JP5484766B2 - 導電性粒子の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、導電性粒子の製造方法および製造装置に関し、例えば球状Si太陽電池等に用いられる球状Si粒子を製造するための方法および装置に関する。

一般に、流体を連続した中実の流れ（以下、「ジェット」と言う。）として落下させると、それ自体が不安定であるが故に、表面エネルギー的に最も安定な状態となるよう擾乱し、ある特定の波長で自然に分裂する。この波長（以下、「不安定波長」と言う。)λ_cwは、粘性流体において、以下に示される式(１)によって与えられる。ここで、Ｄは流体が流出するノズル径、ηは粘度、ρは密度、γは表面張力である。

このように分裂した流体は、落下している間にそれ自体の表面張力により球状化する。例えば、流体を溶融金属とした場合には、分裂して球状となった後、冷却されることで表面から凝固が進行し、球状の金属粒子が形成される。上記原理に従って、一定の周期で分裂した流体から得られる球状の粒子は、均一の粒径を有することが期待される。

しかしながら、ジェットは外因的な振動等の影響を受けやすいため、この不安定波長以外の部分でも分断されてしまう場合があり、これは、形成される粒子の粒径を不均一にして歩留まりを低下させ、また、球別作業等の余計な工程が必要となるため、均一な粒子を効率よく製造することができないという問題があった。

そこで、本発明者らは、特許文献１において、落下している溶融金属の流れに断続的に電磁力を加えることによって、溶融金属の流れをその不安定波長で自然に分裂させるのではなく、一定の周期で強制的に分断することにより、サイズの揃った金属粒子を製造可能である点について開示した。しかしながら、特許文献１では、サイズの揃った金属粒子を実際に製造するために、電磁力を印加する際の具体的な印加条件については示されていない。

特開２００６−１９３７７５号公報

本発明は、特許文献１の発明を改良したものであって、特に導電性材料の流体の流れに加える電磁力の印加間隔等の印加条件の適正化を図ることにより、サイズの揃った導電性粒子を効率よく製造するための方法および製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）導電性材料の流体を連続した中実の流れとして落下させ、この落下しつつある流れに断続的に電磁力を加えて、初期振幅Ａ０の擾乱を生じさせ、該擾乱を発達させることにより前記流れを分断し、分断した流体をそれ自身の表面張力によって球状化させ、少なくとも球の表面が凝固した粒子を捕集することにより導電性粒子を製造する方法であって、前記初期振幅Ａ０は、前記流れの直径の１／２未満であり、かつＤを前記流体が流出するノズル径、ηを粘度、ρを密度、γを表面張力とし、不安定周波数を、以下の式（１）で示す不安定波長λcwの逆数に前記流体が流出するときの速度を乗じたものと定義するとき、前記電磁力を加える際の電磁力印加周波数は、前記不安定周波数を中心として−50％〜＋50％の範囲とし、前記電磁力は、三角形状の電磁力集中部を有するコンセントレータにより、前記流れの小さな領域に集中させるよう印加されることを特徴とする導電性粒子の製造方法。

（２）前記電磁力印加周波数は、前記不安定周波数と等しい上記（１）に記載の導電性粒子の製造方法。

（３）製造された導電性粒子の体積粒度分布において、目標粒径±5％の範囲内にある導電性粒子の存在割合は、全導電性粒子に対し、75％以上である上記（１）または（２）に記載の導電性粒子の製造方法。

（４）導電性材料の流体を貯える容器と、該容器の底部に設けられ、前記流体を連続した中実の流れとして落下させる流出手段と、前記流れに対して所定の電磁力を断続的に加える電磁力印加手段とを具える導電性粒子の製造装置であって、Ｄを前記流体が流出するノズル径、ηを粘度、ρを密度、γを表面張力とし、不安定周波数を、以下の式（１）で示す不安定波長λcwの逆数に前記流体が流出するときの速度を乗じたものと定義するとき、前記電磁力を加える際の電磁力印加周波数は、前記不安定周波数を中心として−50％〜＋50％の範囲となるように制御され、前記コンセントレータは、三角形状の電磁力集中部を有することを特徴とする導電性粒子の製造装置。

