明者は、形成すべき微細な凹凸形状を、微細な立体形状部を組み合わせたもの、と認識し、かかる微細な凹凸形状を備えた成形品の射出成形に関して、前記課題を鋭意検討した結果、以下の解決策に到達した。即ち、微細な立体形状部への樹脂の充填については、樹脂充填時の金型内部での流動性が重要であり、実際には溶融した樹脂は金型に進入すると、樹脂表面が直ちに金型によって冷却され、金型温度に近い温度に低下する。それゆえ、充填に重要なのは、成形後に取出し可能である温度(熱変形温度以下)での樹脂の流動性である点に着目し、検討を進めた。熱変形温度付近での流動性とは、通常の流動性は樹脂が溶融している状態を示しているが、熱変形温度付近で樹脂は未溶融で柔らかい状態であるので、樹脂の柔らかさを熱変形温度付近での流動性と捉え、柔らかさの特性値である曲げ弾性率に着目した。
また、引張り破壊歪も、樹脂の柔らかさを示す特性であり、一般に曲げ弾性率が大きい材料では小さい値を示すように、曲げ弾性率に対して負の相関関係にある特性であり、曲げ弾性率とともに着目した。
また、本発明者は、金型の微細形状部からの離型性については、成形品の取出し時に離型抵抗が発生した際に、樹脂が硬い場合に変形が発生し、その変形は戻らずに場合によっては破壊されるが、成形品が柔らかく弾性がある場合は、許容できる変形量も大きく、変形後の弾性回復力も大きいので、離型変形が発生しにくくなることに着目した。それゆえ、離型時にも充填時と同様に、樹脂の曲げ弾性率と、曲げ弾性率に対して負の相関関係にある引張り破壊歪が重要なパラメータであることを見出した。
前記目的を達成するための、第1の発明は、
幅A、高さB、長さCからなる微細な立体形状部を備え、各寸法が、Aが5μm以上100μm以下、B/Aが1以上10以下、C/Aが0.5以上1.5以下の関係を有する樹脂成形体において、
曲げ弾性率が100MPa以上1500MPa以下である熱可塑性樹脂を用いて射出成形されていること、
を特徴とする。(注:段落追加)
前記第1の発明において、熱可塑性樹脂の曲げ弾性率は100MPa以上500MPa以下であることがより好ましい。また、熱可塑性樹脂の引張り破壊歪は100%以上500%以下であることが好ましく、300%以上500%以下であることが、より好ましい。
第2の発明は、
幅A、高さB、長さCからなる微細な立体形状部を備え、各寸法が、Aが5μm以上100μm以下、B/Aが1以上10以下、C/Aが0.5以上1.5以下の関係を有するマイクロチップにおいて、
曲げ弾性率が100MPa以上1500MPa以下である熱可塑性樹脂を用いて射出成形されていること、
を特徴とする。
前記第2の発明において、熱可塑性樹脂の曲げ弾性率は100MPa以上500MPa以下であることがより好ましい。また、熱可塑性樹脂の引張り破壊歪は100%以上500%以下であることが好ましく、300%以上500%以下であることが、より好ましい。
第3の発明は、
幅A、高さB、長さCからなる微細な立体形状部を備え、各寸法が、Aが5μm以上100μm以下、B/Aが1以上10以下、C/Aが0.5以上1.5以下の関係を有する樹脂成形体の製造方法において、
曲げ弾性率が100MPa以上1500MPa以下である熱可塑性樹脂を用いて射出成形すること、
を特徴とする。
前記第3の発明において、熱可塑性樹脂の曲げ弾性率は100MPa以上500MPa以下であることがより好ましい。また、熱可塑性樹脂の引張り破壊歪は100%以上500%以下であることが好ましく、300%以上500%以下であることが、より好ましい。
第4の発明は、
幅A、高さB、長さCからなる微細な立体形状部を備え、各寸法が、Aが5μm以上100μm以下、B/Aが1以上10以下、C/Aが0.5以上1.5以下の関係を有するマイクロチップの製造方法において、
曲げ弾性率が100MPa以上1500MPa以下である熱可塑性樹脂を用いて射出成形すること、
を特徴とする。
前記第4の発明において、熱可塑性樹脂の曲げ弾性率は100MPa以上500MPa以下であることがより好ましい。また、熱可塑性樹脂の引張り破壊歪は100%以上500%以下であることが好ましく、300%以上500%以下であることが、より好ましい。
本発明によって、微細な立体形状部が良好に転写された樹脂成形体及びマイクロチップを得ることができる。
なお、曲げ弾性率が100MPa未満の樹脂は、引張り破壊歪が500%を超え、金型の微細形状部への充填は可能であるが、離型時に変形が発生してしまう。また、曲げ弾性率が1500MPaを超える樹脂は、引張り破壊歪が100%未満であり、微細形状部への充填が困難であり、条件を変えて無理に充填させたとしても、離型時に成形品の微細形状部が破壊されてしまう。
