JP2000178750A - Production of functionally gradient material - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、傾斜機能材料の製
造方法に関する。[0001] The present invention relates to a method for producing a functionally gradient material.
【0002】[0002]
【従来の技術】傾斜機能材料は新しい概念に基づく材料
であり、PVD、CVD等の気相合成法等を利用して製
造された傾斜機能材料は、電気・磁気、光学、化学、生
体・医学、航空・宇宙等の広い分野で応用が望まれてい
る。上記傾斜機能材料は、クラック防止や基材への密着
性の向上手段として効果的であることは公知である。そ
こで、近年、屈折率を連続的に変化させ新しい光学材料
への応用が報告されつつある。2. Description of the Related Art A functionally graded material is a material based on a new concept. Functionally graded materials manufactured by using a gas phase synthesis method such as PVD or CVD include electric / magnetic, optical, chemical, biological / medical. Applications are desired in a wide range of fields such as aviation and space. It is known that the functionally graded material is effective as a means for preventing cracks and improving the adhesion to a substrate. Therefore, in recent years, applications to new optical materials by continuously changing the refractive index have been reported.
【0003】また、カラーディスプレイの普及に伴い、
高い解像度が要求されており、光の干渉を利用した多層
の蒸着膜やCVD膜を被覆した反射防止機能が付与され
たものが実用化されている。しかし、これらの多層被覆
膜による反射防止膜は、その形成コストが高いため、限
られた高級品種のみに適用されているのが現状であり、
高性能の反射防止膜を低コストで得ることが課題となっ
ている。[0003] With the spread of color displays,
A high resolution is required, and a multi-layer deposited film utilizing light interference or a film coated with a CVD film and provided with an antireflection function has been put to practical use. However, antireflection coatings made of these multi-layer coatings are currently applied only to a limited number of high-grade products due to their high formation costs.
The challenge is to obtain a high-performance antireflection film at low cost.
【0004】例えば、プラスチック基材上にプラズマC
VD法でハードコート層を形成するにあたり、プラスチ
ック基材と接触する部位の屈折率が略等しく、厚さ方向
に向かって連続的に低下させることにより反射率を広域
にわたり減少させる方法(特開平7─56002号公
報)が提案されている。[0004] For example, a plasma C
In forming a hard coat layer by the VD method, a method of reducing the reflectance over a wide area by continuously lowering the refractive index at a portion in contact with the plastic substrate in the thickness direction (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. No. 56002) has been proposed.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の方法
は、プラズマCVD法でハードコート層を形成するにあ
たり、高度の真空度が必要となり、よって連続的に基材
の表面にハードコート層を形成することが難しく、量産
化の妨げになり、かつ処理速度が遅いものであった。However, the above method requires a high degree of vacuum when forming the hard coat layer by the plasma CVD method, and thus the hard coat layer is continuously formed on the surface of the substrate. However, it is difficult to perform mass production, and the processing speed is slow.
【0006】本発明は上記の課題を解決し、基材に、膜
の厚み方向に連続的に組成が変化する傾斜機能薄膜を被
覆でき、且つ、高度の真空度を必要とせず、大気圧近傍
でプラズマ放電を行うことにより、高速で連続的に薄膜
を形成できる傾斜機能材料の製造方法を提供することを
目的とする。[0006] The present invention solves the above-mentioned problems, and can coat a substrate with a functionally graded thin film whose composition continuously changes in the thickness direction of the film, does not require a high degree of vacuum, and is close to atmospheric pressure. It is an object of the present invention to provide a method for producing a functionally graded material, which can form a thin film continuously at high speed by performing a plasma discharge at a temperature.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明(以
下、「本発明」という)の傾斜機能材料の製造方法は、
大気圧近傍の圧力下で、一対の対向電極間に基材を連続
的に移動するように配設し、該対向電極間に反応ガスを
導入するとともに、電圧立ち上がり時間が100μs以
下、電界強度が1〜100kV/cmのパルス状の電圧
を印加して、放電プラズマ処理を行うに当たり、上記対
向電極間の電界強度を、基材の走行方向に沿って連続的
に変化させるものである。The method for producing a functionally graded material according to the invention described in claim 1 (hereinafter referred to as "the present invention") comprises:
At a pressure close to the atmospheric pressure, the substrate is disposed so as to continuously move between the pair of opposed electrodes, a reaction gas is introduced between the opposed electrodes, the voltage rise time is 100 μs or less, and the electric field strength is reduced. When a pulsed voltage of 1 to 100 kV / cm is applied to perform the discharge plasma treatment, the electric field strength between the opposing electrodes is continuously changed along the traveling direction of the substrate.
【0008】本発明において、上記対向電極間の電界強
度を連続的に変化させる方法としては、 上記対向電極間の距離を、基材の走行方向に沿って、
連続的に変化させる方法 上記対向電極の対向面の少なくとも一方に、基材の走
行方向に沿って厚み又は組成が連続的に変化する固体誘
電体を配置する方法 などが例示される。In the present invention, as a method of continuously changing the electric field strength between the opposed electrodes, the distance between the opposed electrodes is set along the running direction of the substrate.
Continuously changing method A method of arranging a solid dielectric whose thickness or composition continuously changes along the running direction of the base material on at least one of the opposing surfaces of the opposing electrode is exemplified.
【0009】本発明において、さらに対向電極間に、少
なくとも2種類の反応性ガスを、その混合比が基材の走
行方向に沿って連続的に変化するように対向電極間に導
入してもよい。この場合、一方の反応性ガスを対向電極
間への基材の入口側から、他方の反応性ガスを対向電極
間への基材の出口側から導入する方法などが用いられ
る。In the present invention, at least two kinds of reactive gases may be introduced between the opposing electrodes so that the mixing ratio changes continuously along the running direction of the substrate. . In this case, a method is used in which one reactive gas is introduced from the inlet side of the base material between the opposed electrodes, and the other reactive gas is introduced from the outlet side of the base material between the opposed electrodes.
【0010】本発明において大気圧近傍の圧力下とは、
100〜800Torrの圧力下を指す。圧力調整が容
易で、装置が簡便になる700〜780Torrの範囲
が好ましい。In the present invention, the term “under a pressure near the atmospheric pressure” refers to
Refers to a pressure of 100 to 800 Torr. The pressure is preferably in the range of 700 to 780 Torr, which facilitates pressure adjustment and makes the apparatus simple.
【0011】本発明において、一対の対向電極として
は、銅、アルミニウム等の金属単体、ステンレス、真鍮
等の合金、金属間化合物等からなるものが挙げられる。
上記対向電極の電極構造としては、平行平板型(請求項
2記載の発明を除く)、非平行平板型、円筒対向平板
型、球対向平板型、双曲面対向平板型、同軸円筒型構造
等が挙げられる。In the present invention, examples of the pair of opposed electrodes include those made of a simple metal such as copper and aluminum, alloys such as stainless steel and brass, and intermetallic compounds.
Examples of the electrode structure of the counter electrode include a parallel plate type (excluding the invention described in claim 2), a non-parallel plate type, a cylindrical counter plate type, a ball counter plate type, a hyperboloid counter plate type, and a coaxial cylindrical type structure. No.
【0012】請求項2記載の発明においては、対向電極
間の電界強度を基材の走行方向に沿って連続的に変化さ
せるため、上記電極間の距離を変化させる。上記電極間
の距離は、固体誘電体の厚さ、印加電圧の大きさ、プラ
ズマを利用する目的等を考慮して決定されるが、1〜5
0mmであることが好ましい。1mm未満では、電極間
の間隔を置いて設置するのに充分でない。50mmを超
えると、均一な放電プラズマを発生させることが困難で
ある。In the invention according to claim 2, the distance between the electrodes is changed in order to continuously change the electric field strength between the opposed electrodes along the traveling direction of the substrate. The distance between the electrodes is determined in consideration of the thickness of the solid dielectric, the magnitude of the applied voltage, the purpose of utilizing plasma, and the like.
