JP2014162127A

JP2014162127A - 押出成形用金型ロール及びそれを用いた光学パターンシート製造方法

Info

Publication number: JP2014162127A
Application number: JP2013035570A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Hosoya; 周平細谷
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2014-09-08

Abstract

【課題】押出成形法によりパターン形成精度に優れ、生産性が高く低コストで微細加工ができる押出成形用金型ロール、及びそれを用いた光学パターンシートの製造方法を提供することを目的としている。
【解決手段】押出機から熱可塑性樹脂を押出して、前記熱可塑性樹脂の一方の表面にパターン形成するための押出成形用金型ロール１０であって、
ロール状の支持体１に、凹凸形状を有する第一金属メッキ層２、前記凹凸形状の溝部の空気層３、導電層４、パターン形状６を有する第二金属メッキ層５が順次積層されてなることを特徴とする押出成形用金型ロールである。
【選択図】図２

Description

本発明は、押出成形用金型ロール及びそれを用いた液晶テレビや照明等に用いる光学パターンシートの製造方法に関する。

従来から液晶テレビの輝度向上を目的として表面にプリズム形状が付与されたシート、およびフィルム（以後、シート、およびフィルムを総称してシートと記載）（特許文献１）、またモワレ防止のためマイクロレンズ形状が付与された光学パターンシート（特許文献２）が液晶テレビのバックライト部材として用いられてきた。

一方、今後普及が進むと考えられている有機ＥＬを用いた照明における光取出し効率の向上（特許文献３）のため、パターンが付与された光学パターンシートの使用が検討されている。

これら光学パターンシートを製造する方法としては、紫外線成形法、および押出成形法の２法が提案されている。

紫外線成形法は紫外線硬化性樹脂をポリエチレンテレフタレートなどからなる基材に均一に塗布し、任意のパターンが与えられたパターンロールに抱かせながら紫外線を照射することでパターンロールのパターンを転写することができる。現在、プリズム、およびマイクロレンズ形状を有する光学パターンシートは主としてこの紫外線成形法で製造されている。

この紫外線成形法で製造した場合、パターンロールのパターンを高い精度で転写することが可能だが（その転写率は９９％〜１００％）、その製造コストが高くなり、年率数１０％で低下している液晶テレビのコストトレンドに追従することができない。

紫外線成形法のコスト高になる理由としては、高価な紫外線硬化性樹脂を使用すること、ポリエチレンテレフタレートなどからなる基材を押出成形する工程、紫外線硬化性樹脂を塗布・硬化させパターンを転写する工程と、工程数が多くなることなどが挙げられる。

一方、押出成形法はペレット状の樹脂を押出機で混練、Ｔダイから吐出、そして互いに平行に配置された押さえロールとパターンロール間に供給し、その挟圧力でパターンロール（金型ロール）のパターンを転写させる方法である。

押出成形法は紫外線成形法に比べて、安価な材料を使用することができ、また、工程数も押出成形の１工程であるため製造コストを低減することが可能となる。

しかし、この押出成形法は低コストで製造することができるが、パターンロールからのパターンの転写に難があり（良くても９０％程度）、プリズムに代表される鋭利な形状を高い精度で転写することは、難しいのが実情である。

この押出成形法で高い転写率が得られない理由としては、押出シートの流動性の低下が原因となっている。具体的には、前記Ｔダイから高温で吐出された熱溶融樹脂が、押さえロールとプリズムなどの形状を有する金型ロールとで挟圧される際に、熱溶融樹脂の熱が金属ロールに瞬時に吸収され、その流動性が急激に低下する。これにより、高い挟圧力でパターンの転写を試みても、その低い流動性のため高い転写率を得ることが難しい。

上記の問題を解決する方法として、パターンロールの内部に断熱材（低い熱伝導率の材料）を使用することが検討されている。例えば、特許文献４では、以下の方法により熱移動の遅延を試みている。

具体的には、熱伝導率０．６Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱緩衝材部材（断熱材）を同３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の凹凸パターン部材とロール芯体の間に配置するもので、その結果、凹凸パターン部材からロール芯体への過度な熱移動が起こらず高い転写率が得られたと報告している。

より具体的には、熱緩衝部材を接着剤を用い凹凸パターン部材に接合し、ロール芯体へは真空吸着、接着剤、磁石、あるいはボルト締めで装着するものである。すなわち、板状（ガラス原盤、真鍮板）のパターン部材を用い、凹凸パターンロールを作製する方法である。

