CN111433001A - 功能性构件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种功能性构件，在其表面形成有多个微针，相邻的所述微针间的间隔在1～500μm的范围内，所述微针的直径在0.25～250μm的范围内，所述微针的高度在5～200μm的范围内。在所述微针之间的所述表面也可以形成有微孔。所述微孔可以具有与所述微针的直径相当的内径。所述微针可以是弯曲的。

Description

功能性构件及其制造方法
技术领域
本发明涉及功能性构件及其制造方法。
背景技术
对于在表面形成有多个针状的微小突起即微针的功能性构件，正在研究利用了在其表面表现出的疏水性等的各种应用、在医疗用的纳米贴片中的应用。公开了下述方法作为形成微针的方法，例如对玻璃基材照射飞秒激光以进行烧蚀加工，从而得到形成有多个针状凹部的母模，并将针状凹部的图案转印于树脂而形成形成有针状凸部的二次模，并进一步形成三次模，最终制造出由树脂组成的针状体(专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-246492号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，在专利文献1的方法中，由于使用了基于飞秒激光的烧蚀加工，因此针状凹部以及最终制造出的针状体的大小受到飞秒激光的光斑尺寸限制。另外，由于在制作出最终制品之前以多阶段的方式形成模具，因此存在制造工序繁琐的问题。
本发明是鉴于上述内容而完成的，其目的在于提供在表面以自由度较高的大小形成有多个微针的功能性构件、及其简单的制造方法。
用于解决课题的方案
为了解决上述的课题并达成目的，本发明的一方案的功能性构件在表面形成有多个微针，相邻的所述微针间的间隔在1～500μm的范围内，所述微针的直径在0.25～250μm的范围内，所述微针的高度在5～200μm的范围内。
本发明的一方案的功能性构件的特征在于，在所述微针之间的所述表面形成有微孔。
本发明的一方案的功能性构件的特征在于，所述微孔具有与所述微针的直径相当的内径。
本发明的一方案的功能性构件的特征在于，所述微针是弯曲的。
本发明的一方案的功能性构件的特征在于，所述微针的外形形状具有将所述表面侧作为底面立起设置的大致圆锥形状的外周面的一部分凹陷为凹状的形状。
本发明的一方案的功能性构件的特征在于，在所述微针的前端部形成有直径为500nm以下的细微的凹凸。
本发明的一方案的功能性构件的特征在于，所述功能性构件由不锈钢或者铝系的金属构成，或者由树脂构成。
本发明的一方案的功能性构件的特征在于，所述功能性构件作为接合部件或者催化剂保持件发挥功能。
本发明的一方案的功能性构件的制造方法，其制造在由金属构成的表面形成有多个微针的功能性构件，所述功能性构件的制造方法的特征在于，包括对初始构件的表面照射激光且在第一方向上以间隔d进行扫描的工序，所述微针间的间隔在1～500μm的范围内，所述微针的直径在0.25～250μm的范围内，所述微针的高度在5～200μm的范围内，将所述激光的光斑尺寸半径设为ω，设定对于ω使0＜Δ＜2ω成立的参数Δ，并以使d＜2ω+Δ成立的方式设定间隔d。
本发明的一方案的功能性构件的制造方法的特征在于，所述激光为亚纳秒-纳秒脉冲激光。
本发明的一方案的功能性构件的制造方法的特征在于，仅在所述第一方向上对所述表面扫描所述激光。
本发明的一方案的功能性构件的制造方法的特征在于，在所述第一方向上扫描所述激光的扫描速度为20mm/s以下。
本发明的一方案的功能性构件的制造方法的特征在于，将N设为2以上的整数，将所述激光分支为彼此分开间隔D的N束子激光并对所述表面进行照射，若将所述N束子激光中的某束子激光的扫描间隔设为I，则I＝N×D或者I＝1/N×D成立。
