JP7150422B2

JP7150422B2 - 電気粘着シート及びその製造方法

Info

Publication number: JP7150422B2
Application number: JP2017179596A
Authority: JP
Inventors: 康弘柿沼; 磨仁石田; 秀伸安齊; 宏治桜井
Original assignee: Fujikura Kasei Co Ltd; Keio University
Current assignee: Fujikura Kasei Co Ltd; Keio University
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2022-10-11
Anticipated expiration: 2037-09-19
Also published as: JP2019056027A

Description

特許法第３０条第２項適用平成２９年９月５日に２０１７年度精密工学会秋季大会学術講演会の講義論文集にて公表

本発明は、電気粘着シート及びその製造方法に関し、特に微細部品の固定搬送機構に適用可能な電気粘着シート及びその製造方法に関する。

従来から、物品の固定搬送機構では、搬送対象たる物品の表面に吸着して真空状態を作り出すことで物品を固定し、搬送する真空チャックが用いられてきた。また、例えば半導体製造プロセスにおいては、基板を保持・搬送するための手段として、静電チャックを用いることも知られている。

電気粘着シートは、いわゆる電気レオロジー（以下、ＥＲという）効果を発現するＥＲ流体をゲル化したＥＲゲルを用いて製造され、表面の粘着性を電気的に調整することで被粘着物を保持する。ＥＲ流体は、絶縁性の液体に微粒子を分散させたコロイド溶液に対して印加する電圧を変化させることによってその粘弾性が可逆的に変化する。ＥＲゲルは、ゲルに微粒子が分散した構造をとり、電圧を変化させることによって表面の粘着性を可逆的に変えることができ、しかも電圧の変化に対する応答性に優れている。

ＥＲゲルを用いた電気粘着シートを使用する場合、ＥＲゲルには、印加電圧の変化に伴う安定した表面の粘着性の変化、即ち、Electro-Adhesive効果（ＥA効果）が求められることになる。

ところが、ＥＲゲルの性能は、内部や表面の粒子分散状態や、原料であるＥＲ流体の特性に大きく依存する。ＥＲ流体は、通常、シリコーンオイル等の電気絶縁性分散媒中に分散相粒子（ＥＲ粒子）が分散した形態であるため、比重差によりＥＲ粒子が沈降・凝集してしまうことから、安定した特性が得られにくかった。またＥＲ粒子を均一に分散し、表面に粒子を均一に並べてゲル化することは困難で、安定したＥＡ効果が得られにくかった。

そこで、より安定したＥＡ効果が得られるように、高性能なＥＲ流体の適用や、電場印加製造法により電気粘着効果（ＥＡ効果）を高めたＥＲゲルが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

このようなＥＲゲルは、例えばシリコーンオイル等の電気粘性流体、即ち前記ＥＲ流体をゲル化することにより形成したシリコーンゲルに、有機無機複合ＥＲ粒子（例えば、アクリル樹脂の微粒子をコアとして半導体酸化スズをコーテンィングした粒子）を分散させた構造をとる（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５－２５５７０１号公報特開２００８－２６６４０７号公報特開２００１－２６７９３号公報

上述した特許文献１乃至３に記載された技術を用いた場合、十分な被粘着面を対象物が有する場合、固定搬送機構にも適用することが可能ではあった。しかしながらＥＲゲル側の粘着面において電気粘着効果を得られる領域には依然としてばらつきがあり、微小部品に対しては、ＥＲゲル中のＥＲ粒子の分散性やＥＲゲルの粘着力の安定性を図ることが困難であり、実際に固定搬送を行うだけの十分かつ安定した性能を得られていない。

そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、例えば物品を固定搬送することができるように、十分かつ安定した粘着力を得ることができる電気粘着シートを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、ＥＲ粒子を含むＥＲゲルを用いた電気粘着シートであって、当該電気粘着シートの粘着側の面に形成されており、ＥＲ粒子を含むＥＲゲルによって形成された複数のピラーを備えることを特徴としている。