しかしながら上記の方法には以下の問題がある。すなわち、第１に、板状のパターン部材を使用しているため、どのような方法でも板状パターン部材の繋げ目が問題となる。光学部材として必要とされるシートの大きさはそれが使用される製品に依存する。そのため周期的に繋ぎ目の不具合がある方法では、歩留まりが低い。また、繋ぎ目を有するためロール直径より大きなシートを製造することができない。

第２に、ロール芯体への接合方法にも問題がある。まず、真空吸着や磁石を用いる方法は大掛かりな装置を追加する必要があり、生産には向いていない。また、熱のかかる工程で接着剤を用いると熱による劣化でロール芯体との接合が低下し、剥がれることが想定される。さらにボルト締めでは高価なロール芯体にねじ穴を開ける必要があり、このロール芯体を他の用途に転用することができなくなる。

特許第３６０７７５９号特開２００６−３０１５８２号公報特開２００８−２３０１１４号公報特許第４７４３３７３号

本発明は、押出成形法によりパターン形成精度に優れ、生産性が高く低コストで微細加工ができる押出成形用金型ロール、及びそれを用いた光学パターンシートの製造方法を提供することを目的としている。

本発明に係る請求項１に記載の発明は、押出機から熱可塑性樹脂を押出して、前記熱可塑性樹脂の一方の表面にパターン形成するための押出成形用金型ロールであって、
ロール状の支持体に、凹凸形状を有する第一金属メッキ層、前記凹凸形状の溝部の空気層、導電層、パターン形状を有する第二金属メッキ層が順次積層されてなることを特徴とする押出成形用金型ロールである。

また、請求項２記載の発明は、前記凹凸形状が線状または碁盤目状からなり、その断面の深さ１〜２００μｍ、底辺幅１〜２００μｍ、アスペクト比（深さ／底辺幅）１０以下であることを特徴とする請求項１に記載の押出成形用金型ロールである。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の押出成形用金型ロールを具備した押出形成機を用いて、熱可塑性樹脂を押出す工程と、前記押出成形用金型ロールと押さえロールとで挟圧する工程と、搬送して巻き取る工程からなることを特徴とする光学パターンシート製造方法である。

本発明に係る請求項１によれば、ロール状の支持体に、凹凸形状を有する第一金属メッキ層、前記凹凸形状の溝部の空気層、導電層、パターン形状を有する第二金属メッキ層を順次積層することで、押出成形用金型ロールの内部に空気層を有することができる。この空気層を設けることによって断熱効果を供することができ、熱溶融樹脂から金型への熱移動が抑制され、温度低下による流動性を損ねることなく金型のパターン形状を精度よく転写することができる。

また、請求項２によれば、、押出成形用金型ロールの内部に、線状または碁盤目状の断面の深さ１〜２００μｍ、底辺幅１〜２００μｍ、アスペクト比（深さ／底辺幅）１０以下の空気層（空隙）を設けることで、金型作製が容易で、且つ断熱効果を向上することができる。

また、請求項３によれば、押出成形法により、精度の高い微細パターンが要求される光学パターンシートを効率よく製造することができる。

上記で説明したように、本発明によれば、押出成形法によりパターン形成精度に優れ、生産性が高く低コストで微細加工ができる押出成形用金型ロール、及びそれを用いた光学パターンシートの製造方法を提供することができる。

本発明に係る押出成形用金型ロールのロール軸方向の一実施形態を示す断面図である。図１に示す押出成形用金型ロールの表層を示す局所断面図である。本発明に係る押出成形用金型ロールの具備した押出成形機の一実施形態を示す概略図である。

以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係る押出成形用金型ロールのロール軸方向の一実施形態を示す断面図である。また、図２は図１に示す押出成形用金型ロールの表層を示す局所断面図である。
図１、２に示すように、本発明に係る押出成形用金型ロール１０は、ロール状の支持体１に、凹凸形状を有する第一金属メッキ層２、前記凹凸形状の溝部の空気層３、導電層４、パターン形状６を有する第二金属メッキ層５が順次積層されてなることを特徴とする押出成形用金型ロール１０である。

以下、本発明の押出成形用金型ロール１０について説明する。本発明の押出成形用金型ロール１０は、その製造工程において形成される空気層３（断熱層）を有することを特徴とする。すなわち、この空気層の存在により、押出機より吐出される熱可塑性樹脂が溶融温度を低下されることなく、押出成形用金型ロールと押さえロールとで挟圧されて前記押出成形用金型ロールに形成されたパターンを高精度に転写することができる。