本发明的一方案的功能性构件的制造方法的特征在于，将所述初始构件置于非活性气体环境下来进行基于所述激光的照射的加工。
通过调整所述间隔d、所述光斑尺寸半径ω、所述Δ、所述激光或者所述子激光的能量密度、扫描速度以及加工环境气体中的至少一个，来调整所述微针的直径。
本发明的一方案的功能性构件的制造方法的特征在于，将通过前述制造方法制造出的功能性构件作为模具，并将所述多个微针转印于树脂，从而制造出在表面形成有多个微针的、由树脂组成的功能性构件。
发明效果
根据本发明，起到能够简单地实现在表面以自由度较高的大小形成有多个微针的功能性构件的效果。
附图说明
图1是实施方式的功能性构件的示意图。
图2是示出图1的功能性构件的表面的显微镜照片的图。
图3是将图2所示的微针的前端部放大示出的图。
图4是图1的功能性构件的表面附近的示意性剖视图。
图5是说明图1的功能性构件的制造方法的一例的图。
图6是对微针的形成进行说明的图。
图7是说明子激光的扫描模式的一例的图。
图8是说明子激光的扫描模式的另一例的图。
图9是说明由树脂组成的功能性构件的制造方法的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，该发明并不受该实施方式限定。另外，在附图的记载中，对相同或者对应的要素适当标记相同的附图标记。另外，需要留意的是，附图是示意性的，各要素的尺寸的关系、各要素的比率等有时与现实不同。在附图彼此之间，有时也包括尺寸关系、比率互不相同的部分。
(实施方式)
图1是实施方式的功能性构件的示意图。功能性构件1由金属构成。在本实施方式中，功能性构件1由不锈钢构成，但是也可以由例如铝系金属等其他金属构成。另外，功能性构件1在本实施方式中为板状的形状，但是并不特别地限定其形状。
在功能性构件1的表面1a形成有多个微针。图2是示出功能性构件1的表面1a的显微镜照片的图。需要说明的是，在图2中图示出了表示尺寸的刻度，一刻度为2.0μm。如图2所示，在表面1a形成有多个微针1b。微针1b沿着箭头Ar1所示的方向配置成多列。
图3是将微针1b的前端部放大示出的图。需要说明的是，在图3中示出了表示尺寸的刻度，一刻度为0.5μm。如图3所示，在微针1b的前端部形成有直径在500nm以下的细微的凹凸。
图4为功能性构件1的表面1a的附近的示意性剖视图。微针1b以从表面1a沿高度方向延伸的方式形成。相邻的微针1b间的间隔在1～500μm的范围内。在此，相邻的微针1b间的间隔是指相邻的微针1b的前端部之间的间隔。另外，微针1b的直径在0.25～250μm的范围内。在此，微针1b的直径是指微针1b的从表面1a侧到前端部的直径的平均值。需要说明的是，在微针1b的剖面的形状不是圆的情况下，将面积与剖面的面积相同的圆的直径作为其剖面的直径。另外，微针1b距表面1a的高度在5～200μm的范围内。
微针1b是弯曲的。例如，对于垂直于表面1a的假想的直线1，微针1b以从表面1a侧与直线1相交、然后不与直线1相交、然后与直线1相交的方式延伸。另外，例如，微针1b的外形形状具有将表面1a侧作为底面而立起设置的大致圆锥形状的外周面的一部分凹陷为凹状的形状。圆锥形状为直圆锥、斜圆锥等。
另外，在微针1b之间的表面1a形成有微孔1c(也参照图2)。微孔1c具有例如与微针1b的直径相当的内径。微孔1c例如形成在相邻的两个微针1b的大致中间的位置。微孔1c的内径是指在表面1a的边缘处的微孔1c的内径。
