JPWO2011055757A1 - 型の製造方法および型 - Google Patents
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Abstract
本発明の型の製造方法は、アルミニウム基材またはアルミニウム膜(18)を用意する工程と、水溶液中において、アルミニウム基材(18)の表面を陰極として、表面と対向電極との間に通電処理を行うことにより、表面の法線方向から見たときの2次元的な大きさが200nm以上100μm以下である第1凹部(18h)を形成する工程と、その後に、表面を陽極酸化することによって、第1凹部(18h)の内面および第1凹部(18h)の間に、2次元的な大きさが10nm以上500nm未満の第2凹部(12)を有するポーラスアルミナ層(10A)を形成する工程と、その後に、ポーラスアルミナ層(10A)をエッチング液に接触させることによって、ポーラスアルミナ層(10A)の第2凹部(12)を拡大させる工程とを包含する。それによって、アンチグレア機能を発現するマクロな凹凸構造を有する型を効率よく製造できる。
Description
本発明は、型の製造方法および型に関する。ここでいう「型」は、種々の加工方法(スタンピングやキャスティング)に用いられる型を包含し、スタンパということもある。また、印刷(ナノプリントを含む)にも用いられ得る。
テレビや携帯電話などに用いられる表示装置やカメラレンズなどの光学素子には、通常、表面反射を低減して光の透過量を高めるために反射防止技術が施されている。例えば、空気とガラスとの界面を光が入射する場合のように屈折率が異なる媒体の界面を光が通過する場合、フレネル反射などによって光の透過量が低減し、視認性が低下するからである。
近年、反射防止技術として、凹凸の周期が可視光(λ=380nm〜780nm)の波長以下に制御された微細な凹凸パターンを基板表面に形成する方法が注目されている(特許文献1から4を参照)。反射防止機能を発現する凹凸パターンを構成する凸部の2次元的な大きさ(典型的には直径)は10nm以上500nm未満である。
この方法は、いわゆるモスアイ(Motheye、蛾の目)構造の原理を利用したものであり、基板に入射した光に対する屈折率を凹凸の深さ方向に沿って入射媒体の屈折率から基板の屈折率まで連続的に変化させることによって反射を防止したい波長域の反射を抑えている。
モスアイ構造は、広い波長域にわたって入射角依存性の小さい反射防止作用を発揮できるほか、多くの材料に適用でき、凹凸パターンを基板に直接形成できるなどの利点を有している。その結果、低コストで高性能の反射防止膜(または反射防止表面)を提供できる。
モスアイ構造の製造方法として、アルミニウムを陽極酸化することによって得られる陽極酸化ポーラスアルミナ層を用いる方法が注目されている(特許文献2から4)。
ここで、アルミニウムを陽極酸化することによって得られる陽極酸化ポーラスアルミナ層について簡単に説明する。従来から、陽極酸化を利用した多孔質構造体の製造方法は、規則正しく配列されたナノオーダーの円柱状の細孔(微細な凹部)を形成できる簡易な方法として注目されてきた。硫酸、蓚酸、または燐酸等の酸性電解液またはアルカリ性電解液中にアルミニウム基材を浸漬し、これを陽極として電圧を印加すると、アルミニウム基材の表面で酸化と溶解が同時に進行し、その表面に細孔を有する酸化膜を形成することができる。この円柱状の細孔は、酸化膜に対して垂直に配向し、一定の条件下(電圧、電解液の種類、温度等)では自己組織的な規則性を示すため、各種機能材料への応用が期待されている。
特定の条件下で作製されたポーラスアルミナ層は、膜面に垂直な方向から見たときに、ほぼ正六角形のセルが二次元的に最も高密度で充填された配列をとっている。それぞれのセルはその中央に細孔を有しており、細孔の配列は周期性を有している。セルは局所的な皮膜の溶解および成長の結果形成されるものであり、バリア層と呼ばれる細孔底部で、皮膜の溶解と成長とが同時に進行する。このとき、セルのサイズすなわち、隣接する細孔の間隔(中心間距離)は、バリア層の厚さのほぼ2倍に相当し、陽極酸化時の電圧にほぼ比例することが知られている。また、細孔の直径は、電解液の種類、濃度、温度等に依存するものの、通常、セルのサイズ(膜面に垂直な方向からみたときのセルの最長対角線の長さ)の1/3程度であることが知られている。このようなポーラスアルミナの細孔は、特定の条件下では高い規則性を有する(周期性を有する)配列、また、条件によってはある程度規則性の乱れた配列、あるいは不規則(周期性を有しない)な配列を形成する。
特許文献2は、陽極酸化ポーラスアルミナ膜を表面に有するスタンパを用いて、反射防止膜(反射防止表面)を形成する方法を開示している。
また、特許文献3に、アルミニウムの陽極酸化と孔径拡大処理を繰り返すことによって、連続的に細孔径が変化するテーパー形状の凹部を形成する技術が開示されている。
本出願人は、特許文献4に、微細な凹部が階段状の側面を有するアルミナ層を用いて反射防止膜を形成する技術を開示している。
また、特許文献1、2および4に記載されているように、モスアイ構造(ミクロ構造)に加えて、モスアイ構造よりも大きな凹凸構造(マクロ構造)を設けることによって、反射防止膜(反射防止表面)にアンチグレア(防眩)機能を付与することができる。アンチグレア機能を発揮する凹凸構造(「アンチグレア構造」ということがある。)を構成する凸部の2次元的な大きさは1μm以上100μm未満である。特許文献1、2および4の開示内容の全てを参考のために本明細書に援用する。
このように陽極酸化ポーラスアルミナ膜を利用することによって、モスアイ構造を表面に形成するための型(以下、「モスアイ用型」という。)を容易に製造することができる。特に、特許文献2および4に記載されているように、アルミニウムの陽極酸化膜の表面をそのまま型として利用すると、製造コストを低減する効果が大きい。モスアイ構造を形成することができるモスアイ用型の表面の構造を「反転されたモスアイ構造」ということにする。