このように構成された本発明によれば、ＥＲゲルによって形成された複数のピラーを備えているため、ピラーの頂部を粘着対象である物品に接触させることができる。そして複数のピラーを同時に物品に接触させて物品を粘着保持することにより、例えばあるピラーの粘着力が低い場合でも他のピラーの粘着力によって物品を粘着保持することができる。これにより、ＥＲ粒子の分散性が低い場合であっても、電気粘着シート全体として安定した粘着力を発揮することができる。
さらに本発明によれば、複数の微小物品を同時に搬送することも可能である。即ち、上述した複数のピラーを有する電気粘着シートを用いることにより、定位置に配置された複数の物品を、複数のピラーのうちの各ピラーの頂部に粘着し、搬送することができる。

また、上記課題を解決するために本発明は、ＥＲ粒子を含むＥＲゲルを用いた電気粘着シートの製造方法であって、導電性の基板上にＥＲ粒子を含むＥＲゲルの層を形成し、ＥＲゲルの層の表面に対向する位置に、複数の電極を備えるテンプレートを配置し、電極に電圧を印加してＥＲゲルの層からＥＲゲルを隆起させ、隆起したＥＲゲルを硬化させることを特徴としている。

このように構成された本発明によれば、導電性の基板上にＥＲ粒子を含むＥＲゲルの層を形成し、テンプレートの電極と導電性の基板上との間に電圧を印加することで、複数の電極に対応したＥＲゲルのピラーを形成することができる。そしてこのように形成された、複数のピラーを有する電気粘着シートは、ピラーの頂部を粘着対象である物品に接触させることができる。そして複数のピラーを同時に物品に接触させて物品を粘着保持することにより、例えばあるピラーの粘着力が低い場合でも他のピラーの粘着力によって物品を粘着保持することができる。これにより、ＥＲ粒子の分散性が低い場合であっても、電気粘着シート全体として安定した粘着力を発揮することができる。

以上のように、本発明によれば、例えば物品を固定搬送することができるように、十分かつ安定した粘着力を得ることができる。

本発明の実施形態による電気粘着シートの側断面図である。同実施形態による電気粘着シートの製造工程を示すフロー図である。同実施形態による電気粘着シートの製造段階の各工程を示す概略図である。本発明の実施例における電極の印加時間と、電圧との関係とを示すグラフである。本発明の実施例及び比較例に基づいて製造された電気粘着シートの表面の写真である。本発明の実施例による電気粘着シートの保持力と電圧との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態による電気粘着シート及びその製造方法について詳述する。電気粘着シートは、例えば半導体の部品のような微細部品を機械によって固定搬送するための装置や、人間が使用する工具や手袋の表面等に適用することが可能である。電気粘着シートに粘着される被粘着物品としては、導電性物品に限定されず半導体、又は絶縁性の物品であってもよい。

図１は、実施形態による電気粘着シートの側断面図である。電気粘着シート１は、主としてＥＲゲル３によって形成されており、ＥＲゲル３中にはＥＲ粒子５が分散している。電気粘着シート１が粘着対象物に粘着する粘着側の面には、ＥＲゲル３を加工して形成された複数のピラー７が形成されている。

ＥＲゲル３は、シリコーンオイル等のマクスウェル応力、誘電泳電力を受けて変形し易い誘電体によって形成されている。そしてＥＲゲル３は、シリコーンオイルを架橋剤により架橋し、ゲル化することにより形成することができる。

シリコーンオイルとしては、例えばジメチルポリシロキサンのようなジメチルシリコーンオイル、フッ素変性シリコーンオイル、フェニル変性シリコーンオイルが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。フッ素変性シリコーンオイルとしては、例えば、トリフルオロプロピル基（ＣＦ₃Ｃ₂Ｈ₄－）を有するポリシロキサン、ノナフルオロヘキシル基（Ｃ₄Ｆ₉Ｃ₂Ｈ₄－）を有するポリシロキサン、環状型ポリシロキサン化合物などがある。