本発明の実施例1であるマイクロチップの外観及び拡大部分を示す斜視図である。 本発明で転写される微細な立体形状部の一例を示し、(A)は具体的形状を示す斜視図、(B)はモデル化した形状を示す斜視図である。 本発明で転写される微細な立体形状部の一例を示し、(A)は具体的形状を示す斜視図、(B)はモデル化した形状を示す斜視図である。 本発明で転写される微細な立体形状部の一例を示し、(A)は具体的形状を示す斜視図、(B)はモデル化した形状を示す斜視図である。 本発明で転写される微細な立体形状部の一例を示し、(A)は具体的形状を示す斜視図、(B)はモデル化した形状を示す斜視図である。 本発明の実施例2であるマイクロチップの微細な立体形状を示す斜視図である。 本発明の実施例3であるマイクロチップの微細な立体形状を示す斜視図である。
符号の説明
1 マイクロチップ(樹脂成形体)
10 リブ(立体形状部)
以下、本発明に係る樹脂成形体及びマイクロチップの実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各実施例において、同一部分には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。
(実施例1、図1参照)
図1に示すマイクロチップ1を成形するための金型を作製し、実験を行った。図1において、2は金型のランナ部分の樹脂、3はスプルー部分の樹脂、4はゲート部分の樹脂を示している。マイクロチップ1の表面であって任意の位置には拡大して示す微細なリブ10が多数形成されている。このリブ10が、微細な立体形状をなす立体形状部として機能する。また、このマイクロチップ1は、幅45mm、長さ72mm、厚み2mmである。
リブ10は微細な立体形状であって、この微細形状を得るための金型は、例えば、シリコンウェハや樹脂などを所望の形状にエッチングあるいはレーザ加工などにより母型として形成し、この母型を基にニッケル電鋳加工などによって作製される。
以上のごとく作製された金型を用いて以下の表1乃至表5に示す曲げ弾性率、引張り破壊歪を有する熱可塑性樹脂材料A、B、C、D、E、F、G、J、K、Lを、各樹脂材料において最も転写性がよくなる成形条件を設定し、リブ10の幅A、高さB、長さCの各寸法を表1乃至表5に示す種々の組合せとし、成形サンプルを得た。なお、リブ10の高さ方向寸法Cは、リブ10の先端面から幅方向寸法がAである部分の長さ寸法である。なお、成形条件の一つである金型温度については、非常に重要であり、高温であるほうが充填性は向上する。しかし、各樹脂材料の熱変形温度もしくはガラス転移点以上では離型時の変形により成形が成立しなくなるため、各樹脂材料の熱変形温度もしくはガラス転移点を上限とした。
ちなみに、樹脂材料Aはポリプロピレンで、アトフィナ社製、FINAPLAS1751である。樹脂材料Bはポリプロピレンで、日本ポリプロ社製、MG05ESである。樹脂材料Cはポリプロピレンで、日本ポリプロ社製、MG03Bである。樹脂材料Dはポリメチルペンテンで、三井化学社製、TPX−RT18である。樹脂材料Eは環状ポリオレフィンで、日本ゼオン社製、ゼオノア1060Rである。樹脂材料Fはポリカーボネートで、MGC社製、H−4000である。樹脂材料Gはポリスチレンで、PSジャパン社製、679である。樹脂材料Jは、低密度ポリエチレンで、住友化学社製、スミカセンG807である。樹脂材料Kは、低密度ポリエチレンで、住友化学社製、スミカセンG208−Jである。樹脂材料Lは、低密度ポリエチレンで、住友化学社製、スミカセン−L GA401である。
そして、成形後のサンプルの形状をキーエンス社製のカラー3Dレーザ顕微鏡VK−9500を用いて転写性(充填度合、変形度合)を評価した。充填状態は、得られた微細突起部分の転写の程度を目視にて確認し、また、変形状態は、変形により所望の位置から離間した部位における所望の位置からの離間寸法の最大値(以下、変形と記す)、を測定し、それぞれの程度に応じて、◎○△×にて評価した。
評価◎:良好に転写しており、シャープなエッジが形成され、変形が2μm以下である。
評価○:ほぼ良好に転写しており、変形が10μm未満である。
評価△:転写不良であり、エッジが確認できず、変形が10μm以上である。
評価×:全く充填されていない、もしくは、完全に変形、破損している。
サンプルの評価結果を表1乃至表5に示す。