特許文献5には、平滑性を有するアルミニウム板の表面に、陽極酸化時に形成されるアルミナ膜の細孔の間隔および配列と同一の間隔および配列の複数の窪みを予め形成した後、アルミニウム板を陽極酸化することにより、所定形状の細孔(微細な凹部)が予め形成した複数の窪みの間隔および配列と同一の間隔および配列で規則的に配列したポーラスアルミナ層を形成できることが記載されている。また、直進性、垂直性および独立性のより高い細孔を得るためには、アルミニウム板の表面は平滑性が高いことが望ましいことが記載されている。
しかしながら、本発明者が、鏡面切削加工が施された表面を有するアルミニウム基材を用いてモスアイ用型を作製しようとしたところ、微細な凹部が不均一に分布したポーラスアルミナ層しか得られなかった。実験結果の一例を示す。
図8(a)に示すように、鏡面切削加工が施された表面(曲面)を有するアルミニウム基材を用意した。これを陽極酸化したところ、図8(b)に示すように、筋状の模様が目視で観察された。この表面をSEMで観察しところ、図8(c)に示すように、微細な凹部の生成密度は低く、また、微細な凹部が不均一に分布していることが分かった。図8(b)において白い筋に見える部分に微細な凹部が偏在していた。また、白い筋は、鏡面切削加工においてアルミニウム基材の表面をバイトが移動した方向に平行に形成されている。
このように、機械加工によって加工変質層(以下、単に「変質層」という。)が形成されたアルミニウム基材の表面を陽極酸化すると、微細な凹部が不均一に生成される(微細な凹部の2次元的な分布に疎密ができる)という問題が発生する。
なお、機械加工が施された表面にポーラスアルミナ層を形成することは、例えば転写工程を連続的に行うことが可能なロール状の型を作製するために重要である。
また、アンチグレア機能を有する反射防止膜(反射防止表面)を形成することができる型を製造するために、従来は、例えば、特許文献1に記載されているように、サンド・ブラスト法などの機械的な方法や化学的なエッチング方法を用いてアンチグレア構造を形成するための凹凸構造を形成した後、反転されたモスアイ構造を形成していた。
また、本出願人は、国際公開第2009/147858号に、不純物元素(例えば、Mn、Mgおよび/またはFe)を含むアルミニウム基材を用い、不純物元素が偏析した部分で起こる異常溶解を利用することによって、アンチグレア構造を形成するための凹凸構造を有する型の製造方法を開示している。
しかしながら、上記従来の方法には、型の製造効率が悪いという問題があり、また上記出願に記載の方法は、不純物元素を含むアルミニウム基材にしか適用できない上、異常溶解を再現性良く制御することが難しいという問題がある。
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、機械加工が施されたアルミニウム基材の表面に、微細な凹部が均一に分布したポーラスアルミナ層を形成することが可能な、陽極酸化層の形成方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、アンチグレア機能を発現するマクロな凹凸構造を有する型、特に、アンチグレア機能を発現するマクロな凹凸構造を有するモスアイ用型を効率よく製造できる型の製造方法を提供することにある。
本発明は、少なくとも上記の目的の少なくとも1つを達成することができる。
本発明の陽極酸化層の形成方法は、(a)機械加工が施された表面を有するアルミニウム基材を用意する工程と、(b)水溶液中において、前記アルミニウム基材の前記表面を陰極として、前記表面と対向電極との間に通電処理を行う工程と、(c)前記工程(b)の後に、前記アルミニウム基材の前記表面を陽極酸化することによって、ポーラスアルミナ層を形成する工程とを包含する。なお、前記工程(b)における通電処理のことを「陰極電解」ということがある。陰極電解を行うことによって、前記アルミニウム基材の前記表面に、目的とするポーラスアルミナ層が有する複数の微細な凹部の平均隣接距離よりも小さい平均隣接距離を有する微細な凹凸構造を形成することができる。なお、変質層を有しないアルミニウム基材や、アルミニウム膜を陰極電解しても、原理的に同様の構造を得ることができる。
ある実施形態において、前記機械加工が鏡面処理加工である。
ある実施形態において、前記アルミニウム基材は、ロール状である。
本発明の反転されたモスアイ構造を表面に有する型の製造方法は、上記のいずれかの陽極酸化層の形成方法で、表面の法線方向から見たときの2次元的な大きさが10nm以上500nm未満の複数の微細な凹部を有するポーラスアルミナ層を形成する工程を包含する。前記複数の微細な凹部の隣接距離は、前記2次元的な大きさと等しいとみなし得る。また、前記表面の法線方向から見たとき前記複数の微細な凹部はほぼ円形であり、2次元的な大きさは直径とみなし得る。
本発明の型は、加工変質層を有するアルミニウム基材と、前記加工変質層上に形成されたポーラスアルミナ層とを有する。特に、上記ポーラスアルミナ層は、反射防止構造の形成に好適に用いられる反転されたモスアイ構造を有している。
本発明の他の型の製造方法は、(a)アルミニウム基材またはアルミニウム膜を用意する工程と、(b)水溶液中において、前記アルミニウム基材または前記アルミニウム膜の表面を陰極として、前記表面と対向電極との間に通電処理を行うことにより、前記表面の法線方向から見たときの2次元的な大きさが200nm以上100μm以下である複数の第1凹部を形成する工程と、(c)前記工程(b)の後に、前記表面を陽極酸化することによって、前記複数の第1凹部の内面および前記複数の第1凹部の間に、前記表面の法線方向から見たときの2次元的な大きさが10nm以上500nm未満の複数の第2凹部を有するポーラスアルミナ層を形成する工程と、(d)前記工程(c)の後に、前記ポーラスアルミナ層をエッチング液に接触させることによって、前記ポーラスアルミナ層の前記複数の第2凹部を拡大させる工程とを包含する。なお、前記工程(c)において形成される前記第2凹部の2次元的な大きさは、前記第1凹部の2次元的な大きさよりも小さい。