ＥＲゲル３に添加する架橋剤としては、例えばシリコーンオイル末端に熱、ＵＶ等で反応するアリール基、メタクロイル基、アクリロイル基などの不飽和結合を有する置換基を備えるもの、シリコーンオイル末端に水素原子を有するハイドロジェンシリコーン、エポキシ、ウレタン等のグリシジル基、イソシアネート基と縮合反応性を有する、シリコーンオイル末端に水酸基、アミノ基などを備えるものが用いられる。

なお、ＥＲゲル３としてはシリコーンゲル以外に、粘弾性を有するウレタンゴムやブタジエンゴム、アクリルゴム、オレフィンゴム、及びこれらの共重合体や変性品を用いることも考えられる。

ＥＲ粒子５は、例えば直径１００ｎｍ～２０μｍ程度のアクリルポリマー粒子の表面に半導体酸化スズをコーティングして形成されている。ＥＲゲル３内のＥＲ粒子５の濃度としては、例えば２０～５０重量％とすることが好ましい。なお、上述したＥＲ粒子５の濃度は例示であり、電気粘着シート１に要求される粘着力等に応じてＥＲ粒子５の濃度を適宜変更してもよい。

複数のピラー７は、それぞれ、例えば高さ約１００μｍ、直径４５０μｍの円錐形状を有しており、その頂面はほぼ平坦に形成されている。そしてピラー７の頂面が、電気粘着シート１の粘着面として作用する。また、複数のピラー７は、同一平面上に規則的に配置されており、ピラー７の延びる方向から見たときに、例えば正方形の角にそれぞれピラー７が配置されるような、または長方形の角にそれぞれピラー７が配置されるような格子状に配置されていることが好ましい。また、電気粘着シート１の粘着面の側に形成された複数のピラー７の間隔は電気粘着シート１に要求される粘着力に応じて適宜変更可能であるが、隣接するピラー７同士の間隔は以下の通りに決定することが好ましい。

電極粘着シート１は、電圧を印加することで保持力を発揮するものであるが、ピラー７同士の間隔は、粘着対象物を粘着して保持する際に印加される電圧及び電場に応じて決定される。より具体的には、そして隣接するピラー７同士の間隔λは、以下の数式１に基づいて決定されることが好ましい。

ここで、Ｅ_ｍａｘは電圧印加時の最大電場、Ｅ_ｍｉｎは電圧印加時の最小電場、Ｖは印加電圧、ε_０は真空中の誘電率、ε_ｐはＥＲゲルの比誘電率、σはＥＲゲルの表面張力を示す。そしてＸＹ平面上におけるピラー７同士の間隔は、Ｘ方向及びＹ方向の両方において上記式の値を満たすか、少なくとも一方向において上記式の値を満たしていればよい。即ち、例えば上記式により算出された値に基づいてＸ方向のピラー７同士の間隔Ｌを設定した場合、Ｙ方向のピラー７同士の間隔はＬとしても良いし、電圧にもよるが１００μｍ～１２００μｍの間で任意に決定された値としても良い。

このように粘着対象物を粘着して保持するときに印加する電圧の電場、電圧、ＥＲゲルの性質を考慮して隣接するピラー７同士の間隔を調整することにより、安定した粘着力又は保持力を得ることができる。

ピラー７の形状としては種々の形状を採用することができ、頂面がほぼ平坦になっていれば、上述した円錐形状の他に円柱形状等を採用してもよい。また、ピラー７の寸法も上述した寸法に限られるものではなく、粘着対象物の大きさや重量等に応じて適宜変更することができる。

次に、電気粘着シート１の製造方法について詳述する。図２は、電気粘着シートの製造方法を示すフロー図であり、図３は、各工程を模式的に示す概略図である。

図２に示すように、電気粘着シート１を製造する方法の一連の処理では、まず、ステップＳ１においてＥＲゲル３を調整する。より具体的にＥＲゲル３の調整は、図３（Ａ）に示すように、シリコーンオイル等の誘電性の流体に対して所定量のＥＲ粒子５や及び架橋剤を配合し、攪拌することで実行される。