この実施例1では、表1乃至表5から明らかなように、リブ10の幅Aが5μm以上100μm以下の範囲において、幅Aと高さBとの比B/Aが1以上10以下であり、幅Aと長さCとの比C/Aが0.5以上1.5以下の関係を有し、曲げ弾性率が100MPA以上1500MPa以下の範囲、特に、150MPAおよび400MPaの樹脂材料にて、良好な転写性が得られた。また、引張り破壊歪が100%以上420%以下、特に、300%の樹脂材料を用いた場合に良好な転写性が得られた。
(リブの形状、図2乃至図5参照)
前記実施例1では立体形状部として単純な形状のリブ10を示したが、実際にはより複雑な形状があり得る。例えば、図2(A)、図3(A)、図4(A)、図5(A)に示すリブ10の形状である。このようなリブ10について幅A、高さB、長さCは次のように定義することができる。
図2(A)、図3(A)、図4(A)において、幅Aは1箇所であるのでそのままAとすればよい。高さは高低B1、B2が2箇所存在し、長さも高い部分C1と低い部分C2が2箇所存在する。
なお、図2(A)、図3(A)におけるリブ10の長さ方向寸法C1+C2は、リブ10の先端面からリブ10の幅方向寸法がAである部分の長さ寸法である。また、図4(A)における長さ方向寸法C1は、リブ10の先端面から幅方向寸法がAである部分長さ寸法であり、長さ方向寸法C2は、リブ10の傾斜部の稜線から根元部に向かって幅方向寸法がAである部分の長さ寸法である。
そこで、リブ10の体積を計算し、大きい高さB1をBとし、幅Aと高さBの積で除した長さをCとする。図2(B)、図3(B)、図4(B)はこのように定義したリブ形状を示す。
図5(A)に示すように二つのリブ10が繋がった形状では、中央部で2分割することで、図2(A)、(B)と同様に定義することができ、このように定義したリブ形状を図5(B)に示す。そして、長さCは(C2×A×B2)/(A×B1)+C1として評価できる。
(実施例2、図6参照)
次に、図6に示す微細な立体形状であるリブ10を有するマイクロチップを、前記樹脂材料A乃至Gを用いて、幅A、高さB、長さC1、C2の各寸法を表6に示す種々の組合せとし、成形サンプルを得た。なお、この成形サンプルは図5に示したモデルであり、長さCは(C2×A×B2)/(A×B1)+C1として評価した。
評価結果は表6に◎○△×で示すとおりである。評価の方法及び基準は前記実施例1と同様である。リブ10の幅Aが5μm以上100μm以下の範囲において、幅Aと高さBとの比B/Aが1以上10以下であり、幅Aと長さCとの比C/Aが0.5以上1.5以下の関係を有し、曲げ弾性率が1500MPa以下で、特に、400MPa、引張り破壊歪が100%以上500%以下で、特に、300%の樹脂材料を用いた場合に良好な転写性が得られた。
(実施例3、図7参照)
次に、図7に示す微細な立体形状であるリブ10を有するマイクロチップを、前記樹脂材料A乃至Gを用いて、幅A、高さB、長さC1、C2の各寸法を表7に示す種々の組合せとし、成形サンプルを得た。なお、この成形サンプルも図5に示したモデルと同様に、長さCは(C2×A×B2)/(A×B)+C1として評価した。
評価結果は表7に◎○△×で示すとおりである。評価の方法及び基準は前記実施例1と同様である。リブ10の幅Aが5μm以上100μm以下の範囲において、幅Aと高さBとの比B/Aが1以上10以下であり、幅Aと長さCとの比C/Aが0.5以上1.5以下の関係を有し、曲げ弾性率が1500MPa以下で、特に、400MPa、引張り破壊歪が100以上500%以下、特に、300%の樹脂材料を用いた場合に良好な転写性が得られた。
(実施例4)
前記実施例1、2、3で用いた樹脂材料Gに対して、曲げ弾性率及び引張り破壊歪を改質するために、スチレン・ブタジエンロックコポリマを10%、20%ずつコンパウンドし、樹脂材料H、Iを作製した。その特性は表8に示す。これらの樹脂材料H、Iを用いて、実施例3と同様に図7に示す形状のリブ10を有するマイクロチップを、表8に示す種々の組合せとし、成形サンプルを得た。
実施例3と同様の評価を行ったところ、表8に◎○△×で示す結果を得た。リブ10の幅Aが5μm以上100μm以下の範囲において、幅Aと高さBとの比B/Aが1以上10以下であり、幅Aと長さCとの比C/Aが0.5以上1.5以下の関係を有し、曲げ弾性率が1500MPa以下、引張り破壊歪が100%以下に改質した樹脂材料を用いた場合に良好な転写性が得られた。
(他の実施例)