It is preferably 0 mm. If it is less than 1 mm, it is not enough to place the electrodes at intervals. If it exceeds 50 mm, it is difficult to generate uniform discharge plasma.
【0013】本発明において、通常は、当該電極の対向
面の少なくとも一方に固体誘電体が設置されている装置
において行われる。この場合プラズマが発生する部位
は、上記電極の一方に固体誘電体を設置した場合は、固
体誘電体と電極の間、上記電極の双方に固体誘電体を設
置した場合は、固体誘電体同士の間の空間である。In the present invention, this is usually performed in a device in which a solid dielectric is provided on at least one of the opposing surfaces of the electrode. In this case, the portion where the plasma is generated is located between the solid dielectric and the electrode when a solid dielectric is provided on one of the electrodes, and between the solid dielectrics when the solid dielectric is provided on both of the electrodes. The space between them.
【0014】上記固体誘電体の材質としては、ポリテト
ラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート等の
プラスチック、ガラス、二酸化珪素、酸化アルミニウ
ム、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン等の金属酸化
物、チタン酸バリウム等の複酸化物等が挙げられる。Examples of the material of the solid dielectric include plastics such as polytetrafluoroethylene and polyethylene terephthalate, glass, metal oxides such as silicon dioxide, aluminum oxide, zirconium dioxide and titanium dioxide, and double oxides such as barium titanate. And the like.
【0015】請求項3記載の発明においては、対向電極
間の電界強度を基材の走行方向に沿って連続的に変化さ
せるため、上記対向電極の対向面の少なくとも一方に、
基材の走行方向に沿って厚み又は組成が連続的に変化す
る固体誘電体を配置するものである。According to the third aspect of the present invention, in order to continuously change the electric field strength between the opposing electrodes along the traveling direction of the base material, at least one of the opposing surfaces of the opposing electrodes has:
A solid dielectric whose thickness or composition continuously changes along the running direction of the substrate is arranged.
【0016】本発明において、大気圧近傍の圧力下での
グロー放電では、下記に示すように、放電電流密度がプ
ラズマ密度を反映し、表面処理効果を左右する値である
ことが、本発明者らの研究により明らかにされており、
電極間の放電電流密度を前記した0.2〜300mA/
cm2 の範囲とすることにより、均一な放電プラズマを
発生して良好な表面処理を行うことができる。In the present invention, in the glow discharge under a pressure close to the atmospheric pressure, the present inventor has found that the discharge current density reflects the plasma density and is a value that affects the surface treatment effect as shown below. Have been clarified by their research,
The discharge current density between the electrodes is 0.2 to 300 mA /
When the thickness is in the range of cm 2 , uniform discharge plasma can be generated, and good surface treatment can be performed.
【0017】上記表面処理においては、上記放電プラズ
マ発生空間に存在する気体(以下、反応ガスという)の
選択により任意の処理が可能である。In the surface treatment, any treatment can be performed by selecting a gas (hereinafter, referred to as a reaction gas) existing in the discharge plasma generation space.
【0018】上記反応ガスとして、金属含有ガスが好適
に使用できる。金属としては、例えば、Al、As、B
i、B、Ca、Cd、Cr、Co、Cu、Ga、Ge、
Au、In、Ir、Hf、Fe、Pb、Li、Na、M
g、Mn、Hg、Mo、Ni、P、Pt、Po、Rh、
Sb、Se、Si、Sn、Ta、Te、Ti、V、W、
Y、Zn、Zr等の金属が挙げられ、該金属を含有する
ガスとしては、金属有機化合物、金属−ハロゲン化合
物、金属−水素化合物、金属−ハロゲン化合物、金属ア
ルコキシド等の反応ガスが挙げられる。これらは単独で
使用されてもよいし、2種類以上併用されてもよい。As the reaction gas, a metal-containing gas can be suitably used. Examples of the metal include Al, As, and B.
i, B, Ca, Cd, Cr, Co, Cu, Ga, Ge,
Au, In, Ir, Hf, Fe, Pb, Li, Na, M
g, Mn, Hg, Mo, Ni, P, Pt, Po, Rh,
Sb, Se, Si, Sn, Ta, Te, Ti, V, W,
Examples of the metal include Y, Zn, and Zr, and examples of the gas containing the metal include a reaction gas such as a metal organic compound, a metal-halogen compound, a metal-hydrogen compound, a metal-halogen compound, and a metal alkoxide. These may be used alone or in combination of two or more.
【0019】上記金属がSiである場合、例えば、テト
ラメチルシラン〔Si(CH3)4]、ジメチルシラン〔S
i(CH3)2H2]、テトラエチルシラン〔Si(C2H5)
4]等の有機金属化合物;4フッ化珪素(SiF4)、4塩
化珪素(SiCl4)、2塩化珪素(SiH2Cl2)等の
金属ハロゲン化合物;モノシラン(SiH4)、ジシラン
(SiH3SiH3)、トリシラン(SiH3SiH2Si
H3)等の金属水素化合物;テトラメトキシシラン〔Si
(OCH3)4]、テトラエトキシシラン〔Si(OC
2H5)4]、トリエトキシメチルシラン〔SiCH3(OC2
H5)] 等の金属アルコキシドなどが挙げられる。これら
は単独で使用されてもよいし、2種類以上併用されても
よい。When the metal is Si, for example, tetramethylsilane [Si (CH 3 ) 4 ], dimethylsilane [S
i (CH 3 ) 2 H 2 ], tetraethylsilane [Si (C 2 H 5 )
4 ] and the like; metal halide compounds such as silicon tetrafluoride (SiF 4 ), silicon chloride (SiCl 4 ) and silicon chloride (SiH 2 Cl 2 ); monosilane (SiH 4 ), disilane (SiH 3 ) SiH 3 ), trisilane (SiH 3 SiH 2 Si)
H 3 ) and other metal hydrogen compounds; tetramethoxysilane [Si
(OCH 3 ) 4 ], tetraethoxysilane [Si (OC
2 H 5 ) 4 ], triethoxymethylsilane [SiCH 3 (OC 2
H 5 )] and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
【0020】上記金属がTiである場合、例えば、テト
ラメチルチタン〔Ti(CH3)4]、ジメチルチタン〔T
i(CH3)2H2]、テトラエチルチタン〔Ti(C2H5)
4]等の有機金属化合物;4フッ化珪素(TiF4)、4塩
化珪素(TiCl4)、2塩化珪素(TiH2Cl2)等の
金属ハロゲン化合物;モノチタン(TiH4)、ジチタン
(TiH3TiH3)、トリチタン(TiH3TiH2Ti
H3)等の金属水素化合物;テトラメトキシチタン〔Ti
(OCH3)4]、テトライソプロポキシチタン〔Ti(O
CH3CHCH3)4]等の金属アルコキシドなどが挙げら
れる。これらは単独で使用されてもよいし、2種類以上
併用されてもよい。上記の金属含有ガスに於いて、安全
性を考慮して、金属アルコキシドや金属ハロゲン化合物
などの常温、大気中で発火、爆発など危険性がないもの
が好ましく、腐食性、有害ガスの発生の点から、金属ア
ルコキシドが好適に使用される。When the metal is Ti, for example, tetramethyl titanium [Ti (CH 3 ) 4 ], dimethyl titanium [T
i (CH 3 ) 2 H 2 ], tetraethyl titanium [Ti (C 2 H 5 )
4] an organometallic compound such as; 4 silicon fluoride (TiF 4), 4 silicon tetrachloride (TiCl 4), metal halide compounds such as 2 silicon tetrachloride (TiH 2 Cl 2); Mono titanium (TiH 4), Jichitan (TiH 3 TiH 3 ), trititanium (TiH 3 TiH 2 Ti)
H 3) metal hydride such as; tetramethoxy titanium [Ti
(OCH 3 ) 4 ], tetraisopropoxy titanium [Ti (O
CH 3 CHCH 3 ) 4 ]. These may be used alone or in combination of two or more. Among the above-mentioned metal-containing gases, in consideration of safety, it is preferable that there is no danger of ignition or explosion in the atmosphere, such as metal alkoxides and metal halides, at normal temperature and in the air. Thus, metal alkoxides are preferably used.