次いで、電気粘着シート１の製造方法においては、ステップＳ２において所定の導電性基板９上にＥＲゲル３の層１１を形成する。より具体的には、ＥＲゲル３の層１１を形成するためには、まず、図３（Ｂ）に示すように基板９の表面に、ステップＳ１において調整したＥＲゲル３を載せ、スピンコータ等を用いてＥＲゲル３の厚みを均一にする。これにより、図３（Ｃ）に示すように基板９の表面に均一な厚さのＥＲゲル３の層１１を形成することができる。なお、導電性の基板は、絶縁性の基板の表面に電極パターンを施した片側電極基板であってもよい。片側電極基板を用いる場合、電極を櫛葉状に電極を形成し、基板側に陽極と陰極の両方を配置することができる。これにより、被吸着物が導電性を有していない半導体や絶縁性の被吸着物についても配線等を施すことなく、好適に吸着を行うことができる。

次いで、電気粘着シート１の製造方法においては、ステップＳ３においてＥＲゲル３の表面と対向する位置にテンプレート１３（図３（Ｄ）参照）を配置する。図３（Ｄ）に示すようにテンプレート１３は、その一方の面に、形成すべきピラー７の位置に対応させた複数の電極１５を備えている。そして、ステップＳ３においては、テンプレート１３の電極１５が形成されている側の面がＥＲゲル３の表面と対向するように、かつ電極１５の先端がＥＲゲル３から所定の距離、例えば１０～２０μｍだけ離れるように、ＥＲゲル３に対してテンプレート１３を位置決めする。

次いで、電気粘着シート１の製造方法においては、ステップＳ４においてテンプレート１３と、導電性の基板９との間に電圧を印加する。このとき印加する電圧は、ＥＲゲル３の物理的性質や形成しようとするピラー７の物理的形状等に応じて適宜設定可能であるが、例えば２００～１５００Ｖ程度であることが好ましい。そして図３（Ｅ）に示すように、テンプレート１３を電源Ｖに接続し基板９を接地してテンプレート１３と基板９との間に電圧を印加すると、上述した静電誘導リソグラフィの原理によりＥＲゲル３が電極１５に向けて隆起し始める。そして所定時間電圧を印加すると隆起したＥＲゲル３がピラー７の形状となる。なお、ピラー形成時の電圧、及びテンプレートと基板との距離は上述した範囲に限られず適宜調整可能である。

次いで、電気粘着シート１の製造方法においては、ステップＳ５においてピラー７の形状をなしているＥＲゲル３を硬化させる。ピラー７の形状をなしているＥＲゲル３を硬化させるための方法としては、ＥＲゲル３に向けて紫外線を照射する方法、熱による硬化又は自然硬化を用いることができる。そして、ステップＳ５においてＥＲゲル３を硬化させる工程は、ステップＳ４における電圧印加を停止した後に行ってもよいし、ステップＳ４における電圧印加と並行して行ってもよい。そして発明者等の実験によれば、ステップＳ５における硬化させる工程は、ステップＳ４における電圧印加と並行して行う方がより規則的なピラー７を形成することができたため、ステップＳ４における電圧印加を停止する前に、ステップＳ５におけるＵＶ照射を開始することが望ましい。

そして所定時間、例えば３０秒～４５秒間、ＵＶをＥＲゲル３に照射してＥＲゲル３を硬化させると、図３（Ｆ）に示すような電気粘着シート１を作り出すことができる。

以上のように電気粘着シート１は、ＥＲゲル３によって形成された複数のピラー７を備えているため、ピラー７の頂部を粘着対象である物品に接触させることができる。そして複数のピラー７を同時に物品に接触させて物品を粘着保持することにより、例えばあるピラー７の粘着力が低い場合でも他のピラー７の粘着力によって物品を粘着保持することができる。これにより、ＥＲ粒子５の分散性が低い場合であっても、電気粘着シート１全体として安定した粘着力を発揮することができる。