ある実施形態において、前記工程(a)は、機械加工が施された表面を有するアルミニウム基材を用意する工程であって、前記工程(b)において、前記機械加工が施された前記表面を陰極として、前記表面と対向電極との間に通電処理を行う。
ある実施形態において、前記アルミニウム基材はロール状である。
ある実施形態において、前記複数の第1凹部の平均隣接距離は、0.5μm以上100μm以下である。前記複数の第1凹部の平均隣接距離は、前記複数の第1凹部の2次元的な大きさの平均値よりも大きい。
本発明の型は、上記のいずれかに記載の製造方法により製造されたことを特徴とする。
本発明の反射防止膜は、上記の型を用いて形成されたことを特徴とする。
本発明によると、アルミニウム基材の機械加工が施された表面に、微細な凹部が均一に分布したポーラスアルミナ層を形成することができる。従って、ロール状の基材の外周面に、微細な凹部が均一に分布したポーラスアルミナ層を形成することができる。本発明による陽極酸化層の形成方法を用いて、反転されたモスアイ構造を表面に有する型を製造することができる。
また、本発明によると、アンチグレア機能を発現するマクロな凹凸構造を有する型、特に、アンチグレア機能を発現するマクロな凹凸構造を有するモスアイ用型を効率よく製造できる。
本発明によるモスアイ用型は、反射防止膜や反射防止表面(これらをまとめて反射防止構造という。)の形成に好適に用いられる。
以下、図面を参照して、本発明による実施形態の陽極酸化層の形成方法、型の製造方法および型を説明する。なお、本発明は例示する実施形態に限定されない。
本発明は、図8を参照して説明したように、機械加工によって変質層が形成されたアルミニウム基材の表面を陽極酸化すると、微細な凹部が不均一に生成されるという、本発明者が見出した新たな問題を解決するためになされたものである。
変質層は、金属加工の分野では良く知られているように、加工(ここでは機械加工)によって材質的に変化した表面層のことをいう。変質層は、塑性変形による格子欠陥の乱れや増加、結晶粒の変形、微細化、あるいは表面流動などによって形成されたと考えられている。変質層には残留歪み(残留応力)が発生しているので、X線回折を利用した歪み測定によって、変質層の存在および残留歪みの大きさを知ることができる。一般に、切削加工による変質層の深さは最大で400μm程度であるとされている(例えば、竹山秀彦、大学講義 切削加工、p132、(平成7)、丸善)。
鏡面切削加工を施した表面を陽極酸化した場合に、微細な凹凸が均一に形成されなかった原因および本発明の陽極酸化層の形成方法によって上記の問題が解決されるメカニズムを以下に説明する。なお、以下の説明は、本発明者が実験的に確認した事実に基づく考察であり、本発明の理解を助けるためのものであり、本発明を限定するものではない。
まず、図9および図10を参照して、アルミニウムの陽極酸化によってポーラスアルミナ層が形成されるメカニズムを説明する。
図9は、ポーラスアルミナ層が形成されるメカニズムを説明するための図であり、定電圧で陽極酸化を行ったときの電流の時間変化を示すグラフである。図10(a)〜(d)は、ポーラスアルミナ層が形成されるメカニズムを説明するための模試的な断面図であり、図10(a)、(b)、(c)および(d)は、それぞれ図9中の4つのモードI、II、IIIおよびIVに対応する様子を模式的に示している。
アルミニウム基材の表面を電解液中で、定電圧で陽極酸化すると、電流は図9に示すように変化する。この電流の変化のプロファイルから、I、II、IIIおよびIVの4つのモードに分けることができる。図10(a)、(b)、(c)および(d)を参照して、各モードについて説明する。
モードI(図10(a)):アルミニウム基材18の表面に形成される陽極酸化アルミナ層(単に「皮膜」ということがある。)10aは、きわめて薄く、皮膜10aおよび皮膜10a/溶液界面には大きなアノード電場がかかっている。電場が強いため界面におけるアニオンAm-の濃度は溶液のpHにほとんど依存せず、溶解速度もpHにより変化しない。すなわち、電解液によらずほぼ同じ反応が起こる。このとき皮膜10aの表面10sは平坦である。
モードII(図10(b)):皮膜10bが厚くなると、その表面10r1はやや粗くなる。すなわち、表面10r1は微細な凹凸を有する。この凹凸のため、電流密度に不均一な分布ができ、局部溶解へと移行する。
モードIII(図10(c)):モードIIで生じた表面10r1のラフネス(凹凸)のうち一部が成長し、微細な凹部12を形成するとともに、金属/皮膜界面(アルミニウム基材18と陽極酸化アルミナ層10cとの界面)がおわん状になり局部溶解の面積が増加する。その結果、全体のみかけの電流は増加してくる。電場強度が最も強くなる凹部12の底部分に溶解は限定される。
モードIV(図10(d)):凹部(細孔)12が安定的に成長する。
鏡面切削加工を施した表面を陽極酸化したときの電流プロファイルは、例えば図7の条件4(0.1Mの蓚酸水溶液で、60Vの定電圧で陽極酸化)で示すように、短時間で低下した後は殆ど変化しなかった。すなわち、電流プロファイルに、上記のモードIIIおよびIVに対応する部分が存在せず、微細な凹部(細孔)12が形成されていないことがわかる。この原因は、鏡面切削加工を施した表面(鏡面)には変質層が形成されており、この変質層の存在によって、モードIIにおいて電流密度に分布ができる程の表面粗さが得られなかったためと考えられる。
モードIIで粗さが発生する過程には化学的溶解が関わっていると考えられる。反射防止構造の形成に適したモスアイ用型として用いられるポーラスアルミナ層は、比較的、化学的な溶解力の低い電解液を用いるので、モードIIにおいて十分な粗さが得られないという問題が顕著に現れるものの、陽極酸化の条件(例えば電解液の化学的な溶解力を含む)によらず、同様の傾向が認められる。
