JP4487306B2 - 複合構造物形成装置および形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、微粒子を含むエアロゾルを基材に吹き付け、微粒子材料からなる構造物を基材上に形成させることによって、基材と構造物からなる複合構造物を作製する複合構造物形成装置および形成方法に関する。

基材表面に脆性材料からなる構造物を形成する方法として、従来特許文献１、特許文献２、特許文献３などが挙げられており、微粒子ビーム堆積法あるいはエアロゾルデポジション法と呼ばれる名称で認知されている。これは脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから基板に向けて噴射し、基材に脆性材料微粒子を衝突させ、この衝突の衝撃により脆性材料が変形あるいは破砕し、これにより基材上に脆性材料微粒子の構成材料からなる構造物をダイレクトで形成させることを特徴としており、特に加熱手段を必要としない常温で構造物が形成可能なプロセスで、焼成体同等の機械的強度を保有する脆性材料構造物を得ることができる。この方法に用いられる装置は、基本的にエアロゾルを発生させるエアロゾル発生器と、エアロゾルを基材に向けて噴射するノズルとからなり、ノズルの開口よりも大きな面積で構造物を作製する場合には、基材とノズルを相対的に移動・揺動させるＸＹステージなどの位置制御装置を有し、減圧下で作製を行う場合にはチャンバーと真空ポンプを有し、またエアロゾルを発生させるためのガス発生源を有することが一般的である。

この技術の改良を目的として、特許文献４ではイオン、原子、分子ビームや低温プラズマなどの高エネルギービームを微粒子の流れに照射し、微粒子を活性化させて良好な膜物性と、良好な基板への密着性を確保する工夫がなされている。

特許文献２では、微粒子材料の吹きつけの流れの基板表面への入射角度を変化させることで、微粒子材料の膜の接合が十分で組織が緻密であり、表面が平滑であり、密度の均一なものを製造する工夫がなされている。

特許文献３では脆性材料微粒子に内部歪を印加する工程を行った後に、この脆性材料微粒子を基材表面に衝突させ、この衝突の衝撃によって微粒子同士を再結合せしめることで、基材との境界部にその一部が基材表面に食い込む脆性材料からなるアンカー部を形成し、このアンカー部の上に脆性材料からなる構造物を形成させる複合構造物の形成方法が提案され、構造物の形成速度を向上させる工夫がなされている。

これらエアロゾルデポジション法で使用される基板としては、金属、ガラス、セラミックス、ある種のプラスチックなどが挙げられる。

また特許文献５には、微粒子をエアロゾル化した上で膜形成基板へと吹き付けるのに伴って微粒子膜を形成するガスデポジション法が紹介され、その後７５０℃以上の熱処理を行って高密度化した微粒子膜を得るセラミック膜の形成方法が記載されている。ここでは、膜形成時もしくは後工程の熱処理時に発生する応力に伴って膜形成基板そのものに歪が生じてしまうという課題に対して、エアロゾル状微粒子を前記膜形成基板の表裏面それぞれに対して同時に供給し、表裏面上に微粒子膜を同時に形成させるガスデポジション製膜法とその装置の紹介がある。

特許第３２５６７４１号 特許第３３３８４２２号 特許第３３４８１５４号 特許第３２５６７４１号 特開２００２−３３９０５８号公報

これら構造物の品質を上げる発明がなされる一方、緻密質で強固であり、密着性の良好な構造物を形成すると、構造物内に圧縮残留応力が発生し、それゆえ基材が構造物を上にして凸の形にそる変形を起こすという問題がある。特に基材が金属箔やプラスチックフィルムのように薄く、容易に撓むような素材の場合には、片面に製膜を行うと、基材自体が巻物状にカールしたり、膨らむなどして、取り扱いが困難となる不具合が発生する。これは微粒子を衝突させるというこの手法の特徴ゆえに、構造物形成時に常に構造物は圧縮性衝撃力の印加にさらされ、内部に応力が蓄積されるとともに、構造物が鍛造されて押し広げられるためと考えられる。

また、特許文献５にあるエアロゾルの同時供給、微粒子膜の同時形成を試みる場合でも、金属箔やプラスチックフィルムのように軟らかく撓みやすい基材を用いた場合、基材が中空に浮いている部位に高速噴射のエアロゾルを衝突させるため、基材の振動や位置の変位などのことが発生し、基材とノズルの間の距離が変化するなどのことで、膜形成の精度に不具合をきたす恐れがある。基材の搬送装置として紹介されているＸ−Ｙ−Ｚ−θテーブルではロール状基材への微粒子膜の形成は困難であるが、本発明の目的のひとつであるロール状基材などの面積の大きい素材を用いる場合においてはこの振動や変位の懸念は大きい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、脆性材料の構造物の形成に当たって、構造物が保有する残留応力を原因とする複合構造物の変形に障害されることなく構造物が形成でき、またこの残留応力による変形をより少なくした状態で複合構造物を得ることのできる複合構造物形成装置および形成方法を提案したものである。