功能性构件1由于在其表面1a以自由度较高的各种大小形成有多个微针1b，因此疏水性较高。另外，在使用功能性构件1而使其作为与树脂等接触并接合的接合部件而发挥功能的情况下，锚定效果提高并且紧贴性提高，因此接合性提高。另外，在使用功能性构件1而使其作为催化剂保持件而发挥功能的情况下，催化剂的吸附性提高，因此催化剂的保持性提高。特别地，在该功能性构件1中，微针1b是弯曲的，因此疏水性、接合性、催化剂的保持性进一步提高。
(制造方法)
接下来，参照图5、图6来说明功能性构件1的制造方法的一例。用于实施本制造方法的加工装置100具备激光装置101、电扫描仪(Galvano Scanner)102、衍射光学元件103以及fθ透镜104。初始构件2是用于加工而制造功能性构件1的初始构件，并且是由不锈钢构成的板状的构件。
激光装置101例如具备光纤激光器等激光源，输出激光L，激光L例如是脉冲宽度在0.1纳秒至999纳秒的范围内的亚纳秒-纳秒脉冲激光。这样，通过使用亚纳秒-纳秒脉冲激光，能够使扫描速度(加工速度)相比于使用飞秒脉冲激光的情况加快。其结果是，能够提升功能性构件1的生产率。
电扫描仪102具备分别通过电动马达驱动而旋转的电镜(Galvano Mirror)102a、102b，通过旋转的电镜102a、102b来反射激光装置101所输出的激光L，从而扫描激光L。
衍射光学元件103将激光L分支为N束子激光(将N设为2以上的整数)。在本制造方法中，衍射光学元件103将激光L分支为3束子激光L1、L2、L3。
fθ透镜104使电扫描仪102等角度扫描的激光汇聚在规定的平面上，并且在该平面上等速扫描。上述的规定的平面被设定为与载置于未图示的工作台的初始构件2的表面2a一致。其结果是，子激光Ll、L2、L3以通过fθ透镜104而汇聚在初始构件2的表面2a的状态进行照射、扫描。通过对初始构件2的表面2a照射子激光L1、L2、L3，能够形成微针1b以及微孔1c的内径。
另外，优选地，在形成微针1b以及微孔1c时，将作为加工对象的初始构件2置于氮、氩等非活性气体环境下来进行基于激光L的照射的加工。通过避免因氧气引起的加工促进，能够稳定地形成微针1b以及微孔1c。
图6是对微针1b的形成进行说明的图。如图6所示，对初始构件2的表面2a照射子激光L1、L2，并由电扫描仪102在第一方向(由箭头Ar2表示)上以间隔d进行扫描。需要说明的是，对于子激光L3，也以在第一方向上与子激光L2间隔d而进行扫描，但是为了简化说明，适当地省略了关于子激光L3的图示以及说明。
在此，将表面2a中的子激光L1、L2的束斑(Beam Spot)BS1、BS2的光斑尺寸半径设置为ω。此时，设定对于ω使0＜Δ＜2ω成立的参数Δ，并以使d＜2ω+Δ成立的方式设定间隔d。然后，在扫描了子激光L1、L2的情况下，在从子激光L1、L2的束斑BS1、BS2的各中心到某个范围为止，初始构件2的材料溶解并被去除，而在子激光L1、L2之间的区域内初始构件2的材料残留，从而形成微针1b的列。同样地，在子激光L2、L3之间的区域内也形成有微针1b的列。由子激光L1、L2形成的微针1b的列与由子激光L2、L3形成的微针1b的列的间隔大约为间隔d。
微针1b的直径能够通过调整间隔d、光斑尺寸半径ω、Δ、激光L或者子激光L1、L2、L3的能量密度、扫描速度以及加工环境气体的至少一个来进行调整。优选地，在形成微针1b的列的前提下，适当地设定Δ。优选地，将扫描速度设置为例如在20m/s以下左右的较小的值。间隔d例如为10μm，光斑尺寸半径ω例如为10μm。特别地，优选通过调整间隔d与光斑尺寸半径ω来调整微针1b的直径。
作为第一次扫描，从要形成微针1b的范围的第一端部直到在第一方向上与第一端部对置的第二端部扫描子激光L1、L2、L3之后，终止第一次扫描，进行第二次扫描。在第二次扫描中，将子激光L1、L2、L3的照射开始位置设为第一端部的从在第一次扫描中的照射位置向与第一方向垂直的方向偏移的位置，并在第一方向上进行扫描。以后，同样地将扫描方向仅设为第一方向而进行第三次以后的扫描，从而在所希望的范围内形成许多微针1b。由此，能够制造功能性构件1。