また、機械加工が鏡面切削加工の例を説明したが、これに限られず、鏡面研磨や鏡面研削などの他の鏡面処理加工を行う場合にも同様であり、変質層を形成する機械加工一般についても同様である。
本発明は、本発明者が見出した上記知見に基づいてなされたものである。本発明によるある実施形態の陽極酸化層の形成方法は、機械加工が施された表面に、目的とするポーラスアルミナ層が有する複数の微細な凹部12の平均隣接距離よりも小さい平均隣接距離を有する微細な凹凸構造を形成する(図10(b)の表面10r1、図10(c)の表面10r2参照)工程を包含する。
微細な凹凸構造は、水溶液中において、アルミニウム基材の表面を陰極として、表面と対向電極との間に通電処理(陰極電解)を行うことによって形成される。
後に実施例を示すように、本発明による実施形態の陽極酸化層の形成方法によると、図1(a)に示すように、基材本体部18bと、基材本体部18bの表面に形成された変質層18aとを表面に有するアルミニウム基材18を用いて、微細な凹部が均一に分布したポーラスアルミナ層を形成することができる。従って、本発明による実施形態の陽極酸化層の形成方法を用いると、鏡面処理加工を施したアルミニウム基材の表面に反転されたモスアイ構造を有する型を製造することができる。鏡面処理加工を施した表面に、表面の法線方向から見たときの2次元的な大きさが10nm以上500nm未満の複数の微細な凹部を有するポーラスアルミナ層を有する型は、クリアタイプの反射防止構造を形成するために好適に用いられる。なお、クリアタイプの反射防止構造とは、防眩作用を有しない反射防止構造をいう。
本発明による実施形態の陽極酸化層の形成方法によると、図1(b)に示すように、アルミニウム基材18の変質層18a上に、ポーラスアルミナ層10を形成することができる。また、図1(c)に示すように、図1(a)に示したアルミニウム基材18が有していた変質層18aを除去した後にポーラスアルミナ層10を形成することができる。図1(b)および図1(c)に示したポーラスアルミナ層10が形成された基材は、そのまま、モスアイ用型として用いることができる。
従って、図1(a)〜(c)に示したアルミニウム基材18として、ロール状の基材を用意すれば、鏡面処理加工を施した外周面に微細な凹部が均一に形成されたモスアイ用型を製造することができる。
図2〜図7を参照して、本発明による実施形態の陽極酸化層の形成方法を更に詳細に説明する。
図2(a)〜(f)は、本発明による実施形態の陽極酸化層の形成方法を説明するための模式的な断面図である。
まず、図2(a)に示すように、機械加工が施された表面を有するアルミニウム基材18を用意する。例えば、図8(a)に示す、鏡面切削加工を施したアルミニウム基材18を用意する。アルミニウム基材18は、本体部18bと変質層18aとを有している。変質層18aの表面18sは鏡面である。
次に、図2(b)に示すように、陰極電解によって、変質層18aの表面18sに微細な凹凸構造を形成する。陰極電解の詳細は後述する。変質層18aの表面18rに形成された微細な凹凸構造が、陽極酸化プロセスのモードIIIへの移行を可能にする(図9および図10参照)。表面18rに形成された微細な凹凸構造は、目的とするポーラスアルミナ層が有する複数の微細な凹部の平均隣接距離よりも小さい平均隣接距離を有する。
以下、例えば、特許文献4に記載されているように、陽極酸化工程とエッチング工程とを交互に複数回繰り返すことによって、所望の断面形状を有する微細な凹部を有するポーラスアルミナ層を形成することができる。例えば、以下のようにして、反射防止構造の形成に好適に用いられるポーラスアルミナ層を形成することができる。
図2(c)に示すように、アルミニウム基材18の表面18rを陽極酸化すると、微細な凹部12が均一に分布したポーラスアルミナ層10を形成することができる。すなわち、変質層18aの表面18rが微細な凹凸構造を有するので、陽極酸化過程がモードIIで停止することなく、モードIIIおよびIVへ進行する。陽極酸化は、例えば、0.1M蓚酸水溶液で40秒間、60Vの電圧を印加することによって行われる。なお、図示を省略するが、図2(c)〜(f)に示しているアルミニウム基材18は、ポーラスアルミナ層10側に変質層18aを有している。
続いて、図2(d)に示すように、微細な凹部12を有するポーラスアルミナ層10をエッチング液に接触させることによって所定の量だけエッチングする。エッチングすることによって、微細な凹部12の孔径を拡大する。ここでウェットエッチングを採用することによって、微細な凹部12を等方的に拡大することができる。エッチング液の種類・濃度、およびエッチング時間を調整することによって、エッチング量(すなわち、微細な凹部12の大きさおよび深さ)を制御することが出来る。エッチング液としては、例えば、5質量%燐酸および3質量%クロム酸を用いることができる。
この後、図2(e)に示すように、再び、アルミニウム基材18を部分的に陽極酸化することにより、微細な凹部12を深さ方向に成長させると共にポーラスアルミナ層10を厚くする。ここで微細な凹部12の成長は、既に形成されている微細な凹部12の底部から始まるので、微細な凹部12の側面は概ね階段状になる。
さらにこの後、必要に応じて、図2(f)に示すように、ポーラスアルミナ層10をアルミナのエッチング液に接触させてさらにエッチングすることにより微細な凹部12の孔径を拡大する。エッチング液としては、ここでも上述したエッチング液を用いることが好ましく、同じエッチング浴を用いればよい。
上記の一連のプロセスは、陽極酸化工程で終わることが好ましく、図2(f)のエッチング工程を行った場合には、さらに陽極酸化工程を行うことが好ましい。陽極酸化工程で終わる(その後のエッチング工程を行わない)ことによって、微細な凹部12の底部を小さくすることができる。即ち、得られたモスアイ用型を用いて形成されるモスアイ構造の凸部の先端を小さくすることができるので、反射防止効果を高めることができる。もちろん、陽極酸化とエッチングとを繰り返す回数や、各条件(時間を含む)は異なっても良い。所望するモスアイ構造(反射防止性能など)に応じて適宜変更され得る。