本発明では、脆性材料微粒子をガスに分散させたエアロゾルを、フィルム状の金属基材表面に向けてノズルより噴射して衝突させ、脆性材料微粒子の構成材料からなる脆性材料構造物を、基材の一方の表面に形成させる複合構造物形成装置であって、基材を搬送する基材搬送装置を有し、基材搬送装置は、基材の一方の表面に脆性材料構造物を形成した後で、基材の他方の面が延性変形を起こして伸展するように、基材を搬送しながら基材の他方の面に引っ張り応力を印加する機構を備えることを特徴とする複合構造物形成装置を提供する。また脆性材料微粒子をガスに分散させたエアロゾルを、フィルム状の金属基材の表面に向けてノズルより噴射して衝突させ、この衝撃によって脆性材料微粒子の構成材料からなる脆性材料構造物を、基材の一方の表面に形成させる複合構造物形成方法であって、基材の一方の面に構造物を形成させた後で、基材の他方の面が延性変形を起こして伸展するように、基材を搬送しながら基材の他方の面に引っ張り応力を印加することを特徴とする複合構造物の形成方法を提供する。

基板に引っ張り応力を与えることは、製膜中に薄いフィルムが撓んだり、変形したりなどすることを防止できるため好適である。この引っ張り応力は基板の弾性変形レベル内での応力でも良いし、また基板が延性変形して伸展するまでの応力を与えても良い。内部応力を有する構造物が基材上に形成されることで、基材は変形を起こすが、ここで基材に引っ張り応力を与えて延性変形を起こさせることで、構造物にも引っ張り応力がかかることとなり応力は相殺される。結果、基材は多少伸展するものの、カールや膨れなどの製品不具合について解消がされる。

以上に説明したように本発明によれば、エアロゾルデポジション法によって圧縮残留応力を持つ脆性材料構造物をフィルム状の基材に形成させた場合でも、その応力によって基材が変形することを極力抑えることが可能となる。

エアロゾルデポジション法は脆性材料などの微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから基材に向けて噴射し、金属やガラス、セラミックスやプラスチックなどの基材に微粒子を衝突させ、この衝突の衝撃により脆性材料微粒子を変形や破砕を起させしめてこれらを接合させ、基材上に微粒子の構成材料からなる構造物をダイレクトで形成させることを特徴としており、特に加熱手段を必要としない常温で構造物が形成可能であり、焼成体同等の機械的強度を保有する構造物を得ることができる。この方法に用いられる装置は、基本的にエアロゾルを発生させるエアロゾル発生器と、エアロゾルを基材に向けて噴射するノズルとからなり、ノズルの開口よりも大きな面積で構造物を作製する場合には、基材とノズルを相対的に移動・揺動させる位置制御手段を有し、減圧下で作製を行う場合には構造物を形成させるチャンバーと真空ポンプを有し、またエアロゾルを発生させるためのガス発生源を有することが一般的である。

エアロゾルデポジション法のプロセス温度は常温であり、微粒子材料の融点より十分に低い温度、すなわち数百℃以下で構造物形成が行われるところにひとつの特徴がある。

また使用される微粒子はセラミックスや半導体などの脆性材料を主体とし、同一材質の微粒子を単独であるいは混合させて用いることができるほか、異種の脆性材料微粒子を混合させたり、複合させて用いることが可能である。また一部金属材料や有機物材料などを脆性材料微粒子に混合させたり、脆性材料微粒子表面にコーティングさせて用いることも可能である。これらの場合でも構造物形成の主となるものは脆性材料である。

この手法によって形成される構造物において、結晶性の脆性材料微粒子を原料として用いる場合、構造物の脆性材料部分は、その結晶子サイズが原料微粒子のそれに比べて小さい多結晶体であり、その結晶は実質的に結晶配向性がない場合が多く、脆性材料結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在しないと言え、さらに構造物の一部は基材表面に食い込むアンカー層を形成することが多いという特徴がある。

この方法により形成される構造物は、微粒子同士が圧力によりパッキングされ、物理的な付着で形態を保っている状態のいわゆる圧粉体とは明らかに異なり、十分な強度を保有している。