以下、本発明の実施例について詳述する。

（実施例）
実施例１では、電極一つあたりの大きさは１００μm×１００μmで、電極同士の間隔がＸ方向において３００μｍ、Ｙ方向において３００μｍであるテンプレートを準備した。
またＥＲゲルとしてジメチルポリシロキサンを準備し、そこに３０重量％の割合でＥＲ粒子を混合してＥＲゲルを調整した。ＥＲ粒子は、アクリルポリマー粒子の表面に、半導体酸化スズを付着させたものを用い、その平均直径は１６μｍであった。

そして調整したＥＲゲルを、ガラス電極基板上に塗布し厚さ７０μｍに均してＥＲゲルの層を形成した。さらに、ガラス電極基板のＥＲゲル層が形成されている面から１７０μｍ離れた位置に電極の先端が配置されるように、テンプレートを固定した。

このようにセットされた試験体を複数準備し、それぞれのテンプレートと、ガラス電極基板に、５００Ｖ、６００Ｖ、７００Ｖの電圧を所定時間印加して３種類の電気粘着シートを製造した。いずれの電気粘着ピラーもテンプレートの形状に従い、ピラー間の距離は３００μｍを保って形成された。

そしてこのように製造された電気粘着シートの保持力を測定した。保持力を測定する際には、ガラス電極基板と、電気粘着シートを平面上に固定し、その上に更なるガラス電極基板を配置した。歪ゲージ式の力センサと保持対象となる電極を接続し、力センサを介して電極をスライドすることで、発生する固定力を測定した。

（比較例）
比較例では、電極一つあたりの大きさが１００μｍ×１００μｍで、電極同士の間隔がＸ方向において１００μｍ、Ｙ方向において１００μｍであるテンプレートを準備したこと以外は、実施例と同一の条件で電気粘着シートを形成した。

（試験結果）
図４は、実施例及び比較例により電気粘着シートを形成するときの電圧の印加時間（ｓ）と電圧（Ｖ）との関係を示すグラフであり、図５は、製造された電気粘着シートの表面の拡大写真を示す。図４において、Ｔ_１は、電圧印加開始から一個目のピラーが形成されるまでの時間を示し、Ｔ_ｗは、電圧印加開始からすべてのピラーが形成されるまでの時間を示す。そして「１００－１００」は比較例で準備したテンプレートを用いたときの測定結果を示し、「１００－３００」は実施例で準備したテンプレートを用いたときの測定結果を示す。なお、比較例で準備したテンプレートでは、最初のピラーが形成されるまでの時間Ｔ１を測定できたものの、ピラーが規則的に形成されなかったため、全てのピラーが形成されたのかを判定することができず、時間Ｔｗを測定することができなかった。

図４に示す結果によれば、印加電圧が大きいほど時間Ｔ_１及び時間Ｔ_ｗが減少し、ピラー完成までの時間が短縮化されていることが分かる。

また、図６は、電気粘着シートの保持力（単位面積当たりの保持力）と電圧との関係を示すグラフである。図６に示す結果によれば、保持力は印加される電圧に比例して大きくなることが分かる。特に、６００Ｖの電圧を印加したときには単位面積当たり８．２ｋＰａの保持力が測定された。

１電気粘着シート
３ＥＲゲル
５ＥＲ粒子
７ピラー
９導電性の基板
１１ＥＲゲルの層
１３テンプレート
１５電極

Claims

ＥＲ粒子を含むＥＲゲルを用いた電気粘着シートであって、
当該電気粘着シートの粘着側の面に底部を一体として形成されており、ＥＲ粒子を含むＥＲゲルによって形成された、前記底部から突出する複数のピラーを備え、
前記複数のピラーにおける頂面が電圧の印加に応じて粘着力を発揮する、電気粘着シート。
ＥＲ粒子を含むＥＲゲルを用いた電気粘着シートの製造方法であって、
導電性の基板上にＥＲ粒子を含むＥＲゲルの層を形成し、
前記ＥＲゲルの層の表面に対向する位置に、複数の電極を備えるテンプレートを配置し、
前記電極に電圧を印加してＥＲゲルの層からＥＲゲルを隆起させ、
前記隆起したＥＲゲルを硬化させる、
電気粘着シートの製造方法。