このように、上述した陽極酸化工程(図2(c))及びエッチング工程(図2(d))を繰り返すことによって、所望の形状を有する微細な凹部12が均一に分布したポーラスアルミナ層10が得られる。陽極酸化工程およびエッチング工程を繰り返すことにより、微細な凹部12を円錐状の凹部とすることができる。なお、陽極酸化工程およびエッチング工程のそれぞれの工程の条件を適宜設定することによって、微細な凹部12の大きさ、細孔の深さと共に、微細な凹部12の側面の階段形状を制御することができる。
ここで、図3を参照して、陰極電解を説明する。
陰極電解は、図3に示すように、電解液としての水溶液中において、アルミニウム基材の表面を陰極として、アルミニウム基材の表面と対向電極との間に通電処理を行うことを言う。水溶液としては、陽極酸化に用いる電解液を用いることもできるし、抵抗値が1M以下の水を用いることもできる。
Alを陰極としたときに電解液中で生じる反応は下記式(1)で表される。
2Al+6H2O→2Al(OH)3↓+3H2↑・・・・・・・・・(1)
2Al+6H2O→2Al(OH)3↓+3H2↑・・・・・・・・・(1)
Alを陰極として電圧を印加すると、陰極における総反応としては、水素が発生し、アルミニウム基材の表面に水酸化アルミニウムの皮膜が生成する。過程ごとに詳細に見ていくと次のようになる。
陰極では、下記式(2)で表される電子授受の反応が起こる。
Al→Al3++3e- ・・・・・・・・・(2)
Al→Al3++3e- ・・・・・・・・・(2)
また、下記式(3)で表される水の電離が起こる。
2H2O⇔H3O++OH- ・・・・・・・・・(3)
2H2O⇔H3O++OH- ・・・・・・・・・(3)
また、水溶液中のH3O+が下記式(4)で表されるように電子を受け取る。
2H3O++2e-→H2↑+2H2O・・・・・・・・・(4)
2H3O++2e-→H2↑+2H2O・・・・・・・・・(4)
式(4)の反応が起こると、式(3)の平衡が偏り、陰極の近傍では局所的にOH-が過剰となる。
その結果、下記式(5)の平衡が偏り、アルミニウム基材の表面からAlが減ることになる。
Al3++3OH-⇔Al(OH)3・・・・・・・・・(5)
Al3++3OH-⇔Al(OH)3・・・・・・・・・(5)
反応速度を考えると、電解質を考慮にいれる必要がある。水溶液を酸性の電解液(酸をHAで表す。Hは水素)とすると、下記式(6)で表されるように、酸HAが電離する。
HA+H2O⇔H3O++A-・・・・・・・・・(6)
HA+H2O⇔H3O++A-・・・・・・・・・(6)
上記式(4)で表される反応の結果、水素が発生する(水溶液から出て行く)ことによって、水溶液中で過剰となったOH-は、上記式(6)のH3O+と下記の式(7)で表されるように反応する。
H3O++OH-⇔2H2O・・・・・・・・・(7)
H3O++OH-⇔2H2O・・・・・・・・・(7)
上記式(5)の速度は、上記式(2)から電流密度に比例すると考えられ、また、上記式(6)および式(7)から、電解液の濃度に反比例すると考えられる。
なお、酸性の電解液中では、上記式(5)で生成した水酸化アルミニウムは、下記の式(8)で表されるように溶解する。
Al(OH)3+3HA⇔Al3++3A-+3H2O ・・・・・・・・・(8)
Al(OH)3+3HA⇔Al3++3A-+3H2O ・・・・・・・・・(8)
水酸化アルミニウムが皮膜として残るかどうかは上記式(8)と式(5)の反応速度のバランス、および皮膜生成時の陰極(アルミニウム基材)の表面温度に依存する。
上述したように、アルミニウム基材の表面を陰極電解すると、アルミニウム基材の表面からアルミニウムが溶出するので、表面に微細な凹凸構造が形成される(図2(b)参照)。この微細な凹凸構造が形成された表面を陽極酸化することによって、変質層に影響されることなく、上述したように微細な凹部が均一に分布したポーラスアルミナ層が形成される。なお、「均一な分布」とは、微細な凹部の2次元的な分布に、図8(b)を示して上述したような巨視的な疎密が存在しないことをいい、微細な凹部の2次元的な分布の規則性の有無とは無関係である。陰極電解を行った後で陽極酸化を行うことによって、変質層を有するアルミニウム基材の表面に、2次元的な分布に規則性が無い微細な凹部を均一に形成することができる。
図4は、鏡面切削加工が施されたアルミニウム基材の表面(図8(a)参照)を陰極電解し、その後に陽極酸化を行った後の表面の写真である。陰極電解は、具体的には、電解液として0.1Mの蓚酸水溶液を用い、4A/dm3の電流を30秒間流した後、アルミニウム基材を電解液から引き上げるという操作を1セットとして、3セット行った。陰極電解の後、アルミニウム基材の表面に形成された水酸化アルミニウムの皮膜を取り除くために、30℃の1M燐酸水溶液中に10分間浸漬した。その後、0.1M蓚酸水溶液中で60Vの定電圧で2分間、陽極酸化を行った。図8(b)に示す、鏡面切削加工が施されたアルミニウム基材の表面をそのまま陽極酸化した後の表面の写真と比較すると明らかなように、図4に示す表面には白い筋状の模様は一切見られず、微細な凹部が均一に分布したポーラスアルミナ層が形成されていることが分かる。
図8(a)に示した鏡面切削加工が施されたアルミニウム基材の表面、図8(b)に示した鏡面切削加工が施されたアルミニウム基材の表面をそのまま陽極酸化した後の表面、および図4に示した鏡面切削加工が施されたアルミニウム基材の表面を陰極電解し、その後に陽極酸化を行った後の表面をそれぞれSEMを用いて観察した結果を説明する。