この構造物形成において、脆性材料微粒子が破砕・変形を起していることは、原料として用いる脆性材料微粒子および形成された脆性材料構造物の結晶子サイズをX線回折法で測定することにより判断できる。すなわちエアロゾルデポジション法で形成される構造物の結晶子サイズは、原料微粒子の結晶子サイズよりも小さい値を示す。微粒子が破砕や変形をすることで形成されるずれ面や破面には、もともと内部に存在し別の原子と結合していた原子が剥き出しの状態となった新生面が形成される。この表面エネルギーが高い活性な新生面が、隣接した脆性材料表面や同じく隣接した脆性材料の新生面あるいは基板表面と接合することにより構造物が形成されるものと考えられる。また微粒子の表面に水酸基が程よく存在する場合では、微粒子の衝突時に微粒子同士や微粒子と構造物との間に生じる局部のずり応力により、メカノケミカルな酸塩基脱水反応が起き、これら同士が接合するということも考えられる。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、これらの現象を継続的に発生させ、微粒子の変形、破砕などの繰り返しにより接合の進展、緻密化が行われ、脆性材料構造物が成長するものと考えられる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明に基づく複合構造物作製装置１０を示したものであり、外環境と遮断される構造物作製チャンバー１０１内にフィルム準備室１０２、構造物作製室１０５、フィルム洗浄室１１５、フィルム巻き取り室１１７が設置されている。フィルム準備室１０２にはロール状で準備された長尺のフィルム１０３が図示しない回転制御装置に連結した、基材搬送装置であるフィルム巻き出し装置１０４に装填される。フィルム１０３は金属箔やプラスチック箔などが用意される。フィルム１０３の端を引き出す形で、構造物作製室１０５内にこれが挿入され、図示しない回転制御装置に連結した整形ロール１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ、また図示しない回転制御装置に連結した基材搬送保持具である円筒状の構造物形成ロール１０７ａ、１０７ｂに固定され、フィルム洗浄室１１５内の洗浄ロール１１６にセットされ、フィルム巻き取り室１１７内で図示しない回転制御装置に連結した、基材搬送装置である巻き取りロール１１８にこの端が固定される。一方窒素やヘリウムなどのガスボンベ１０８ａ、１０８ｂを経てエアロゾル発生器１０９ａ、１０９ｂが配置されており、このエアロゾル発生器１０９ａ、１０９ｂの中に例えば酸化アルミニウムなどの脆性材料微粒子が装填されている。エアロゾル発生器１０９ａ、１０９ｂの先はエアロゾル搬送管１１０ａ、１１０ｂを通じてノズル１１１ａ、１１１ｂが、その先端の開口を、構造物形成ロール１０７ａ、１０７ｂ上に配置されたフィルム１０３の表面に向けてちょうど構造物形成ロール１０７ａ、１０７ｂと基材の表裏で対となるように配置される。このノズル１１１ａとノズル１１１ｂは、フィルム１０３の片面とこれとは異なるもう片面にそれぞれエアロゾルの噴射開口を向けて配置されている。またノズルの開口の先には、エアロゾル回収口１１２ａ、１１２ｂが配置され、これらは配管を通じて粉体回収装置１１３ａ、１１３ｂを経て真空ポンプ１１４ａ、１１４ｂに連結されている。

以下にエアロゾルデポジション法に基づく複合構造物作製装置１０の作用を述べる。ガスボンベ１０８ａ、１０８ｂを開栓し、ガスをエアロゾル発生器１０９ａ、１０９ｂ内に送り込み、運転させて脆性材料微粒子とガスが適当比で混合されたエアロゾルを発生させる。また真空ポンプ１１４ａ、１１４ｂを稼動させ、エアロゾル発生器１０９ａ、１０９ｂと構造物作製室１０５の間に差圧を生じさせる。エアロゾルをエアロゾル搬送管１１０ａ、１１０ｂを通して加速させ、ノズル１１１ａ、１１１ｂよりフィルム１０３のそれぞれ異なる面に向けて噴射する。一方、フィルム１０３はフィルム巻き取りロール１１８やフィルム巻きだしロール１０４などの回転制御を受けて徐徐にフィルム巻き取りロール１１８に巻き取られる形で搬送される。図示するロール上の矢印はフィルムの巻き取り方向を示している。このようにして、フィルム１０３上でエアロゾルとの衝突位置を変化させつつ、微粒子の衝突により膜状の脆性材料構造物がフィルム１０３の両面に形成されていく。このときフィルム１０３は一方向に進行して搬送されてもよいし、回転制御により進行と退行を繰り返して搬送されてもよい。すなわち所望の形成高さを形成させるために搬送速度に緩急をつけたり、あるいは揺動状態にして形成高さを稼ぐことができる。またこれらノズルをさらに複数ユニット配置させて、順次形成高さを増していくことも好適である。図中のノズル１１１ａ、１１１ｂの先端にある矢印はエアロゾルの流れを示しており、その先にあるエアロゾル回収口１１２ａ、１１２ｂに構造物形成に使用されなかったエアロゾルが導入され、粉体回収装置１１３ａ、１１３ｂにて脆性材料微粒子とガスとが分離されて、脆性材料微粒子は回収され、ガスは真空ポンプ１１４ａ、１１４ｂにて外界に排気される。またエアロゾルの基材への衝突位置はちょうど構造物形成ロールの表面に接触保持されている基材表面にあたるため、高速のエアロゾル流が衝突しても、箔状である基材が撓んだり、振動したりするなどの不具合がない。