【0021】上記の金属含有ガスが気体であれば、放電
空間にそのまま導入することができるが、液体、固体状
であれば、気化装置を経て放電空間に導入すればよい。
このような反応ガスを用いることによりSiO2 、Ti
O2 、SnO2 等の金属酸化物薄膜を形成させ、基材表
面に電気的、光学的機能を与えることが出来る。If the metal-containing gas is a gas, it can be introduced into the discharge space as it is. If it is liquid or solid, it can be introduced into the discharge space via a vaporizer.
By using such a reaction gas, SiO 2 , Ti
By forming a thin film of a metal oxide such as O 2 or SnO 2 , electrical and optical functions can be imparted to the substrate surface.
【0022】また、反応ガスとして金属アルコキシドを
使用する場合には、有機成分が少ない緻密な金属酸化物
薄膜を形成するためには、酸素ガスが添加されるのが好
ましい。この場合、酸素ガスは金属アルコキシドの10
体積%以上であることが好ましい。When a metal alkoxide is used as a reaction gas, it is preferable to add an oxygen gas in order to form a dense metal oxide thin film having a small amount of organic components. In this case, the oxygen gas is a metal alkoxide of 10%.
It is preferably at least volume%.
【0023】さらに、上記反応ガスとしてフッ素含有化
合物ガスを用いることによって、基材表面にフッ素含有
重合膜を形成させて表面エネルギーを低くし、撥水性表
面を得ることが出来る。Further, by using a fluorine-containing compound gas as the above-mentioned reaction gas, a fluorine-containing polymer film can be formed on the surface of the substrate to lower the surface energy and obtain a water-repellent surface.
【0024】また、分子内に親水性基と重合性不飽和結
合を有するモノマーの雰囲気下で処理を行うことによ
り、親水性の重合膜を堆積させることもできる。Further, by performing the treatment in an atmosphere of a monomer having a hydrophilic group and a polymerizable unsaturated bond in the molecule, a hydrophilic polymer film can be deposited.
【0025】尚、上述したように、雰囲気ガス(反応ガ
ス)としては電子を多く有する化合物のほうがプラズマ
密度を高め高速処理を行う上で有利である。しかし、ア
ルゴン又は窒素が、入手が容易で、安価である点で好適
である。As described above, a compound having more electrons is more advantageous as the atmospheric gas (reactive gas) in increasing the plasma density and performing high-speed processing. However, argon or nitrogen is preferred in that it is easily available and inexpensive.
【0026】また、経済性及び安全性の観点から、上記
反応ガスが不活性ガスによって希釈された雰囲気中で処
理を行うことが好ましい。不活性ガスとしては、ヘリウ
ムガス、ネオンガス、アルゴンガス、キセノンガス等の
希ガスや、窒素ガスなどが挙げられる。これらは単独で
も2種以上を混合して用いてもよい。Further, from the viewpoint of economy and safety, it is preferable to carry out the treatment in an atmosphere in which the reaction gas is diluted with an inert gas. Examples of the inert gas include rare gases such as helium gas, neon gas, argon gas, and xenon gas, and nitrogen gas. These may be used alone or in combination of two or more.
【0027】また、希釈ガスを用いる場合、反応ガスの
割合は0.01〜10体積%であることが好ましい。When a diluent gas is used, the ratio of the reaction gas is preferably 0.01 to 10% by volume.
【0028】なお、上述したように、雰囲気ガスとして
は電子を多く有する化合物のほうがプラズマ密度を高め
高速処理を行う上で有利である。よって入手の容易さと
経済性、処理速度を考慮した上で最も望ましい選択は、
アルゴン又は窒素を希釈ガスとして含有する雰囲気であ
る。As described above, a compound having more electrons is more advantageous as an atmospheric gas in increasing the plasma density and performing high-speed processing. Therefore, the most desirable choice in consideration of availability, economy, processing speed,
This is an atmosphere containing argon or nitrogen as a diluent gas.
【0029】請求項4記載の発明においては、本発明に
おいて上記対向電極間に、少なくとも2種類の反応性ガ
スを、その混合比が基材の走行方向に沿って連続的に変
化するように対向電極間に導入するものである。In the present invention, at least two types of reactive gases are opposed between the opposed electrodes so that the mixing ratio thereof changes continuously along the running direction of the substrate. It is introduced between the electrodes.
【0030】本発明において使用される基材としては、
ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカ
ーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラ
フルオロエチレン、アクリル樹脂等のプラスチック、ガ
ラス、セラミック、金属等が挙げられる。基材の形状と
しては、板状、フィルム状等のものが挙げられるが、特
にこれらに限定されない。本発明の表面処理方法によれ
ば、様々な形状を有する基材の処理に容易に対応するこ
とができる。The substrate used in the present invention includes
Examples thereof include plastics such as polyethylene, polypropylene, polystyrene, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polytetrafluoroethylene, and acrylic resin, glass, ceramic, and metal. Examples of the shape of the substrate include a plate shape and a film shape, but are not particularly limited thereto. According to the surface treatment method of the present invention, it is possible to easily cope with the treatment of substrates having various shapes.
【0031】本発明においては、上記電極間に印加され
る電界がパルス化されたものであり電圧立ち上がり時間
が100μs以下、電界強度が1〜100kV/cmと
なされている。In the present invention, the electric field applied between the electrodes is pulsed, the voltage rise time is 100 μs or less, and the electric field intensity is 1 to 100 kV / cm.
【0032】図1にパルス電圧波形の例を示す。波形
(A)、(B)はインパルス型、波形(C)は方形波
型、波形(D)は変調型の波形である。図1には電圧印
加が正負の繰り返しであるものを挙げたが、正又は負の
いずれかの極性側に電圧を印加する、いわゆる片波状の
波形を用いてもよい。FIG. 1 shows an example of a pulse voltage waveform. Waveforms (A) and (B) are impulse waveforms, waveform (C) is a square wave waveform, and waveform (D) is a modulation waveform. Although FIG. 1 shows an example in which voltage application is repeated positive and negative, a so-called one-sided waveform in which a voltage is applied to either the positive or negative polarity side may be used.
【0033】本発明におけるパルス電圧波形は、ここで
挙げた波形に限定されないが、パルスの立ち上がり時間
が短いほどプラズマ発生の際のガスの電離が効率よく行
われる。パルスの立ち上がり時間が100μsを超える
と放電状態がアークに移行しやすく不安定なものとな
り、パルス電界による高密度プラズマ状態を期待できな
くなる。また、立ち上がり時間は早いほうがよいが、常
圧でプラズマが発生する程度の大きさの電界強度を有
し、かつ、立ち上がり時間が早い電界を発生させる装置
には制約があり、現実的には40ns未満の立ち上がり
時間のパルス電界を実現することは困難である。より好
ましくは立ち上がり時間が50ns〜5μsである。な
お、ここでいう立ち上がり時間とは、電圧変化が連続し
て正である時間を指すものとする。The pulse voltage waveform in the present invention is not limited to the above-mentioned waveform, but the shorter the rise time of the pulse, the more efficiently the gas is ionized during the generation of plasma. If the rise time of the pulse exceeds 100 μs, the discharge state easily shifts to an arc and becomes unstable, so that a high-density plasma state due to a pulse electric field cannot be expected. Further, it is better that the rise time is short. However, there is a limit to a device that has an electric field intensity large enough to generate plasma at normal pressure and generates a short rise time electric field. It is difficult to achieve a pulsed electric field with a rise time of less than. More preferably, the rise time is 50 ns to 5 μs. Here, the rise time refers to a time during which the voltage change is continuously positive.