（５）前記流出手段および前記電磁力印加手段は、所定のチャンバ内に設けられる上記（４）に記載の導電性粒子の製造装置。

（６）電磁力印加時の前記チャンバは、不活性ガス雰囲気下とする上記（５）に記載の導電性粒子の製造装置。

（７）前記電磁力印加手段は、前記電磁力を発生させるためのコイルを有する上記（４）、（５）または（６）に記載の導電性粒子の製造装置。

（８）前記流出手段は前記容器の底部に複数個設けられる上記（４）〜（７）のいずれか一に記載の導電性粒子の製造装置。

（９）導電性粒子の粒径が100μm超えである上記（４）〜（８）のいずれか一に記載の導電性粒子の製造装置。

本発明によれば、中実の流れとして落下させた導電性材料の流れに加える電磁力の電磁力印加周波数を、不安定周波数に対して適正に選択することにより、サイズの揃った導電性粒子を効率よく製造することができる。ここで、不安定周波数とは、上記式（１）で示された不安定波長λ_cwの逆数に流体が流出するときの速度を乗じたものをいう。

本発明に従う導電性粒子の製造装置の断面構造を示す模式図である。 本発明に従う製造装置を構成する電磁力印加手段を説明するために一部破断した状態で示した斜視図である。 コンセントレータを説明するための模式的な平面図である。 本発明に従う別の製造装置を構成する電磁力印加手段を説明するために一部破断した状態で示した斜視図である。 電流制御の図式的解釈のグラフである。 実験例１〜５の粒径と個数割合との関係を示す個数粒度分布のグラフである。 実験例６〜９の粒径と個数割合との関係を示す個数粒度分布のグラフである。 実験例１〜５の粒径と体積割合との関係を示す体積粒度分布のグラフである。 実験例６〜９の粒径と体積割合との関係を示す体積粒度分布のグラフである。

次に、本発明の導電性粒子の製造方法および導電性粒子の製造装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明に従う導電性粒子の製造装置の断面構造を模式的に示したものである。

図１に示す製造装置１は、導電性材料の流体を貯える容器２と、この容器２の底部に設けられ、流体をジェットとして落下させる流出手段３と、ジェットに対して所定の電磁力を断続的に加える電磁力印加手段４とを具え、電磁力を加える際の電磁力印加周波数は、流れが自然に擾乱する不安定周波数を中心として−50％〜＋50％の範囲となるように制御される。

流出手段３および電磁力印加手段４は、所定のチャンバ５内に設けられるのが好ましく、また、電磁力印加時のチャンバは、Ａｒ，Ｈｅ，Ｎ_２等の不活性ガス雰囲気下とすることがより好ましい。空気中では、流体の表面に酸化膜が形成されるおそれがあり、これは、不安定波長における流れの分裂を阻害する原因となるためである。

また、電磁力印加手段４は、図２に示すように、電磁力を発生させるためのコイル６および電磁力をジェットの小さな領域に集中させるためのコンセントレータ７を有するのが好ましい。電磁力が作用している領域がジェットの分断長さよりも大きくなると、電磁力が作用している領域が重なってしまうため、ジェットを効率的に分断することができないためである。したがって、電磁力は、コンセントレータ７によって「小さな領域」、すなわちおおよそジェットの分断長さよりも短い領域に集中させるのが好ましい。

コイル６は、ジェットの周囲に螺旋状に巻かれ、このコイル６に高周波電流を流すことにより電磁力を発生させることができる。しかしながら、コイル６により発生した電磁力をジェットに直接作用させた場合、コイル６の高さと同じ程度の範囲にわたって電磁力が作用してしまい、電磁力の作用する範囲が広くなりすぎるという問題がある。そのため、コイル６とジェットとの間にドーナツ状に配置された、電磁力をジェットの小さな領域に集中させるためのコンセントレータ７を有するのが好ましい。