以下により具体的に本発明の押出成形用金型ロール１０の製造方法、及び前記空気層３
の形成について説明する。

先ず、押出成形用金型ロール１０の母体となる支持体１は鋼材からなり、その上に第一金属メッキ層２を積層する。次に、この第一金属メッキ層２の表面をダイヤモンドバイトなどで切削して、凹凸形状を形成する。この時支持体１の幅方向の一方の端部から他方の端部までスパイラル状に切削することを特徴とする。

また、切削する凹凸形状は線状または碁盤目状が好ましく、その断面の深さ１〜２００μｍ、底辺幅１〜２００μｍ、アスペクト比（深さ／底辺幅）１０以下が好ましい。深さが１μｍ未満および２００μｍより大きいと切削が難しく、また、アスペクト比（深さ／底辺幅）が１０より大きいと、切削中にかかるダイヤモンドバイトへの圧力により、ダイヤモンドバイトが折れるなどの問題が生じる。

前記第一金属メッキ層２の材質は特に限定しないが、熱移動を少しでも遅延させるため熱伝導率の低い合金、例えばＮｉＰ（４Ｗ／ｍ・Ｋ程度）などを用いることが好ましい。メッキ厚も特に限定しないが切削の作業性を考慮し、５０μｍ〜１ｍｍが好ましい。

また、ダイヤモンドバイトで切削する線状あるいは碁盤目状の形状は矩形、台形、三角、あるいは半円などであればよい。しかし、この切削する形状は後に説明する凹凸形状の溝部の空気層３に相当する空隙であり、大きいほど熱移動を遅延できるので断面積の大きい矩形であることが好ましい。

次に、上記凹凸形状の溝部を形成した第一金属メッキ層２に蝋などの低融点材料を用いて、前記凹凸形状の溝部に満遍なく充填して溝を埋め込む。その後、第一金属メッキ層２の表面を研磨して表面を平滑にする。ここでもし平滑性が得られないと、後に積層する導電層４や第二金属メッキ層５と前記第一金属メッキ層２との密着性が低下し、第二金属メッキ層５のひび割れや剥がれの原因となる。

次に、前記溝部に低融点材料で埋め込んだ第一金属メッキ層２に、第二金属メッキ層５を形成するための前処理として導電層４を設ける。導電層４は密着性向上を目的とし、第二金属メッキ層５に用いる材料との密着性が向上するものであれば特に限定するものではない。

次に、上記導電層の上に第二金属メッキ層５を形成する。第二金属メッキ層５に用いる材質は特に限定しないが、上記同様熱移動を遅延させるため熱伝導率の低い合金、例えばＮｉＰ（４Ｗ／ｍ・Ｋ程度）などが好ましい。メッキ厚も特に限定しないが上記同様に切削の作業性を考慮し、５０μｍ〜１ｍｍが好ましい。

次に、上記第二金属メッキ層５の表面にダイヤモンドバイト等を用いて、最終的に求められるパターン形状６を切削法により形成する。このパターン形状６はプリズム、レンチキュラー、ピラミッド，矩形など目的のパターン形状を与えることができる。

そして最後に、ロール全体を蝋の融点以上まで加熱して、第一金属メッキ層２に形成した凹凸形状の溝部に埋め込まれた蝋を排出することで、本発明の特徴である凹凸形状の溝部に空気層３が形成され、金型内部に断熱効果を供する押出成形用金型ロールを作製することができる。

次に、本発明の押出成形用金型ロール１０を用いた光学パターンシートの製造方法について説明する。

図３は上記押出成形用金型ロール１０を具備した押出成形機２０の一実施形態を示す概略図であり、光学パターンシートを製造する装置である。

図３に示すように、本発明に係る光学パターンシートを製造するための押出成形機２０は、原料ホッパー２１から供給された熱可塑性樹脂を加熱混練する押出機２２、シート状溶融樹脂を吐出するＴダイ２３、挟圧してシート状溶融樹脂にパターン形状を転写するための前記押出成形用金型ロール２４と押さえロール２５、成膜した光学パターンシートを搬送する複数のガイドロール２６、及び巻取り機２７からなる。特に、前記押出成形用金型ロール２４は金型内部に凹凸形状の溝部の空気層３（空隙）の効果で、優れた断熱性を供することができ、その結果、熱溶融樹脂の流動性を抑制することなく金型内に満遍なく入り込み、精度の高いパターン形状を転写することができる。

なお、上記凹凸形状の溝部の空気層３（空隙）の断熱効果は、前記押出成形用金型ロール２４の第二金属メッキ層５に一般的に用いられる銅に対しても、その熱伝導率４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）と比較して空気層の熱伝導率が０．０２Ｗ／（ｍ・Ｋ）と極めて小さいことによる。