【0034】また、パルス電界の立ち下がり時間も急峻
であることが好ましく、立ち上がり時間と同様の100
μs以下のタイムスケールであることが好ましい。パル
ス電界発生技術によっても異なるが、例えば、本発明の
実施例で使用した電源装置では、立ち上がり時間と立ち
下がり時間が同じ時間に設定できる。It is preferable that the fall time of the pulse electric field is also steep.
It is preferable that the time scale is less than μs. For example, in the power supply device used in the embodiment of the present invention, the rise time and the fall time can be set to the same time, although it differs depending on the pulse electric field generation technique.
【0035】さらに、パルス波形、立ち上がり時間、周
波数の異なるパルスを用いて変調を行ってもよい。Further, modulation may be performed using pulses having different pulse waveforms, rise times, and frequencies.
【0036】パルス電界の周波数は、0.5kHz〜1
00kHzであることが好ましい。0.5kHz未満で
あるとプラズマ密度が低いため処理に時間がかかりす
ぎ、100kHzを超えるとアーク放電が発生しやすく
なる。より好ましくは、1kHz以上であり、このよう
な高周波数のパルス電界を印加することにより、処理速
度を大きく向上させることができる。The frequency of the pulse electric field is 0.5 kHz to 1
Preferably, it is 00 kHz. If the frequency is less than 0.5 kHz, the plasma density is low, so that it takes too much time for the treatment. If the frequency exceeds 100 kHz, arc discharge is likely to occur. More preferably, the frequency is 1 kHz or more. By applying such a high-frequency pulsed electric field, the processing speed can be greatly improved.
【0037】また、上記パルス電界におけるパルス継続
時間は、1〜1000μsであることが好ましい。1μ
s未満であると放電が不安定なものとなり、1000μ
sを超えるとアーク放電に移行しやすくなる。より好ま
しくは、3μs〜200μsである。ここで、ひとつの
パルス継続時間とは、図2中に例を示してあるが、O
N、OFFの繰り返しからなるパルス電界における、パ
ルスが連続する時間をいう。図2(a)のような間欠型
のパルスでは、パルス継続時間はパルス幅時間と等しい
が、図2(b)のような波形のパルスでは、パルス幅時
間とは異なり、一連の複数のパルスを含んだ時間をい
う。The pulse duration in the pulse electric field is preferably 1 to 1000 μs. 1μ
s, the discharge becomes unstable, and
If it exceeds s, it is easy to shift to arc discharge. More preferably, it is 3 μs to 200 μs. Here, one pulse duration is an example shown in FIG.
It refers to the time during which a pulse is continuous in a pulse electric field composed of N and OFF repetitions. In the case of the intermittent pulse as shown in FIG. 2A, the pulse duration is equal to the pulse width time, but in the case of the pulse having the waveform as shown in FIG. Means time including
【0038】さらに、放電を安定させるためには、放電
時間1ms内に、少なくとも1μs継続するOFF時間
を有することが好ましい。Further, in order to stabilize the discharge, it is preferable to have an OFF time lasting at least 1 μs within a discharge time of 1 ms.
【0039】上記放電は電圧の印加によって行われる。
電圧の大きさは適宜決められるが、本発明においては、
電極間の電界強度が1〜100kV/cmとなる範囲に
する。1kV/cm未満であると処理に時間がかかりす
ぎ、100kV/cmを超えるとアーク放電が発生しや
すくなる。また、パルス電圧の印加において、直流を重
畳してもよい。The above discharge is performed by applying a voltage.
Although the magnitude of the voltage is appropriately determined, in the present invention,
The electric field strength between the electrodes is set in a range of 1 to 100 kV / cm. If it is less than 1 kV / cm, it takes too much time for the treatment, and if it exceeds 100 kV / cm, arc discharge is likely to occur. In applying the pulse voltage, a direct current may be superimposed.
【0040】図3に、このようなパルス電界を印加する
際の電源のブロック図を示す。さらに、図4に、電源の
等価回路図を示す。図4にSWと記されているのはスイ
ッチとして機能する半導体素子である。上記スイッチと
して500ns以下のターンオン時間及びターンオフ時
間を有する半導体素子を用いることにより、上記のよう
な電界強度が1〜100kV/cmであり、かつ、パル
スの立ち上がり時間及び立ち下がり時間が100μs以
下であるような高電圧かつ高速のパルス電界を実現する
ことができる。FIG. 3 shows a block diagram of a power supply when such a pulsed electric field is applied. FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram of the power supply. In FIG. 4, SW is a semiconductor element functioning as a switch. By using a semiconductor element having a turn-on time and a turn-off time of 500 ns or less as the switch, the electric field strength as described above is 1 to 100 kV / cm, and the rise time and fall time of the pulse are 100 μs or less. Such a high voltage and high speed pulsed electric field can be realized.
【0041】以下、図4の等価回路図を参照して、電源
の原理を簡単に説明する。+Eは、正極性の直流電圧供
給部、−Eは、負極性の直流電圧供給部である。SW1
〜4は、上記のような高速半導体素子から構成されるス
イッチ素子である。D1〜4はダイオードを示してい
る。I1〜I4は電流の流れ方向を表している。Hereinafter, the principle of the power supply will be briefly described with reference to the equivalent circuit diagram of FIG. + E is a positive DC voltage supply unit, and -E is a negative DC voltage supply unit. SW1
Reference numerals 4 to 4 denote switch elements composed of the high-speed semiconductor elements as described above. D1 to D4 indicate diodes. I 1 to I 4 indicate the direction of current flow.
【0042】第一に、SW1をONにすると、正極性の
負荷が電流I1 の流れ方向に充電する。次に、SW1が
OFFになってから、SW2を瞬時にONにすることに
より、充電された電荷が、SW2とD4を通ってI3の
方向に充電される。また次に、SW2がOFFになって
から、SW3をONにすると、負極性の負荷が電流I2
の流れ方向に充電する。次に、SW3がOFFになって
から、SW4を瞬時にONにすることにより、充電され
た電荷が、SW4とD2を通ってI4の方向に充電され
る。上記一連の操作を繰り返し、図5の出力パルスを得
ることができる。[0042] First, when turned ON SW1, load of the positive polarity is charged in the flow direction current I 1. Then, the SW1 is turned OFF, by turning ON the SW2 instantaneously, the electric charge charged is charged in the direction of I 3 through SW2 and D4. Next, when the switch SW3 is turned on after the switch SW2 is turned off, the load having the negative polarity causes the current I 2
Charge in the direction of flow. Next, the SW3 is turned OFF, by turning ON the SW4 instantaneously, the electric charge charged is charged in the direction of I 4 through SW4 and D2. By repeating the above series of operations, the output pulse of FIG. 5 can be obtained.
【0043】この回路の利点は、負荷のインピーダンス
が高い場合であっても、充電されている電荷をSW2と
D4又はSW4とD2を動作させることによって確実に
放電することができる点、及び、高速ターンオンのスイ
ッチ素子であるSW1、SW3を使って高速に充電を行
うことができる点にあり、このため、図5のように立ち
上がり時間、立ち下がり時間の非常に早いパルス信号を
得ることができる。The advantages of this circuit are that even if the load impedance is high, the charged electric charge can be reliably discharged by operating SW2 and D4 or SW4 and D2, and high speed High-speed charging can be performed using SW1 and SW3, which are turn-on switch elements. Therefore, a pulse signal having a very fast rise time and fall time as shown in FIG. 5 can be obtained.