このコンセントレータ７は、縦に分割されている必要があり、合わせ目は電気的に絶縁される。図３は、このようなコンセントレータ７の模式的な平面図であり、コイル６による誘導電流が矢印で示されている。図面に示されるように、コンセントレータ７のドーナツ状の外周部分に沿って流れる誘導電流は、分割部分で内側へ流れ込み、結果としてドーナツ状の穴部分に沿って流れるようになる。また、コンセントレータ７は、熱伝導の良い銅からなるのが好ましい。さらに、コンセントレータには大電流が流れるため、冷却する必要があり、例えばコンセントレータ７内部に空洞を設け、冷却水を循環させて水冷するのが好ましい。

また、コンセントレータ７の電磁力集中部の形状は、図４に示すような三角形状とするのがさらに好ましい。コンセントレータ７内に誘起された電流は、導体内の端部を最短経路で流れる性質を有するが、電磁力集中部の形状を三角形状とすることで、コンセントレータ７における電流ロスが少なくなり、多くの電流が電磁力集中部へ流れ込み、コンセントレータ７の効率を向上させることができるためである。

流出手段３として、例えばヒーター８等で加熱されたノズルを用い、流体をその自重により流出させてもよいし、流体を中実の流れの状態で加速して落下させてもよい。不安定波長は、流体の流速には依存しないため、導電性粒子を効率よく製造できるように適宜選択することができる。また、製造されるべき導電性粒子の粒径ｄは、以下に示される式（２）によって与えられる。ここで、Ｄは流体が流出する流出手段３の径、ηは粘度、ρは密度、γは表面張力である。

流出手段３は、容器２の底部に複数個設けてもよい。これによって、一度に大量の導電性粒子を製造することができる。この場合にも、各流出手段３を周回するように電流が流れればよいので、コンセントレータ７の分割方法および各流出手段３の配置は、目的に応じて適宜選択すればよい。また、容器２の下方に捕集容器を設け、水や油等の液体を貯留することによって、導電性粒子が落下の衝撃で破損するのを防ぐことができる。

次に、本発明に従って、このような導電性粒子の製造装置１を用いる導電性粒子の製造方法を以下で説明する。

図１に示すように、本発明は、導電性材料の流体をジェットとして落下させ、この落下しつつあるジェットに断続的に電磁力を加えて擾乱を生じさせ、この擾乱を発達させることによりジェットを分断し、分断した流体をそれ自身の表面張力によって球状化させ、少なくとも球の表面が凝固した粒子を捕集することにより、サイズの揃った導電性粒子を効率よく製造することができるものである。

ジェットに加える電磁力は、コイル等の環状導体をその環の軸心線方向が鉛直方向となるように配置し、この環状導体の中心に流体のジェットを通過させることによって印加するのが好ましい。環状導体に電流が流れると、環状導体の中心部には上向きまたは下向きの磁束が生じ、ジェット中に誘導渦電流が発生する。この誘導渦電流と環状導体からの磁束とにより、ジェットに対して内側へ向かうピンチ力が作用し、この力によってジェットに生じた小さな擾乱が下方で発達することにより、ジェットが分断される。

この擾乱の初期振幅は、ジェットの直径の１／２未満とする。初期振幅がジェットの直径の１／２に近づく程、ジェットは電磁力を加えた場所の近くで分断されることになるが、このような初期振幅を大きくするには、非常に大きな電磁力が要求されることとなる。本発明は、このような大きな電磁力を要求することなく、ジェットに生じた擾乱を発達させることによってジェットを分断しようとするものであって、サイズの揃った導電性粒子を、低コスト・小規模設備で製造することができるという利点も有する。

また、本発明者らは、様々なモデル実験を行うことにより、電磁力を加える際の電磁力印加周波数が、ジェットが自然に擾乱する不安定周波数を中心として−50％〜＋50％の範囲となるよう制御し、これによって、外因的な振動等によって不安定周波数のみでは等間隔に分裂しきれなかった流れに対して、表面エネルギー的にもっとも安定な状態に向かう不安定周波数に対して適正化された電磁力印加周波数を重畳させることで、ジェットに確実な擾乱を与えることができるものである。