这样，通过将激光L分支为子激光L1、L2、L3并进行扫描而形成微针1b，能够将扫描激光L而形成微针1b的情况的节拍时间缩短至例如1/3左右。
图7为说明子激光L1、L2、L3的扫描模式的一例的图。图7为从垂直于初始构件2的表面2a的方向观察到的扫描模式的图。该扫描模式是，当子激光为彼此分开间隔D的N束时，若将N束子激光中的某束子激光的扫描间隔设为间隔I，则I＝N×D成立的扫描模式。
具体而言，在图7中N为3。并且，在第一次扫描S1时，扫描彼此分开间隔D＝d的子激光L1、L2、L3。接着，在第二次扫描S2时，将第一次的子激光L1的扫描与第二次的子激光L1的扫描的扫描间隔设为间隔I＝3d。同样地，在第三次扫描S3时，将第二次的子激光L1的扫描与第三次的子激光L1的扫描的扫描间隔设为间隔I＝3d。对于子激光L2、L3，扫描间隔也是间隔I＝3d。由此，子激光L1、L2、L3以等间隔d被扫描。
图8是说明子激光L1、L2、L3的扫描模式的另一例的图。图8是从垂直于初始构件2的表面2a的方向观察到的扫描模式的图。该扫描模式是，当子激光为彼此分开间隔D的N束时，若将N束子激光中的某束子激光的扫描间隔设为间隔I，则I＝1/N×D成立的扫描模式。
具体而言，在图8中N为3。并且，在第一次扫描S1时，扫描彼此分开间隔D＝d的子激光L1、L2、L3。接着，在第二次扫描S2时，将第一次的子激光L1的扫描与第二次的子激光L1的扫描的扫描间隔设为间隔I＝1/3×d。同样地，在第三次扫描S3时，将第二次的子激光L1的扫描与第三次的子激光L1的扫描的扫描间隔设为间隔I＝1/3×d。对于子激光L2、L3，扫描间隔也是间隔I＝1/3×d。由此，子激光L1、L2、L3以等间隔I＝1/3×d被扫描。此时的间隔I相当于间隔d。
在图7、8中，N为3，但只要在N为2以上的整数时，使得I＝N×D或者I＝1/N×D成立，就能够以等间隔扫描N束的子激光。需要说明的是，在不将激光L分支为子激光时，设为N＝1且I＝N×D以及I＝1/N×D成立。此时，激光L以间隔D或者I被扫描。另外，在N为2以上的情况下，能够将节拍时间缩短至例如1/N左右。
需要说明的是，通过将由上述制造方法制造出的功能性构件1作为模具，并将多个微针1b转印于树脂，能够制造在表面形成有多个微针的、由树脂构成的功能性构件。
图9是说明由树脂构成的功能性构件的制造方法的一例的图。首先，将在表面1a形成有多个微针1b的功能性构件1作为模具，在表面1a侧涂覆热固化性树脂等树脂3，之后使树脂3固化，并从功能性构件1分离。由此，制造出在表面4a形成有多个微孔4b的、由树脂构成的功能性构件4。微孔4b转印了微针1b的形状。
接下来，将功能性构件4作为模具，在表面4a侧涂覆热固化性树脂等树脂5，之后使树脂5固化，并从功能性构件4分离。由此，制造出在表面6a形成有多个微针6b的、由树脂构成的功能性构件6。微针6b转印了功能性构件1的微针1b的形状。
需要说明的是，本发明并不受上述实施方式限定。适当组合上述的各构成要素而构成的结构也包含于本发明。另外，进一步的效果、变形例能够被本领域技术人员容易地推导出。由此，本发明的更广范的方案并不限定于上述的实施方式，而能够进行各种变更。
[产业上的可利用性]
如以上所述，本发明的功能性构件及其制造方法适宜应用于例如利用了疏水性等的各种应用、医疗用的纳米贴片。
[附图标记说明]
1、4、6 功能性构件
1a、2a、4a、6a 表面
1b、6b 微针
1c、4b 微孔
2 初始构件
100 加工装置