図5(a)は、鏡面切削加工が施されたアルミニウム基材の表面に陰極電解を行った後の表面のSEM像を示す図であり、図5(b)は更に陽極酸化を行った後の表面のSEM像を示す図である(実施例)。一方、図6(a)は、アルミニウム基材の鏡面切削加工が施された表面のSEM像を示す図であり、図6(b)は、鏡面切削加工が施されたアルミニウム基材の表面に陰極電解を行うことなく、陽極酸化を行った後の表面のSEM像を示す図である(比較例)。
まず、図5(a)を図6(a)と比較する。図6(a)のSEM像から分かるように、アルミニウム基材の鏡面切削加工が施された表面には凹凸構造は見られず、非常に平滑である。これに対し、図5(a)のSEM像から分かるように、鏡面切削加工が施されたアルミニウム基材の表面に陰極電解を行った後の表面には微細な凹凸構造が見られる。
次に、図5(b)を図6(b)と比較する。図6(b)のSEM像から分かるように、微細な凹部が僅かに形成されているに過ぎない。これは、図6(b)のSEM像よりも倍率の低い、図8(c)に示したSEM像を参照して上述したとおりである。これに対し、図5(b)のSEM像から分かるように、アルミニウム基材の表面に陰極電解を行った後に陽極酸化を行うことによって、微細な凹部が均一に分布したポーラスアルミナ層が形成されている。
また、図5(a)と図5(b)とを比較すると分かるように、陰極電解によって形成される微細な凹凸構造(図5(a))の平均隣接距離は、目的とするポーラスアルミナ層が有する複数の微細な凹部の平均隣接距離よりも小さい。図5(a)に示した凹凸構造の平均隣接距離は数十nm以下であり、図5(b)に示した微細な凹部の平均隣接距離は約200nmである。これは、図9および図10を参照して説明した、ポーラスアルミナ層が形成されるメカニズムと整合している。なお、平均隣接距離は、SEM像を画像解析することによって求められる。また、微細な凹部の2次元的な大きさは隣接距離と等しいとみなし得る。
図7を参照して、陽極酸化に対する陰極電解の影響を説明する。図7は、定電圧で陽極酸化を行ったときの電流の時間変化を示すグラフであり、鏡面切削加工が施されたアルミニウム基材の表面に、異なる3つの条件1〜3で陰極電解を行った後に陽極酸化を行った場合と、陰極電解を行わずに陽極酸化を行った場合(条件4)とを併せて示している。
陰極電解の条件は、条件1〜3のいずれも、電解液として0.1M蓚酸水溶液を用い、液温は20℃とした。
条件1:4A/dm3の電流を30秒間流した後、アルミニウム基材を電解液から引き上げるという操作を1セットとして、3セット行った。
条件2:1.6A/dm3の電流を30秒間流した後、アルミニウム基材を電解液から引き上げるという操作を1セットとして、3セット行った。
条件3:1.6A/dm3の電流を30秒間流した後、アルミニウム基材を電解液から引き上げるという操作を1セットとして、6セット行った。
なお、アルミニウム基材を電解液から引き上げることによって、陰極電解を複数回に分けて行ったのは、陰極であるアルミニウム基材の表面に発生する気泡が反応を阻害し、陰極電解が進行しない部分が発生するのを防止するためである。
また、陰極電解の後、アルミニウム基材の表面に形成された水酸化アルミニウムの皮膜を取り除くために、30℃の1M燐酸水溶液中に10分間浸漬した。
その後、0.1M蓚酸水溶液中で60Vの定電圧で2分間、陽極酸化を行った時の電流プロファイルを図7に示している。
まず、陰極電解を行わなかった条件4では、上述したモードIIIおよびIVが存在せず、微細な凹部(細孔)の生成・成長が起こっていないことがわかる。
陰極電解を行った条件1〜3のすべてにおいて、モードI、II、IIIおよびIVの4つのモードが存在していることが分かる。すなわち、モードIIIおよびIVが進行するために必要な程度の粗さを有する微細な凹凸構造が、陰極電解によって形成されたことがわかる。
陰極電解時の電流密度が異なる2つの条件1と条件2とを比較すると、条件1(4A/dm3)のほうが早い段階でモードIIからモードIIIへ遷移していることがわかる。これは、陰極電解によって形成された表面粗さ(微細な凹凸構造)の程度の違いによるものと考えられる。すなわち、電流密度が大きい条件1の方が、条件2(1.6A/dm3)よりも、平均隣接距離の小さい凹凸構造が形成されたと考えられる。
陰極電解の回数が異なる2つの条件2と条件3とを比較すると、電流プロファイルはほぼ重なっており、モードI〜IVがほとんど同じ早さで進んでいることがわかる。
すなわち、モードIIからモードIIIへ遷移するために必要な微細な凹凸構造の粗さの程度には、陰極電解の量でなく、電流密度が支配的に影響していることがわかる。
上述したことから明らかなように、アルミニウム基材の表面に変質層が形成されていても、陰極電解を行うことによって表面に微細な凹凸構造を形成すれば、微細な凹部が均一に分布したポーラスアルミナ層を形成できることが実験的に確認された。もちろん、陰極電解を行うことによって、変質層を完全に除去すれば、図9および図10を参照して説明したモードI〜モードIVを経て、微細な凹部が均一に分布したポーラスアルミナ層を形成できる。
なお、ポーラスアルミナ層が形成されたアルミニウム基材はそのまま型として用いることができる。従って、アルミニウム基材は十分な剛性を有していることが好ましい。また、ロール状の基材とするためには、加工性に優れることが好ましい。剛性および加工性の観点から、不純物を含むアルミニウム基材を用いることが好ましく、特に、標準電極電位がAlよりも高い元素の含有量が10ppm以下で、標準電極電位がAlよりも低い元素の含有量が0.1質量%以上であることが好ましい。特に、Alよりも卑な金属であるMg(標準電極電位が−2.36V)を不純物元素として含むアルミニウム基材を用いることが好ましい。Mgの含有率は、全体の0.1質量%以上4.0質量%以下の範囲であることが好ましく、1.0質量%未満であることが好ましい。Mgの含有率が0.1質量%未満では十分な剛性が得られない。また、MgのAlに対する固溶限界は4.0質量%である。不純物元素の含有率は、アルミニウム基材の形状、厚さおよび大きさに応じて、必要とされる剛性および/または加工性に応じて適宜設定すればよいが、Mgの含有率が1.0質量%を超えると、一般に加工性は低下する。