本発明に用いられる熱可塑性樹脂は、光学シートの製造に適した樹脂が選ばれる。このためには、透明な樹脂であること、および、例えば組み込まれた液晶表示装置の使用時の信頼性を高めるために、耐熱性や耐湿性が実用的に差し支えない程度に備えていることが求められる。このような熱可塑性樹脂としては、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、メタクリルスチレン（ＭＳ）、アクリロニトリルスチレン（ＡＳ）、環状ポリオレフィンが好適である。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

＜実施例１＞
下記構成の支持体、第一金属メッキ層、凹凸形状の溝部の空気層、導電層、第二金属メッキ層からなる押出成形用金型ロールを作製した。なお、上記凹凸形状の溝部の空気層は、
第一金属メッキ層を凹凸形状に切削した後に、蝋（融点６９℃）を充填し、その後、下記の導電層及び第二金属メッキ層の形成し、全体を温度１００℃に加熱して蝋を除去して作製した。
・支持体：直径３００ｍｍ、幅４００ｍｍの鋼材からなる金属ロール
・第一金属メッキ層：ＮｉＰを用いた厚み２００μｍ
・第一金属メッキ層の凹凸形状：断面形状が底辺５０μｍ、深さ５０μｍ（アスペクト比１）の矩形
・導電層：厚み１μｍの銀粉
・第二金属メッキ層：ＮｉＰを用いた厚み２００μｍ
・第二金属メッキ層のパターン形状：横断面形状が頂角９０°、ピッチ５０μｍ、高さ２５μｍの二等辺三角形

次に、上記押出成形用金型ロールを具備した図３に準じる押出成形機を用い、以下の条件下で、シート厚２５０μｍの光学パターンシートを作製した。
・熱可塑性樹脂：ポリカーボネート樹脂（帝人化成社製、型番「Ｌ―１２５０Ｚ」）
１４０℃、２５０Ｔｏｒｒで２４時間除湿乾燥後使用
・押出機：単軸押出機（口径３２、Ｌ／Ｄ＝２４）にＴダイ（有効幅３３０ｍｍ）、
ライン速度は１．５ｍ／分
・前記押出成形用金型ロール：温度８０〜１２０℃
・押さえロール：温度６０〜１２０℃、線圧２０ｋｇ／ｃｍで挟圧

＜比較例１＞
第一金属メッキ層上に凹凸形状を設けないこと以外は、実施例１と同様の条件で光学パターンシートを作製した。

＜評価＞
実施例１及び比較例１で得られた光学パターンシートのパターン転写率を測定し、その精度を評価した。以下の表１に結果を示す。
パターン転写率〜光学パターンシートの中央付近について、パターン深さを測定し、それをパターンロールのパターン深さで除した数値に１００を乗じた値をパターン転写率とした。

＜比較結果＞
実施例１で得られた本発明品は、９０％以上の優れたパターン転写率が得られたが、一方、比較例１による比較例品では７０〜９０％のパターン転写率が得られ、部分的には実用レベルに至らない品質精度であった。

空気層を有する押出成形用金型ロールを使用することで、前記金型ロールに形成した高精細なパターン形状を、優れた生産性、低コスト及び高い転写率で転写させることができ、より高度な光学パターンシートを製造することが可能となる。

１支持体
２第一金属メッキ層
３空気層
４導電層
５第二金属メッキ層
６パターン形状
１０押出成形用金型ロール
２０押出成形機
２１ホッパー
２２押出機
２３Ｔダイ
２４押出成形用金型ロール
２５押さえロール
２６ガイドロール
２７巻取り機

Claims

押出機から熱可塑性樹脂を押出して、前記熱可塑性樹脂の一方の表面にパターン形成するための押出成形用金型ロールであって、
ロール状の支持体に、凹凸形状を有する第一金属メッキ層、前記凹凸形状の溝部の空気層、導電層、パターン形状を有する第二金属メッキ層が順次積層されてなることを特徴とする押出成形用金型ロール。
前記凹凸形状が線状または碁盤目状からなり、その断面の深さ１〜２００μｍ、底辺幅１〜２００μｍ、アスペクト比（深さ／底辺幅）１０以下であることを特徴とする請求項１に記載の押出成形用金型ロール。
請求項１または２に記載の押出成形用金型ロールを具備した押出形成機を用いて、熱可塑性樹脂を押出す工程と、前記押出成形用金型ロールと押さえロールとで挟圧する工程と、搬送して巻き取る工程からなることを特徴とする光学パターンシート製造方法。