【0044】本発明においては、後述するプラズマ処理
時間中に印加電圧又はパルス周波数を連続的に変化させ
るこの場合、電源電圧+E,−Eを処理時間中に連続的
に変化させることにより、印加電圧を、上記一連の操作
を繰り返す時間を連続的に変化させることにより、パル
ス周波数を連続的に変化させることができる。In the present invention, the applied voltage or the pulse frequency is continuously changed during the plasma processing time to be described later. In this case, the power supply voltage + E, -E is continuously changed during the processing time, so that the applied voltage or the pulse frequency is changed. The pulse frequency can be continuously changed by continuously changing the time for repeating the above series of operations.
【0045】この場合、印加電圧のみを又はパルス周波
数のみを連続的に変化させてもよいし、印加電圧及びパ
ルス周波数双方を連続的に変化させてもよい。In this case, only the applied voltage or only the pulse frequency may be changed continuously, or both the applied voltage and the pulse frequency may be changed continuously.
【0046】上記の方法により得られる放電において、
対向電極間の放電電流密度は、0.2〜300mA/c
m2 となされていることが好ましい。In the discharge obtained by the above method,
The discharge current density between the counter electrodes is 0.2 to 300 mA / c.
m 2 is preferred.
【0047】上記放電電流密度とは、放電により電極間
に流れる電流値を、放電空間における電流の流れ方向と
直交する方向の面積で除した値をいい、電極として平行
平板型のものを用いた場合には、その対向面積で上記電
流値を除した値に相当する。本発明では電極間にパルス
電界を形成するため、パルス状の電流が流れるが、この
場合にはそのパルス電流の最大値、つまりピーク−ピー
ク値を、上記の面積で除した値をいう。The discharge current density refers to a value obtained by dividing the value of the current flowing between the electrodes by the discharge by the area of the discharge space in the direction orthogonal to the current flow direction, and a parallel plate type electrode is used. In this case, it corresponds to a value obtained by dividing the current value by the facing area. In the present invention, a pulse-shaped current flows to form a pulsed electric field between the electrodes. In this case, the maximum value of the pulse current, that is, the peak-peak value is divided by the above area.
【0048】(作用)本発明の傾斜機能材料の製造方法
は、大気圧近傍の圧力下で、一対の対向電極間に基材を
連続的に移動するように配設し、該対向電極間に反応ガ
スを導入するとともに、電圧立ち上がり時間が100μ
s以下、電界強度が1〜100kV/cmのパルス状の
電圧を印加して、放電プラズマ処理を行うに当たり、上
記対向電極間の電界強度を、基材の走行方向に沿って連
続的に変化させることにより、基材の表面に、厚み方向
に膜質の異なる薄膜が形成され、膜自体も基材との間に
明確な界面が存在しなくなり、製膜時の応力集中がない
ため、基材と薄膜との密着性し優れ、膜自身も明確な界
面が存在しない傾斜機能材料を得ることができる。(Function) In the method for producing a functionally graded material of the present invention, a substrate is disposed between a pair of opposing electrodes so as to be continuously moved under a pressure close to the atmospheric pressure, and between the opposing electrodes. The reaction gas is introduced and the voltage rise time is 100μ.
When a pulse-like voltage having an electric field strength of 1 to 100 kV / cm is applied to perform the discharge plasma treatment, the electric field strength between the opposed electrodes is continuously changed along the traveling direction of the base material. As a result, a thin film having a different film quality in the thickness direction is formed on the surface of the base material, and the film itself does not have a clear interface with the base material, and there is no stress concentration at the time of film formation. It is possible to obtain a functionally graded material having excellent adhesion to a thin film and having no clear interface in the film itself.
【0049】[0049]
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図面に基
づいて詳しく説明する。図6は、請求項2において引用
された本発明の傾斜機能材料を製造するための装置の一
例を示した模式断面図である。Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 6 is a schematic sectional view showing an example of an apparatus for producing the functionally gradient material of the present invention cited in claim 2.
【0050】図6に示すように、本発明の傾斜機能材料
を製造するための装置は、容器2の中に、1対の対向電
極3、4が設けられ、上部電極3はパルス電源1に電気
的に接続され、下部電極4は接地されており、上部電極
3と下部電極4の間にパルス電圧が印加されるようにな
されている。対向電極3、4の対向する面には、それぞ
れ、固体誘電体32、42が設けられ、固体誘電体3
2、42間の距離は基材5の走行方向に向かって、d1
〜d2に変化している。基材5は、繰り出しロール9か
ら下部電極4の固体誘電体42上に導入される。As shown in FIG. 6, the apparatus for producing a functionally graded material according to the present invention is provided with a pair of counter electrodes 3 and 4 in a container 2. It is electrically connected, the lower electrode 4 is grounded, and a pulse voltage is applied between the upper electrode 3 and the lower electrode 4. Solid dielectrics 32 and 42 are provided on opposite surfaces of the counter electrodes 3 and 4, respectively.
The distance between 2 and 42 is d1 in the running direction of the substrate 5.
Dd2. The base material 5 is introduced from the feeding roll 9 onto the solid dielectric 42 of the lower electrode 4.
【0051】一方、対向電極3、4の入口側には、反応
ガス導入部6が設けられ、反応ガス供給部7から、流量
制御部8を介して、反応ガス導入部6から、上部電極3
表面の固体誘電体32と基材5との間に反応ガスを連続
的に供給するようになされている。上記基材5は、反応
ガスにパルス電圧を印加することにより発生したプラズ
マ中を走行し、基材5表面に傾斜機能薄膜が形成され、
巻き取りロール92で巻き取られる。なお、容器2の基
材5入口及び出口にはシール機構10がそれぞれ設けら
れ、基材5によって容器2内に巻き込まれる大気を遮断
している。On the other hand, a reaction gas introduction unit 6 is provided on the inlet side of the opposing electrodes 3, 4, and from the reaction gas supply unit 7 via the flow control unit 8, the reaction gas introduction unit 6
The reaction gas is continuously supplied between the solid dielectric 32 on the surface and the substrate 5. The substrate 5 travels in the plasma generated by applying a pulse voltage to the reaction gas, and a functionally graded thin film is formed on the surface of the substrate 5,
It is taken up by a take-up roll 92. In addition, seal mechanisms 10 are provided at the inlet and outlet of the base material 5 of the container 2, respectively, so that the base material 5 blocks the atmosphere that is caught in the container 2.
【0052】図7は、請求項3において引用された本発
明の傾斜機能材料を製造するための装置の一例を示した
模式断面図である。FIG. 7 is a schematic sectional view showing an example of an apparatus for producing the functionally gradient material of the present invention cited in claim 3.
【0053】図7に示すように、本発明の傾斜機能材料
を製造するための装置は、容器12の中に、1対の対向
電極13、14が設けられ、上部電極13はパルス電源
11に電気的に接続され、下部電極14は接地されてお
り、上部電極13と下部電極14の間にパルス電圧が印
加されるようになされている。対向電極13、14の対
向する面には、それぞれ、固体誘電体132、142が
設けられ、固体誘電体132、142の組成は、基材1
5の走行方向に向かって、図8に示したように変化して
いる。また、固体誘電体132、142間の距離は基材
15の走行方向に向かって(d5〜d6)と連続的に変
化しており、基材15は、繰り出しロール19から下部
電極14の固体誘電体142上に導入される。As shown in FIG. 7, the apparatus for producing a functionally graded material of the present invention is provided with a pair of counter electrodes 13 and 14 in a container 12, and the upper electrode 13 is connected to a pulse power supply 11. It is electrically connected, the lower electrode 14 is grounded, and a pulse voltage is applied between the upper electrode 13 and the lower electrode 14. Solid dielectrics 132 and 142 are provided on opposite surfaces of the counter electrodes 13 and 14, respectively.
In the traveling direction of No. 5, the state changes as shown in FIG. Further, the distance between the solid dielectrics 132 and 142 changes continuously (d5 to d6) in the running direction of the base material 15, and the base material 15 is moved from the feeding roll 19 to the solid dielectric of the lower electrode 14. Introduced on body 142.