電磁力印加周波数が、不安定周波数から−50％を超えてずれた場合、すなわち不安定波長よりも非常に長い間隔で電磁力を印加した場合、電磁力による擾乱以前に、外因的な影響によりジェットが分断されるおそれがあり、小さな粒子が生成される割合が高くなる。一方、電磁力印加周波数が、不安定周波数から＋50％を超えてずれた場合、すなわち不安定波長よりも非常に短い間隔で電磁力を印加した場合、ジェットの分断間隔が狭くなるため、空気抵抗を受けにくい後方の液滴が前の液滴に追い着いて衝突してしまい、大きな粒子が生成される割合が高くなる。また、この範囲は導電性材料の種類等によって変化し、導電率が小さい材料を用いる場合には、不安定周波数に対して±15％程度とするのがより好ましい。また、例えばＣｕ、Ａｌなどの電気伝導率の高い材料に対しては±20％程度、Ｆｅ、Ｓｉなどの電気伝導率の低い材料に対しては±10％程度、本発明の実施例で一例として用いるＧａの場合には±15％程度とするのがより好ましい。

また、電磁力印加周波数は、不安定周波数と等しいのが好ましい。より均一度の高い導電性粒子を確実に効率よく製造するためである。

製造された導電性粒子の体積粒度分布において、目標粒径±5％の範囲内にある導電性粒子の存在割合は、全導電性粒子に対し、90％以上であるのが好ましく、より高精度な粒径が求められる場合には、99.8％以上とするのがより好ましい。

上述したとおり、電磁力は、ジェットの小さな領域に集中させるよう印加されるのが好ましい。これは、例えば三角形状の電磁力集中部を有するコンセントレータをコイル等とジェットとの間に配置することにより達成することができる。

また、例えば太陽電池用の球状Siには、100μmを超える粒径が要求されるが、本発明の導電性粒子の製造方法および製造装置によれば、電磁力印加周波数を不安定周波数に対して適正に選択することにより、従来よりも大きな、粒径が100μm超えの比較的大きなサイズの導電性粒子を効率よく製造することができる。

上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、特許請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

図１に示すように、コイル６(巻き数N=15)およびコンセントレータ７を有する本発明に従う導電性粒子の製造装置１を用いて、溶融Ｇａを、底部にノズル(全長150mm)３を有するビーカー２から、ヒーター８で加熱されたノズル３を通じて自重により流出(ジェット流速1.47m/sまたは1.68m/s)させ、このジェットに対して、所定の電磁力印加周波数で電磁力を等間隔に印加した。本実験において、チャンバ５内は、高電圧使用による解離が起こりにくいＮ_２ガス雰囲気に維持した。また、本実験例では、融点が29.78℃と低く、室温でも容易に溶融状態を保つことができるという理由から、Ｇａを用いたが、Ｆｅ，Ｃｕ，ＡｌおよびＳｉ等、導電性材料であれば本発明の効果を得ることができる。

また、図５に示すように、電磁力印加周期中の電磁力印加時間の割合デューティー比τ_EMF/τ_fは50％に設定し、また、電磁場によって液体金属の流動特性が変化する臨界値は流れの半径rと表皮厚δの比r/δ≒2.3で与えられ、r/δが2.3を超える場合、電磁場の流れに与える影響が大きくなることが知られている。ここで、表皮厚δとは、電磁力が有効に作用する距離のことをいい、以下に示す式（３）によって与えられる。

ここで、f_eは誘導コイル電流の基本周波数、μは導体の透磁率、σは導電率である。ジェットに電磁力を有効に作用させる場合には、表皮厚さをジェットの径よりも十分に小さくする必要があり、そのため、基本周波数は3.06MHzと高く設定した。また、流れの様子は高速度カメラで撮影し観察した。