このようにして、フィルム１０３の両面に一工程にて構造物形成が行われるため、片面のみ構造物を形成して取り出すという工程を経ることによる膜の膨れやカールによる取り扱いの困難さを解消することができるとともに、フィルムの両面に製膜された後には、脆性材料構造物のもつ圧縮応力が相殺されて、膨れやカールなどの形状の癖をなくすことができる。

またエアロゾル発生器１０９ａを停止して、片面のみ、ノズル１１１ｂにて構造物形成を行い、かつ構造物形成ロール１０７ｂ、整形ロール１０６ｄのロール表面材質をゴム製として、フィルム１０３との接触部の摩擦抵抗を大きくすることや、串型電極を配置させて電界印加によってプラスチックフィルムなど誘電体への静電吸着力を働かせることによって、フィルム１０３とロールの間に吸着力を生じさせる工夫を行い、かつこれらロールの回転制御を電磁モータで行って、構造物形成ロール１０７ｂの周速度を他のロールと同じに制御しつつ、整形ロール１０６ｄは無負荷の状態で構造物形成ロール１０７ｂの周速度以上で回転するようあらかじめ制御しておき、この状態でフィルムを移動させながら構造物形成を行うことで、成形ロール１０６ｄが構造物形成ロール１０７ｂに密着するフィルム１０３の抵抗を受けて周速度を構造物形成ロール１０７ｂと同じ程度まで遅くしつつ、これらの間に位置する領域のフィルム１０３に引っ張り応力を与え、さらにはこれらロールの間でフィルムの伸展を起こさしめることで、構造物の圧縮応力を緩和することが可能となる。

また構造物形成ロール１０７ｂや整形ロール１０６ｄを加熱することにより、フィルム１０３が塑性変形を起こしやすい状態にして、伸展を助長させることも好適である。

本発明は、例えば金属箔上やプラスチックフィルム上に絶縁膜やチタニアなどの光触媒膜を形成させる用途、銅箔上にチタン酸バリウムやチタン酸ストロンチウム、PZTやこれらの複合酸化物の膜状構造物を形成させた回路基板用コンデンサシートの製造に利用できる。

複合構造物作製装置を示す模式図

符号の説明

１０…複合構造物作製装置
１０１…構造物作製チャンバー
１０２…フィルム準備室
１０３…フィルム
１０４…フィルム巻き出し装置
１０５…構造物作製室
１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ…整形ロール
１０７ａ、１０７ｂ…構造物形成ロール
１０８ａ、１０８ｂ…ガスボンベ
１０９ａ、１０９ｂ…エアロゾル発生器
１１０ａ、１１０ｂ…エアロゾル搬送管
１１１ａ、１１１ｂ…ノズル
１１２ａ、１１２ｂ…エアロゾル回収口
１１３ａ、１１３ｂ…粉体回収装置
１１４ａ、１１４ｂ…真空ポンプ
１１５…フィルム洗浄室
１１６…洗浄ロール１１６
１１７…フィルム巻き取り室
１１８…巻き取りロール

Claims (2)

1. 脆性材料微粒子をガスに分散させたエアロゾルを、フィルム状の金属基材表面に向けてノズルより噴射して衝突させ、前記脆性材料微粒子の構成材料からなる脆性材料構造物を、前記基材の一方の表面に形成させる複合構造物形成装置であって、前記基材を搬送する基材搬送装置を有し、前記基材搬送装置は、前記基材の一方の表面に脆性材料構造物を形成した後で、前記基材の他方の面が延性変形を起こして伸展するように、前記基材を搬送しながら前記基材の他方の面に引っ張り応力を印加する機構を備えることを特徴とすることを特徴とする複合構造物形成装置。
2. 脆性材料微粒子をガスに分散させたエアロゾルを、フィルム状の金属基材の表面に向けてノズルより噴射して衝突させ、この衝撃によって前記脆性材料微粒子の構成材料からなる脆性材料構造物を、前記基材の一方の表面に形成させる複合構造物形成方法であって、前記基材の一方の面に構造物を形成させた後で、前記基材の他方の面が延性変形を起こして伸展するように、前記基材を搬送しながら前記基材の他方の面に引っ張り応力を印加することを特徴とする複合構造物の形成方法。

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