【0054】一方、対向電極13、14の入口側には、
反応ガス導入部16が設けられ、反応ガス供給部17か
ら、流量制御部18を介して、反応ガス導入部16か
ら、上部電極13の固体誘電体132と基材15との間
に反応ガスを連続的に供給するようになされている。上
記基材15は、反応ガスにパルス電圧を印加することに
より発生したプラズマ中を走行し、基材15表面に傾斜
機能薄膜が形成され、巻き取りロール192で巻き取ら
れる。なお、容器12の基材15入口及び出口にはシー
ル機構110がそれぞれ設けられ、基材15によって容
器12内に巻き込まれる大気を遮断している。On the other hand, on the entrance side of the opposing electrodes 13 and 14,
A reaction gas introduction unit 16 is provided, and a reaction gas is supplied between the solid dielectric 132 of the upper electrode 13 and the base material 15 from the reaction gas introduction unit 16 via the flow rate control unit 18 from the reaction gas supply unit 17. It is made to supply continuously. The substrate 15 travels in a plasma generated by applying a pulse voltage to the reaction gas, a functionally graded thin film is formed on the surface of the substrate 15, and is wound up by a winding roll 192. In addition, seal mechanisms 110 are provided at the inlet and outlet of the base material 15 of the container 12, respectively, so that the air drawn into the container 12 by the base material 15 is blocked.
【0055】図9は、請求項3において引用された本発
明の傾斜機能材料を製造するための装置の一例を示した
模式断面図である。FIG. 9 is a schematic sectional view showing an example of an apparatus for producing the functionally gradient material of the present invention cited in claim 3.
【0056】図9に示すように、本発明の傾斜機能材料
を製造するための装置は、容器22の中に、1対の対向
電極23、24が設けられ、上部電極23はパルス電源
21に電気的に接続され、下部電極24は接地されてお
り、上部電極23と下部電極24の間にパルス電圧が印
加されるようになされている。対向電極23、24の対
向する面には、それぞれ、固体誘電体232、242が
設けられ、固体誘電体232、242間の距離は基材2
5の走行方向に向かって一定(d3=d4)となされて
おり、基材25は、繰り出しロール29から下部電極2
4の固体誘電体242上に導入される。As shown in FIG. 9, the apparatus for producing a functionally graded material of the present invention is provided with a pair of opposed electrodes 23 and 24 in a container 22. It is electrically connected, the lower electrode 24 is grounded, and a pulse voltage is applied between the upper electrode 23 and the lower electrode 24. Solid dielectrics 232 and 242 are provided on opposite surfaces of the counter electrodes 23 and 24, respectively.
5 is constant (d3 = d4) in the traveling direction, and the base material 25 is moved from the feeding roll 29 to the lower electrode 2.
4 on the solid dielectric 242.
【0057】一方、対向電極23、24の入口側及び出
口側には、反応ガス導入部26、26が設けられ、反応
ガス供給部27、27から、流量制御部28、28を介
して、反応ガス導入部26、26から、上部電極23の
固体誘電体232と基材25との間に2種類の反応ガス
を連続的に供給するようになされている。上記基材25
は、反応ガスにパルス電圧を印加することにより発生し
たプラズマ中を走行し、基材25表面に傾斜機能薄膜が
形成され、巻き取りロール292で巻き取られる。な
お、容器22の基材25入口及び出口にはシール機構2
10がそれぞれ設けられ、基材25によって容器22内
に巻き込まれる大気を遮断している。On the other hand, reaction gas introduction portions 26, 26 are provided on the inlet side and the outlet side of the counter electrodes 23, 24, and the reaction gases are supplied from the reaction gas supply portions 27, 27 via flow rate control portions 28, 28. Two kinds of reaction gases are continuously supplied between the solid dielectric 232 of the upper electrode 23 and the base material 25 from the gas introduction portions 26, 26. The base material 25
Is driven in a plasma generated by applying a pulse voltage to the reaction gas, a functionally graded thin film is formed on the surface of the base material 25, and is taken up by a take-up roll 292. The seal mechanism 2 is provided at the inlet and outlet of the substrate 25 of the container 22.
10 are provided, respectively, and block the atmosphere trapped in the container 22 by the base material 25.
【0058】[0058]
【実施例】本発明を実施例をもってさらに詳しく説明す
る。なお、以下の実施例では、図3の等価回路図による
パルス電源1、11、21として、半導体素子(IXY
S社製、型番「TO−247AD」)を用いたハイデン
研究所社製の電源を使用した。EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to Examples. In the following embodiments, the semiconductor devices (IXY) are used as the pulse power supplies 1, 11, 21 according to the equivalent circuit diagram of FIG.
A power supply manufactured by Heiden Laboratories, Inc. using a model number “TO-247AD” manufactured by S Company was used.
【0059】(実施例1)図6に示した装置において、
上部電極3と下部電極4(SUS304製、幅350m
m、長さ100mm、厚み20mm)のそれぞれの対向
面に、固体誘電体として8重量%の酸化イットリウムを
含むジルコニウムの溶射膜(比誘電率16、膜厚500
μm)が密着形成されているものを用いた。上部電極3
と下部電極4の距離は入口側d1=3mm、出口側d2
=1mmとし、基材5として5μmの多官能アクリル系
ハードコート剤(大日精化社製、品番「EXF−3
7」)からなる皮膜が形成された厚み80μmのトリア
セチルセルロースを繰り出しロール9から下部電極4の
固体誘電体42上を経由して、巻き取りロール92まで
配設した。(Example 1) In the apparatus shown in FIG.
Upper electrode 3 and lower electrode 4 (SUS304, width 350m)
m, a length of 100 mm, and a thickness of 20 mm), a sprayed film of zirconium containing 8% by weight of yttrium oxide as a solid dielectric (dielectric constant 16, film thickness 500)
μm) was used. Upper electrode 3
The distance between the lower electrode 4 and the entrance side d1 = 3 mm, and the exit side d2
= 1 mm, and a 5 μm polyfunctional acrylic hard coat agent (manufactured by Dainichi Seika Co., Ltd., product number “EXF-3”) as the substrate 5
7 ”), a 80 μm-thick triacetylcellulose having a film formed thereon was fed out and disposed from the roll 9 to the take-up roll 92 via the solid dielectric 42 of the lower electrode 4.
【0060】次いで、容器2内を油回転ポンプ(図示せ
ず)で1Torrになるまで排気した後、アルゴンガス
を、760Torrになるまで導入し、基材5を巻き取
りロール92によって搬送速度1m/minで走行さ
せ、テトラエチルオルトシリケートを0.5体積%にな
るように、反応ガス供給部7から流量制御部8を介し
て、3SLMのアルゴンガスで希釈しながら、反応ガス
導入部6から、固体誘電体32と基材5との間に供給し
た。Next, after the inside of the container 2 is evacuated to 1 Torr by an oil rotary pump (not shown), argon gas is introduced until the pressure reaches 760 Torr. The reaction gas was supplied from the reaction gas supply unit 7 via the flow rate control unit 8 while diluting with 3 SLM argon gas so that the tetraethyl orthosilicate became 0.5% by volume. It was supplied between the dielectric 32 and the substrate 5.
【0061】次いで、上部電極3と下部電極4間に立ち
上がり速度1μs、周波数8kHz、印加電圧±3kV
のパルス電圧をパルス電源1より印加し、放電プラズマ
を発生させた。Next, the rising speed between the upper electrode 3 and the lower electrode 4 is 1 μs, the frequency is 8 kHz, and the applied voltage is ± 3 kV.
Was applied from the pulse power supply 1 to generate discharge plasma.
【0062】上述のようにして、基材5上に1000Å
の薄膜が形成された傾斜機能材料を得た。As described above, 1000 ° on the substrate 5
A functionally graded material on which a thin film was formed was obtained.