このように不純物を含むアルミニウム基材を用いる場合は、本出願人による国際公開第2010/073636号に記載の型の製造方法を用いることによって、上述の不純物による異常溶解(異常エッチング)を抑制することが好ましい。すなわち、アノードインヒビター(特に有機系)を含むエッチング液を用いる(対策a)、あるいは、標準電極電位がAlよりも高い元素の含有量が10ppm以下で、標準電極電位がAlよりも低い元素の含有量が0.1質量%以上であるAl基材を用いる(対策b)、エッチング工程の前に、アルミナの追加バリア層を形成する(対策c)ことで抑制できる。もちろん、これら3つの対策a〜cの内の任意の2つ以上を組み合わせて採用してもよい。さらに、アノードインヒビターに代えて、またはアノードインヒビターとともにアルミニウムに皮膜を形成する化合物を含むエッチング液を用いてもよい。参考のために、国際公開第2010/073636号の開示内容の全てを本明細書に援用する。
本発明者が陰極電解を更に検討したところ、陰極電解の条件および/または陰極電解の時間を調整することによって、反転されたモスアイ構造を形成するための2次元的な大きさが10nm以上500nm未満の複数の微細な凹部(第2凹部ということがある)よりも大きな2次元的な大きさを有する複数の凹部(第1凹部ということがある)を形成することができることがわかった。陰極電解によって形成される凹部の2次元的な大きさは200nm以上100μm以下であり、反転されたモスアイ構造を形成するための微細な凹部としては、陰極電解によって形成される凹部よりも2次元的な大きさが小さい微細な凹部が形成される。
従来は、上述したように、アンチグレア構造を構成する凸部の2次元的な大きさは1μm以上100μm未満が好ましいと考えられていた。これは、ヘイズ値が10以上あるいは20以上の高いアンチグレア性が好ましいと考えられていたためと思われる。最近では、クリアな画像が好まれる傾向があり、従来よりも低いヘイズ値(例えば1〜5)を有する反射防止膜に対するニーズが広がりつつある。本出願人の検討によると、アンチグレア構造を構成する凸部の2次元的な大きさが200nm以上あれば、低いヘイズ値を有する反射防止膜が得られる(PCT/JP2010/069095)。PCT/JP2010/069095の開示内容の全てを参考のために本明細書に援用する。なお、ヘイズ値は、試料に平行光を照射したときの、全透過光(直進透過光と拡散透過光との和)に対する拡散透過光の比率を百分率で表した値をいい、ここでは、日本電色社製の積分球式濁度計NDH−2000を用いて測定した。
図11(a)〜(c)を参照して、本発明によるこの実施形態の型の製造方法を説明する。
まず、図11(a)に示すように、アルミニウム基材18を用意する。アルミニウム基材18は、変質層を有していてもよい。またアルミニウム基材18に代えて、例えばガラス基板などの基材に支持されたアルミニウム膜(厚さ0.5μm〜5μm程度)を用いることもできる。
次に、図11(b)に示すように、水溶液中において、アルミニウム基材またはアルミニウム膜の表面を陰極として、表面と対向電極との間に通電処理を行うことにより、表面の法線方向から見たときの2次元的な大きさが200nm以上100μm以下である複数の凹部(第1凹部)18hを形成する。水溶液(電解液)としては、上述の陰極電解と同様に、陽極酸化に用いる電解液を用いることもできるし、抵抗値が1M以下の水を用いることもできる。液温に特に制限はない。電流は、例えば1〜100A/dm3程度の範囲内で、陰極電解の時間を調整することによって、2次元的な大きさが200nm以上100μm以下の凹部18hを形成することができる。
アルミニウムを陰極電解することによってこのような大きさの凹部が形成されることは報告されておらず、本発明者が初めて見出した現象であり、メカニズムの解明に至っていないが、陰極電解の条件を調整することによって、上述のように2次元的な大きさが数十nm程度の微細な凹凸構造を形成することもできるし、後に実験例を示すように、2次元的な大きさが200nm以上100μm以下の凹部18hを形成することもできる。凹部18hの平均隣接距離は、陰極電解の条件によって変わり得るが、凹部18hの平均隣接距離は0.5μm以上100μm以下であることが好ましい。
次に、図11(c)に示すように、表面を陽極酸化することによって、複数の凹部18hの内面および複数の凹部18hの間に、表面の法線方向から見たときの2次元的な大きさが10nm以上500nm未満の複数の微細な凹部(第2凹部)12を有するポーラスアルミナ層10Aを形成する。さらにその後に、ポーラスアルミナ層10Aをエッチング液に接触させることによって、ポーラスアルミナ層10Aの複数の微細な凹部12を拡大させる。上述したように、陽極酸化工程とエッチング工程とを交互に複数回繰り返すことによって、所望の断面形状を有する微細な凹部12を有するポーラスアルミナ層10Aを形成することができる。微細な凹部12は、エッチングによって開口を拡大し(断面形状を略コーン状とし)、微細な凹部12の2次元的な大きさ(直径)と隣接距離とはほぼ等しく、10nm以上500nm未満となるように調整することが好ましい。
微細な凹部12は、2次元的な大きさが200nm以上100μm以下の凹部18hに重畳されて形成されるので、アンチグレア構造にモスアイ構造が重畳された反射防止膜を製造するための型100Aが得られる。なお、図11(c)において、陰極電解によって形成された凹部18hを反映して、ポーラスアルミナ層10Aに形成された凹部を凹部12hとして示している。