101 激光装置
102 电扫描仪
102a、102b 电镜
103 衍射光学元件
104 fθ透镜
Ar1、Ar2 箭头
BS1、BS2 束斑
L 激光
L1、L2、L3 子激光
S1、S2、S3 扫描。

Claims (16)

1.一种功能性构件，其特征在于，
在所述功能性构件的表面形成有多个微针，
相邻的所述微针间的间隔在1～500μm的范围内，所述微针的直径在0.25～250μm的范围内，所述微针的高度在5～200μm的范围内。
2.根据权利要求1所述的功能性构件，其特征在于，
在所述微针之间的所述表面形成有微孔。
3.根据权利要求2所述的功能性构件，其特征在于，
所述微孔具有与所述微针的直径相当的内径。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的功能性构件，其特征在于，
所述微针是弯曲的。
5.根据权利要求1～3中的任一项所述的功能性构件，其特征在于，
所述微针的外形形状具有将所述表面侧作为底面立起设置的大致圆锥形状的外周面的一部分凹陷为凹状的形状。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的功能性构件，其特征在于，
在所述微针的前端部形成有直径为500nm以下的细微的凹凸。
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的功能性构件，其特征在于，
所述功能性构件由不锈钢或者铝系的金属构成，或者由树脂构成。
8.根据权利要求1～7中的任一项所述的功能性构件，其特征在于，
所述功能性构件作为接合部件或者催化剂保持件发挥功能。
9.一种功能性构件的制造方法，其制造在由金属构成的表面形成有多个微针的功能性构件，所述功能性构件的制造方法的特征在于，
包括对初始构件的表面照射激光且在第一方向上以间隔d进行扫描的工序，
所述微针间的间隔在1～500μm的范围内，所述微针的直径在0.25～250μm的范围内，所述微针的高度在5～200μm的范围内，
将所述激光的光斑尺寸半径设为ω，设定对于ω使0＜Δ＜2ω成立的参数Δ，并以使d＜2ω+Δ成立的方式设定间隔d。
10.根据权利要求9所述的功能性构件的制造方法，其特征在于，
所述激光为亚纳秒-纳秒脉冲激光。
11.根据权利要求9或10所述的功能性构件的制造方法，其特征在于，
仅在所述第一方向上对所述表面扫描所述激光。
12.根据权利要求9～11中的任一项所述的功能性构件的制造方法，其特征在于，
在所述第一方向上扫描所述激光的扫描速度为20mm/s以下。
13.根据权利要求9～12中的任一项所述的功能性构件的制造方法，其特征在于，
将N设为2以上的整数，将所述激光分支为彼此分开间隔D的N束子激光并对所述表面进行照射，若将所述N束子激光中的某束子激光的扫描间隔设为I，
则I＝N×D或者I＝1/N×D成立。
14.根据权利要求9～13中的任一项所述的功能性构件的制造方法，其特征在于，
将所述初始构件置于非活性气体环境下来进行基于所述激光的照射的加工。
15.根据权利要求9～14中的任一项所述的功能性构件的制造方法，其特征在于，
通过调整所述间隔d、所述光斑尺寸半径ω、所述Δ、所述激光或者所述子激光的能量密度、扫描速度以及加工环境气体中的至少一个，来调整所述微针的直径。
16.一种功能性构件的制造方法，其特征在于，
将通过权利要求9～15中的任一项所述的功能性构件的制造方法制造出的功能性构件作为模具，并将所述多个微针转印于树脂，从而制造在表面形成有多个微针的、由树脂构成的功能性构件。
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