【0063】得られた傾斜機能材料の薄膜表面の屈折率
をエリプソメーター(溝尻光学社製)で測定した結果
1.46であった。さらに、上記薄膜をアルゴンガス中
で放電することにより、200Åづつエッチングし、屈
折率を測定した。その結果、薄膜表面側から基材方向に
向かってそれぞれ1.45、1.43、1.42、1.
41であり、膜厚方向に屈折率が変化し、膜質が変化て
いることがわかった。The refractive index of the surface of the thin film of the obtained functionally graded material was measured by an ellipsometer (manufactured by Mizojiri Optical Co., Ltd.) and found to be 1.46. Further, the thin film was etched in 200 ° by discharging in an argon gas, and the refractive index was measured. As a result, 1.45, 1.43, 1.42,.
41, indicating that the refractive index changed in the film thickness direction and the film quality changed.
【0064】(実施例2)図7に示した装置において、
上部電極13と下部電極14(SUS304製、幅35
0mm、長さ100mm、厚み20mm)のそれぞれの
対向面に、基材15の入口側から出口側に向かって、固
体誘電体132、142として酸化チタン珪素(比誘電
率65)と酸化珪素(比誘電率5.5)が、図8に示す
ような傾斜組成(膜厚500μm)が密着形成されてい
るものを用いた。上部電極3と下部電極4の距離は入口
側d3=出口側d4=2mmとし、基材15として5μ
mの多官能アクリル系ハードコート剤(大日精化社製、
品番「EXF−37」)からなる皮膜が形成された厚み
80μmのトリアセチルセルロースを繰り出しロール1
9から下部電極14の固体誘電体142上を経由して、
巻き取りロール192まで配設した。(Embodiment 2) In the apparatus shown in FIG.
Upper electrode 13 and lower electrode 14 (made of SUS304, width 35)
0 mm, a length of 100 mm, and a thickness of 20 mm), from the entrance side to the exit side of the base material 15, as solid dielectrics 132 and 142, titanium silicon oxide (dielectric constant 65) and silicon oxide (dielectric constant) Dielectric constant 5.5) was used in which a gradient composition (film thickness 500 μm) as shown in FIG. 8 was tightly formed. The distance between the upper electrode 3 and the lower electrode 4 was set such that the inlet side d3 = the outlet side d4 = 2 mm.
m multifunctional acrylic hard coat agent (manufactured by Dainichi Seika Co., Ltd.
Roll 1 of 80 μm-thick triacetylcellulose on which a film made of product number “EXF-37” is formed
9 through the solid dielectric 142 of the lower electrode 14,
The winding roll 192 was provided.
【0065】次いで、容器12内を油回転ポンプ(図示
せず)で1Torrになるまで排気した後、アルゴンガ
スを、760Torrになるまで導入し、基材15を巻
き取りロール192によって搬送速度1m/minで走
行させ、テトライソプロポキシチタネートを0.2体積
%になるように、反応ガス供給部17から流量制御部1
8を介して、3SLMのアルゴンガスで希釈しながら、
反応ガス導入部16から、固体誘電体132と基材15
との間に供給した。Next, after the inside of the container 12 is evacuated to 1 Torr by an oil rotary pump (not shown), argon gas is introduced until the pressure reaches 760 Torr, and the substrate 15 is taken up by the take-up roll 192 at a transport speed of 1 m / min. min from the reaction gas supply unit 17 so that the tetraisopropoxy titanate becomes 0.2% by volume.
8 while diluting with 3 SLM of argon gas
From the reaction gas inlet 16, the solid dielectric 132 and the substrate 15
And between.
【0066】次いで、上部電極13と下部電極14間に
立ち上がり速度1μs、周波数4kHz、印加電圧±3
kVのパルス電圧をパルス電源11より印加し、放電プ
ラズマを発生させた。Next, the rising speed between the upper electrode 13 and the lower electrode 14 is 1 μs, the frequency is 4 kHz, and the applied voltage is ± 3.
A pulse voltage of kV was applied from the pulse power supply 11 to generate discharge plasma.
【0067】上述のようにして、基材15上に800Å
の薄膜が形成された傾斜機能材料を得た。As described above, 800 ° on the substrate 15
A functionally graded material on which a thin film was formed was obtained.
【0068】得られた傾斜機能材料の薄膜表面の屈折率
をエリプソメーター(溝尻光学社製)で測定した結果
1.73であった。さらに、上記薄膜を200Åづつエ
ッチングし、屈折率を測定した。その結果、薄膜表面側
から基材方向に向かってそれぞれ1.75、1.81、
1.89であり、膜厚方向に屈折率が変化し、膜質が変
化ていることがわかった。The refractive index of the surface of the thin film of the obtained functionally graded material was measured by an ellipsometer (manufactured by Mizojiri Optical Co., Ltd.) and found to be 1.73. Further, the thin film was etched by 200 ° each, and the refractive index was measured. As a result, 1.75, 1.81,
1.89, indicating that the refractive index changed in the film thickness direction and the film quality changed.
【0069】(実施例3)図9に示した装置において、
上部電極23と下部電極24(SUS304製、幅35
0mm、長さ100mm、厚み20mm)のそれぞれの
対向面に、固体誘電体として8重量%の酸化イットリウ
ムを含むジルコニウムの溶射膜(比誘電率16、膜厚5
00μm)が密着形成されているものを用いた。上部電
極23と下部電極24の距離は入口側d5=1mm、出
口側d6=3mmとし、基材25として5μmの多官能
アクリル系ハードコート剤(大日精化社製、品番「EX
F−37」)からなる皮膜が形成された厚み80μmの
トリアセチルセルロースを繰り出しロール29から下部
電極24の固体誘電体242上を経由して、巻き取りロ
ール292まで配設した。(Embodiment 3) In the apparatus shown in FIG.
Upper electrode 23 and lower electrode 24 (made of SUS304, width 35)
0 mm, a length of 100 mm, and a thickness of 20 mm), a sprayed film of zirconium containing 8% by weight of yttrium oxide as a solid dielectric (relative dielectric constant 16, film thickness 5)
(00 μm) was used. The distance between the upper electrode 23 and the lower electrode 24 is d5 = 1 mm on the inlet side and d6 = 3 mm on the outlet side, and a 5 μm polyfunctional acrylic hard coat agent (Dainichi Seika Co., Ltd .;
F-37 ") and a 80-μm-thick triacetyl cellulose having a film formed thereon was fed from the roll 29 to the take-up roll 292 via the solid dielectric 242 of the lower electrode 24.
【0070】次いで、容器22内を油回転ポンプ(図示
せず)で1Torrになるまで排気した後、アルゴンガ
スを、760Torrになるまで導入し、基材25を巻
き取りロール292によって搬送速度1m/minで走
行させ、テトライソプロポキシチタネートを0.5体積
%になるように、反応ガス供給部27から流量制御部2
8を介して、3SLMのアルゴンガスで希釈しながら、
反応ガス導入部26から、固体誘電体232と基材25
との間の入口側から供給した。一方で、テトラエチルオ
ルトシリケートを0.5体積%になるように、反応ガス
供給部272から流量制御部282を介して、3SLM
のアルゴンガスで希釈しながら、反応ガス導入部262
から、固体誘電体232と基材25との間の出口側から
供給した。Next, the inside of the container 22 is evacuated to 1 Torr by an oil rotary pump (not shown), and then argon gas is introduced until the pressure reaches 760 Torr. min from the reaction gas supply unit 27 to the flow control unit 2 so that the tetraisopropoxy titanate becomes 0.5% by volume.
8 while diluting with 3 SLM of argon gas
From the reaction gas introduction part 26, the solid dielectric 232 and the substrate 25
And supplied from the inlet side. On the other hand, 3SLM is supplied from the reaction gas supply unit 272 via the flow rate control unit 282 so that tetraethyl orthosilicate becomes 0.5% by volume.