なお、陰極電解を行うと、上述のように、アルミニウム基材の表面に水酸化アルミニウムの皮膜が形成されることがある。陰極電解の後、陽極酸化を行う前に、必要に応じて、アルミニウム基材の表面に形成された水酸化アルミニウムの皮膜を取り除く。水酸化アルミニウムは、上述したように、例えば30℃の1M燐酸水溶液中に10分間浸漬することによって除去することができる。
図12(a)に、上記の製造方法によって得られた型の表面のSEMを示す。この型は、以下の方法で作製した。
エッチング中に異常溶解が起きないアルミニウム基材(例えば、純度が99.99質量%以上のベースアルミニウムに約0.7質量%のMgを含む)を用いて、0.05Mの蓚酸水溶液(液温20℃)中で、アルミニウム基材の表面を陰極として、アルミニウム基材の表面と対向電極との間に10分間にわたって通電処理(電流値:40A/dm3)を行った。これにより、アルミニウム基材の表面に表面の法線方向から見たときに、直径(2次元的な大きさ)が500nm〜2μm(平均が約1μm)の凹部(図11(a)中の凹部18h)が、平均隣接距離が約5μmで形成された。この凹部は、図12(a)に示したSEM像においては、白く縁取りされたほぼ円形の領域として観察されている。
その後、アルミニウム基板を陽極として、0.1M蓚酸水溶液で、40秒間、60Vの定電圧を印加することによって、ポーラスアルミナ層を形成した。その後、50℃の5質量%の燐酸を用いてウェットエッチングを30分間行った。その後に、再び、上記の条件の陽極酸化工程とウェットエッチング工程とを交互に4回繰り返し、最後に陽極酸化を行った。その結果、2次元的な大きさ(平均隣接距離)が約150nmで、断面形状がコーン状の微細な凹部(図11(c)の凹部12)が形成された。この微細な凹部は、図12(b)に示したSEM像においては、小さな点として観察されている。
このように、本発明によるこの実施形態の型の製造方法は、反転されたモスアイ構造を形成するための陽極酸化工程の前に、陰極電解工程を行うだけで、アンチグレア構造にモスアイ構造が重畳された反射防止膜を製造するための型100Aが得られるので、従来よりも製造効率を向上させることができる。
この型の製造方法は、アルミニウムの表面を陰極電解する工程を含んでいるので、上述したように、機械加工が施された表面を有するアルミニウム基材の表面であっても均一に処理することができる。機械加工が施された表面を陰極電解した後、反転されたモスアイ構造を形成することによって、機械加工が施された表面を有するアルミニウム基材の表面に、アンチグレア構造にモスアイ構造が重畳された反射防止膜を製造するためのポーラスアルミナ層を形成することができる。従って、この型の製造方法は、ロール状の型の製造に好適に用いられる。
図12(a)に示した表面を有するモスアイ用型を用いて、例えば以下のようにして反射防止膜を作成することができる。
被加工物の表面と、モスアイ用型との間に、紫外線硬化樹脂を付与した状態で、モスアイ用型を介して紫外線硬化樹脂に紫外線(UV)を照射することによって紫外線硬化樹脂を硬化する。紫外線硬化樹脂は、被加工物の表面に付与しておいても良いし、モスアイ用型の型面(モスアイ構造を有する面)に付与しておいてもよい。紫外線硬化樹脂としては、例えばアクリル系樹脂を用いることができる。
その後、被加工物からモスアイ用型を分離することによって、モスアイ用型の凹凸構造が反転された構造を有する樹脂層が被加工物の表面に形成される。このようにして、表面の法線方向から見たときの2次元的な大きさが200nm以上100μm以下(ここでは500nm〜2μm(平均が約1μm))の凸部と、2次元的な大きさが10nm以上500nm未満(ここでは、約150nm)の凸部とが重畳された構造を有する反射防止膜が得られる。このようにして、アンチグレア機能を発揮する凹凸構造に、モスアイ構造が重畳された構造を有する反射防止膜が得られる。ここで得られた反射防止膜のヘイズ値は13.46であり、表面反射率は0.3%であった。
本発明の型の製造方法および型は、特に、ロール状のモスアイ用型の製造方法に好適に用いられる。本発明によるモスアイ用型は、反射防止構造の形成に好適に用いられる。
10、10A ポーラスアルミナ層
12 微細な凹部(細孔)
18 アルミニウム基材
18a 変質層
18b 基材本体部
18h 凹部
100A 型
12 微細な凹部(細孔)
18 アルミニウム基材
18a 変質層
18b 基材本体部
18h 凹部
100A 型
Claims (6)
- (a)アルミニウム基材またはアルミニウム膜を用意する工程と、
(b)水溶液中において、前記アルミニウム基材または前記アルミニウム膜の表面を陰極として、前記表面と対向電極との間に通電処理を行うことにより、前記表面の法線方向から見たときの2次元的な大きさが200nm以上100μm以下である複数の第1凹部を形成する工程と、
(c)前記工程(b)の後に、前記表面を陽極酸化することによって、前記複数の第1凹部の内面および前記複数の第1凹部の間に、前記表面の法線方向から見たときの2次元的な大きさが10nm以上500nm未満の複数の第2凹部を有するポーラスアルミナ層を形成する工程と、
(d)前記工程(c)の後に、前記ポーラスアルミナ層をエッチング液に接触させることによって、前記ポーラスアルミナ層の前記複数の第2凹部を拡大させる工程と
を包含する、型の製造方法。 - 前記工程(a)は、機械加工が施された表面を有するアルミニウム基材を用意する工程であって、
前記工程(b)において、前記機械加工が施された前記表面を陰極として、前記表面と対向電極との間に通電処理を行う、請求項1に記載の型の製造方法。 - 前記アルミニウム基材はロール状である、請求項1または2に記載の型の製造方法。
- 前記複数の第1凹部の平均隣接距離は、0.5μm以上100μm以下である、請求項1から3のいずれかに記載の型の製造方法。
- 請求項1から4のいずれかに記載の製造方法により製造された型。
- 請求項5に記載の型を用いて形成された、反射防止膜。
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