撮影された液滴は、液滴同士の衝突による衝撃や液滴自身の固有振動によって必ずしも真球であるとは限らない。そこで、本実施例においては、液滴の投影面積が真球の投影面積と等しいと仮定し、液滴粒径ｄを、投影円相当径として、液滴の投影面積Sを用いて下記式（４）により計算した。

液滴のサンプリングは全画像データを0.5s間隔で抜き出した画像から行い、それらの液滴から粒度分布を求めた。

表１に、２種類のノズルを用いて、電磁力印加周波数をそれぞれ変化させた実験例１〜９について、それぞれの実験条件を示す。実験例１〜５はノズル径Ｄを1.0mm、ジェット流速Ｖを1.48m/sとした例、実験例６〜９はノズル径Ｄを1.2mm、ジェット流速Ｖを1.68m/sとした例である。

表１において、不安定周波数は、前記式（１）で示された不安定波長λ_cwの逆数に流体が流出するときの速度、すなわちジェット流速Ｖを乗じて計算されたものであり、このとき、η=2.04×10⁻³(Pa・s），ρ=6090（kg・m^-3），γ=0.718（N・m^-1）とした。

図６(a)〜図６(e)は、実験例１〜５の個数粒度分布をそれぞれ示したものである。図中、実線の矢印は、ジェットが不安定波長で分裂した場合の液滴粒径を示し、破線はジェットが電磁力印加周期で分断された場合の液滴粒径を示している。実験例１は、電磁力を印加しない場合であり、溶融Ｇａの流れは主に不安定波長で分裂しているが、十分に均一な液滴は得られていないことがわかる。これは、流れが外因的な振動に対して敏感であるため、不安定波長のみで分裂することができなかったためであると考えられる。

実験例２では、不安定波長ではなく電磁力印加間隔に等しい間隔で分断されていることがわかる。しかし、d=1.0〜1.5mm付近にサテライト滴と呼ばれる小さな液滴が生成していることが確認できる。このようなサテライト滴は、ジェットのくびれ部分で生成することが知られており、電磁力印加周波数が低くジェットの分裂間隔が長いために生成してしまったと考えられる。

実験例３では、分布は最も鋭く立ち上がり、高精度で粒径約1.9mmの均一な液滴を得ることができた。また、サテライト滴は実験例２の場合と比較して粒径も小さく、頻度も少ないことがわかる。このことから、液ジェット自体が持つ不安定波長に電磁力印加間隔を同調させることで、効果的にジェットを分断することができることがわかる。

また、実験例４および実験例５のように、電磁力印加間隔が不安定波長よりも小さいほうへずれると、粒径が大きいほうへ分布が広がってしまうことが確認できる。これは、電磁力印加間隔が不安定波長からずれたことや、周波数が高くなることでジェットの分裂間隔が狭くなり、空気抵抗を受けにくい後方の液滴が前の液滴に追いつき衝突してしまったことが原因であると考えられる。

このように、不安定波長より長い間隔で電磁力を印加する場合にはサテライト滴の生成が生じ、不安定波長より短い間隔では液滴同士の衝突が問題となり、均一粒径の粒子を得ることが難しい。また、後者の液滴同士が衝突して大きな粒径の粒子が生成してしまう場合には、材料のロスが大きく、高い歩留まりを得ることができない。これに関しては、例えば、液滴を螺旋状に滴下したり、帯電した液滴を電界によって加速したりすることにより解決することができる。

図７(a)〜図７(d)は、実験例６〜９の個数粒度分布をそれぞれ示したものである。実施例２〜５と同様に、不安定波長より長い間隔で電磁力を印加した場合、ジェットは等間隔で分裂したが、サテライト滴が生成した。不安定波長と等しい間隔で電磁力を印加した場合には、ジェットは等間隔で分断し、均一粒径の液滴を得ることができた。また、不安定波長より短い間隔で電磁力を印加した場合、液滴同士の衝突による大きい液滴の分布が確認された。