While diluting with argon gas, the reaction gas introduction unit 262
From the outlet side between the solid dielectric 232 and the substrate 25.
【0071】次いで、上部電極23と下部電極24間に
立ち上がり速度1μs、周波数8kHz、印加電圧±3
kVのパルス電圧をパルス電源21より印加し、放電プ
ラズマを発生させた。Next, a rising speed of 1 μs, a frequency of 8 kHz and an applied voltage of ± 3 between the upper electrode 23 and the lower electrode 24.
A pulse voltage of kV was applied from the pulse power supply 21 to generate discharge plasma.
【0072】上述のようにして、基材25上に1000
Åの薄膜が形成された傾斜機能材料を得た。As described above, 1000
A functionally graded material on which the thin film of Å was formed was obtained.
【0073】得られた傾斜機能材料の薄膜表面から基材
までをオージェ電子分光法で組成分析した結果を図10
に示した。この結果から、薄膜表面側から基材側に向か
って、SiO2 からTiO2 に連続的に変化しているの
がわかった。FIG. 10 shows the result of composition analysis of the obtained functionally graded material from the thin film surface to the substrate by Auger electron spectroscopy.
It was shown to. From this result, the thin film surface side to the substrate side, it was found that continuously changes from SiO 2 to TiO 2.
【0074】一方、薄膜表面の屈折率をエリプソメータ
ー(溝尻光学社製)で測定した結果1.30であった。
さらに、上記薄膜を200Åづつエッチングし、屈折率
を測定した。その結果、薄膜表面側から基材方向に向か
ってそれぞれ1.45、1.71、1.93、2.09
であり、膜厚方向に屈折率が変化し、膜質が変化ている
ことがわかった。On the other hand, the refractive index of the surface of the thin film measured by an ellipsometer (manufactured by Mizojiri Optical Co., Ltd.) was 1.30.
Further, the thin film was etched by 200 ° each, and the refractive index was measured. As a result, 1.45, 1.71, 1.93, and 2.09 from the thin film surface side toward the substrate, respectively.
It was found that the refractive index changed in the film thickness direction and the film quality changed.
【0075】[0075]
【発明の効果】本発明の傾斜機能材料の製造方法は上述
の如き構成となされているので、基材に、膜の厚み方向
に連続的に組成が変化する傾斜機能薄膜を被覆でき、且
つ、高度の真空度を必要とせず、大気圧近傍でプラズマ
放電を行うことにより、高速で連続的に薄膜を形成でき
る。The method for producing a functionally graded material of the present invention is configured as described above, so that a substrate can be coated with a functionally graded thin film whose composition continuously changes in the thickness direction of the film, and By performing plasma discharge near the atmospheric pressure without requiring a high degree of vacuum, a thin film can be formed continuously at high speed.
【図1】パルス電界の例を示す電圧波形図である。FIG. 1 is a voltage waveform diagram showing an example of a pulse electric field.
【図2】パルス継続時間の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a pulse duration time.
【図3】パルス電界を発生させる電源のブロック図であ
る。FIG. 3 is a block diagram of a power supply that generates a pulse electric field.
【図4】パルス電界を発生させる電源の等価回路図であ
る。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a power supply that generates a pulse electric field.
【図5】パルス電界の動作表に対応する出力パルス信号
の図である。FIG. 5 is a diagram of an output pulse signal corresponding to an operation table of a pulse electric field.
【図6】請求項2において引用された本発明の傾斜機能
材料を製造するための装置の一例を示した模式断面図で
ある。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing one example of an apparatus for producing the functionally gradient material of the present invention cited in claim 2.
【図7】請求項3において引用された本発明の傾斜機能
材料を製造するための装置の一例を示した模式断面図で
ある。FIG. 7 is a schematic sectional view showing an example of an apparatus for producing the functionally gradient material of the present invention cited in claim 3.
【図8】実施例2において使用した固体誘電体の膜厚方
向の組成分布を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing a composition distribution in a film thickness direction of a solid dielectric used in Example 2.
【図9】請求項4において引用された本発明の傾斜機能
材料を製造するための装置の一例を示した模式断面図で
ある。FIG. 9 is a schematic sectional view showing an example of an apparatus for producing the functionally gradient material of the present invention, cited in claim 4.
【図10】実施例3において得られた傾斜機能材料の薄
膜表面から基材までをオージェ電子分光法で組成分析し
た結果を示したグラフである。FIG. 10 is a graph showing the results of a composition analysis of the functionally gradient material obtained in Example 3 from the thin film surface to the substrate by Auger electron spectroscopy.
1、11、21 パルス電源 2、12、22 容器 3、13、23 上部電極 32、132、232 固体誘電体 4、14、24 下部電極 42、142、242 固体誘電体 5、15、25 基材 6、16、26 反応ガス導入部 1, 11, 21 Pulse power supply 2, 12, 22 Container 3, 13, 23 Upper electrode 32, 132, 232 Solid dielectric 4, 14, 24 Lower electrode 42, 142, 242 Solid dielectric 5, 15, 25 Base material 6, 16, 26 Reaction gas introduction unit
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2K009 AA02 BB01 BB11 BB28 CC03 CC14 CC42 CC45 DD04 EE00 FF01 4K030 AA11 BA44 BA46 CA07 CA12 EA03 FA01 GA04 GA14 JA08 KA30 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2K009 AA02 BB01 BB11 BB28 CC03 CC14 CC42 CC45 DD04 EE00 FF01 4K030 AA11 BA44 BA46 CA07 CA12 EA03 FA01 GA04 GA14 JA08 KA30
Claims (4)
に基材を連続的に移動するように配設し、該対向電極間
に反応ガスを導入するとともに、電圧立ち上がり時間が
100μs以下、電界強度が1〜100kV/cmのパ
ルス状の電圧を印加して、放電プラズマ処理を行うに当
たり、上記対向電極間の電界強度を、基材の走行方向に
沿って連続的に変化させることを特徴とする傾斜機能材
料の製造方法。1. A substrate is disposed between a pair of opposed electrodes so as to continuously move under a pressure close to the atmospheric pressure, a reaction gas is introduced between the opposed electrodes, and a voltage rise time is 100 μs. Hereinafter, when performing a discharge plasma treatment by applying a pulsed voltage having an electric field intensity of 1 to 100 kV / cm, the electric field intensity between the opposed electrodes is continuously changed along the traveling direction of the substrate. A method for producing a functionally graded material, characterized in that:
に沿って、連続的に変化させることにより、電界強度を
連続的に変化させることを特徴とする請求項1記載の傾
斜機能材料の製造方法。2. The tilt function according to claim 1, wherein the electric field intensity is continuously changed by continuously changing the distance between the opposed electrodes along the running direction of the base material. Material manufacturing method.
に、基材の走行方向に沿って厚み又は組成が連続的に変
化する固体誘電体を配置することにより、電界強度を連
続的に変化させることを特徴とする請求項1記載の傾斜
機能材料の製造方法。3. An electric field intensity is continuously changed by disposing a solid dielectric whose thickness or composition continuously changes along a running direction of a substrate on at least one of the opposing surfaces of the opposing electrode. The method for producing a functionally gradient material according to claim 1, wherein:
ガスを、その混合比が基材の走行方向に沿って連続的に
変化するように対向電極間に導入することを特徴とする
請求項1乃至3記載の傾斜機能材料の製造方法。4. The method according to claim 1, wherein at least two kinds of reactive gases are introduced between the opposed electrodes so that a mixing ratio thereof changes continuously along the running direction of the substrate. Item 4. The method for producing a functionally graded material according to any one of Items 1 to 3.
Priority Applications (1)
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JP10357961A JP2000178750A (en) | 1998-12-16 | 1998-12-16 | Production of functionally gradient material |
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