なお、本発明に係る樹脂成形体、マイクロチップ及びその製造方法は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
特に、微細な立体形状部の具体的形状は任意であり、各図に示した以外の種々の形状を転写することができる。また、本発明が適用される樹脂成形体としては、μ−TASに使用されるマイクロチップ以外に、ライフサイエンス用部材(化学合成チップ、DNAチップ、指紋センサアレイ、タンパクチップ、微生物検出チップ、診断チップなど)、光学素子(回折格子、マイクロレンズアレイなど)、光記録媒体(光ディスク、ハードディスクなど)、光通信部品(光導波路、光スイッチ、光ファイバ接合用V溝、コネクタなど)、電子ディスプレイ部品(液晶表示用導光板、高輝度フロントライト、波長板、表面無反射構造体、有機ELレセプタ、有機TFT隔壁、光学位相板など)を挙げることができる。

Claims (16)

  1. 幅A、高さB、長さCからなる微細な立体形状部を備え、各寸法が、Aが5μm以上100μm以下、B/Aが1以上10以下、C/Aが0.5以上1.5以下の関係を有する樹脂成形体において、
    曲げ弾性率が100MPa以上1500MPa以下である熱可塑性樹脂を用いて射出成形されていること、
    を特徴とする樹脂成形体。
  2. 前記熱可塑性樹脂は、曲げ弾性率が100MPa以上500MPa以下であること、
    を特徴とする請求項1に記載の樹脂成形体。
  3. 前記熱可塑性樹脂は、引張り破壊歪が100%以上500%以下であること、
    を特徴とする請求項1に記載の樹脂成形体。
  4. 前記熱可塑性樹脂は、引張り破壊歪が300%以上500%以下であること、
    を特徴とする請求項2に記載の樹脂成形体。
  5. 幅A、高さB、長さCからなる微細な立体形状部を備え、各寸法が、Aが5μm以上100μm以下、B/Aが1以上10以下、C/Aが0.5以上1.5以下の関係を有するマイクロチップにおいて、
    曲げ弾性率が100MPa以上1500MPa以下である熱可塑性樹脂を用いて射出成形されていること、
    を特徴とするマイクロチップ。
  6. 前記熱可塑性樹脂は、曲げ弾性率が100MPa以上500MPa以下であること、
    を特徴とする請求項5に記載のマイクロチップ。
  7. 前記熱可塑性樹脂は、引張り破壊歪が100%以上500%以下であること、
    を特徴とする請求項5に記載のマイクロチップ。
  8. 前記熱可塑性樹脂は、引張り破壊歪が300%以上500%以下であること、
    を特徴とする請求項6に記載のマイクロチップ。
  9. 幅A、高さB、長さCからなる微細な立体形状部を備え、各寸法が、Aが5μm以上100μm以下、B/Aが1以上10以下、C/Aが0.5以上1.5以下の関係を有する樹脂成形体の製造方法において、
    曲げ弾性率が100MPa以上1500MPa以下である熱可塑性樹脂を用いて射出成形すること、
    を特徴とする樹脂成形体の製造方法。
  10. 前記熱可塑性樹脂は、曲げ弾性率が100MPa以上500MPa以下であること、
    を特徴とする請求項9に記載の樹脂成形体の製造方法。
  11. 前記熱可塑性樹脂は、引張り破壊歪が100%以上500%以下であること、
    を特徴とする請求項9に記載の樹脂成形体の製造方法。
  12. 前記熱可塑性樹脂は、引張り破壊歪が300%以上500%以下であること、
    を特徴とする請求項10に記載の樹脂成形体の製造方法。
  13. 幅A、高さB、長さCからなる微細な立体形状部を備え、各寸法が、Aが5μm以上100μm以下、B/Aが1以上10以下、C/Aが0.5以上1.5以下の関係を有するマイクロチップの製造方法において、
    曲げ弾性率が100MPa以上1500MPa以下である熱可塑性樹脂を用いて射出成形すること、
    を特徴とするマイクロチップの製造方法。
  14. 前記熱可塑性樹脂は、曲げ弾性率が100MPa以上500MPa以下であること、
    を特徴とする請求項13に記載のマイクロチップの製造方法。
  15. 前記熱可塑性樹脂は、引張り破壊歪が100%以上500%以下であること、
    を特徴とする請求項13に記載のマイクロチップの製造方法。
  16. 前記熱可塑性樹脂は、引張り破壊歪が300%以上500%以下であること、
    を特徴とする請求項14に記載のマイクロチップの製造方法。
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