また、図８(a)〜図８(e)および図９(a)〜図９(d)は、実験例１〜９の体積粒度分布であり、表１からわかるように、これら実施例１〜９において、目標粒径±5％の範囲内にある導電性粒子の存在割合は、発明例３において78.6％以上、発明例７において98.5％以上となり、非常に均一な粒子が得られていることがわかる。

実験例１〜９の結果から、ノズル径を変化させても、不安定波長と電磁力印加間隔を同調させることで、等間隔にジェットを分断し、均一粒径の液滴を作成できることがわかる。また、不安定波長よりも短い間隔で電磁力を印加した場合であっても、例えば液滴を螺旋状に滴下する等の適切な処理を施すことによって、均一粒径の液滴を作成できる。

本発明によれば、導電性材料のジェットに加える電磁力の電磁力印加周波数を、不安定周波数に対して適正に選択することにより、サイズの揃った導電性粒子を効率よく製造するための方法および製造装置を提供することができる。

１ 導電性粒子の製造装置
２ 容器
３ 流出手段
４ 電磁力印加手段
５ チャンバ
６ コイル
７ コンセントレータ
８ ヒーター

Claims (9)

1. 導電性材料の流体を連続した中実の流れとして落下させ、この落下しつつある流れに断続的に電磁力を加えて、初期振幅Ａ０の擾乱を生じさせ、該擾乱を発達させることにより前記流れを分断し、分断した流体をそれ自身の表面張力によって球状化させ、少なくとも球の表面が凝固した粒子を捕集することにより導電性粒子を製造する方法であって、
   前記初期振幅Ａ０は、前記流れの直径の１／２未満であり、かつ
   Ｄを前記流体が流出するノズル径、ηを粘度、ρを密度、γを表面張力とし、不安定周波数を、以下の式（１）で示す不安定波長λcwの逆数に前記流体が流出するときの速度を乗じたものと定義するとき、
   前記電磁力を加える際の電磁力印加周波数は、前記不安定周波数を中心として−50％〜＋50％の範囲とし、
   前記電磁力は、三角形状の電磁力集中部を有するコンセントレータにより、前記流れの小さな領域に集中させるよう印加されることを特徴とする導電性粒子の製造方法。
   

   
2. 前記電磁力印加周波数は、前記不安定周波数と等しい請求項１に記載の導電性粒子の製造方法。
3. 製造された導電性粒子の体積粒度分布において、目標粒径±5％の範囲内にある導電性粒子の存在割合は、全導電性粒子に対し、75％以上である請求項１または２に記載の導電性粒子の製造方法。
4. 導電性材料の流体を貯える容器と、
   該容器の底部に設けられ、前記流体を連続した中実の流れとして落下させる流出手段と、
   前記流れに対して所定の電磁力を断続的に加える電磁力印加手段と
   を具える導電性粒子の製造装置であって、
   Ｄを前記流体が流出するノズル径、ηを粘度、ρを密度、γを表面張力とし、不安定周波数を、以下の式（１）で示す不安定波長λcwの逆数に前記流体が流出するときの速度を乗じたものと定義するとき、
   前記電磁力を加える際の電磁力印加周波数は、前記不安定周波数を中心として−50％〜＋50％の範囲となるように制御され、
   前記コンセントレータは、三角形状の電磁力集中部を有することを特徴とする導電性粒子の製造装置。
   

   
5. 前記流出手段および前記電磁力印加手段は、所定のチャンバ内に設けられる請求項４に記載の導電性粒子の製造装置。
6. 電磁力印加時の前記チャンバは、不活性ガス雰囲気下とする請求項５に記載の導電性粒子の製造装置。
7. 前記電磁力印加手段は、前記電磁力を発生させるためのコイルを有する請求項４、５または６に記載の導電性粒子の製造装置。
8. 前記流出手段は前記容器の底部に複数個設けられる請求項４〜７のいずれか一項に記載の導電性粒子の製造装置。
9. 導電性粒子の粒径が100μm超えである請求項４〜８のいずれか一項に記載の導電性粒子の製造装置。

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