JP2004285447A - 複合構造物の作製方法及び作製装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】エアロゾルデポジション法により複合構造物を作製する際に、構造物の形成速度を向上させることが可能となる脆性材料微粒子を調製し、この微粒子を用いる複合構造物作製方法及び装置を提供することを目的とする。
【解決手段】脆性材料微粒子に水分を吸着させ、次いでこの微粒子の物理吸着水を除去することにより調製した微粒子を用いることにより構造物の形成速度が２倍以上に向上させることが可能となり、省エネルギー、省コストの効果がある。
【選択図】 図２
【解決手段】脆性材料微粒子に水分を吸着させ、次いでこの微粒子の物理吸着水を除去することにより調製した微粒子を用いることにより構造物の形成速度が２倍以上に向上させることが可能となり、省エネルギー、省コストの効果がある。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脆性材料微粒子を含むエアロゾルを基板に吹き付け、脆性材料構造物を基板上に形成させることによって基板と脆性材料構造物からなる複合構造物を作製するための複合構造物作製方法及び作製装置、並びにこの複合構造物の作製に用いられる脆性材料微粒子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板上の膜の形成方法としては数μｍ以上の厚膜の場合、溶射法が一般に知られているが、その他ガスデポジション法（非特許文献１）が提案されている。この方法は金属やセラミックスの超微粒子をガス攪拌にてエアロゾル化し、微小なノズルを通して加速せしめ、基材表面に超微粒子の圧粉体層を形成させ、これを加熱して焼成させることにより被膜を形成する。
上記ガスデポジション法を改良した先行技術として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脆性材料の膜あるいは構造物の形成方法がある。これは、脆性材料の微粒子を含むエアロゾルをノズルから高速で基板に向けて噴射し、基板に微粒子を衝突させて、その機械的衝撃力を利用して脆性材料の多結晶構造物を基板上にダイレクトに形成させる方法であり、特許文献１および特許文献２に開示されるものが知られている。
特許文献１では、前記した超微粒子を含むエアロゾルを搬送する際、微粒子同士が凝集して大きな粒子となるのを防止するために、中間に分級装置を配置するようにしている。
特許文献２では、粒径が１０ｎｍから５μｍの範囲にあるセラミックスなどの超微粒子をガスに分散させてエアロゾルとした後、ノズルより高速の超微粒子流として基板に向けて噴射して堆積物を形成させる。このときに超微粒子や基板に、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原子などを照射して作製される構造物を強固なものとする工夫がなされている。
【０００３】
【特許文献】
特許文献１：特開平１１−２１６７７号公報
特許文献２：特開平２０００−２１２７６６号公報
【０００４】
【非特許文献】
非特許文献１：加集誠一郎：金属 １９８９年１月号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
まず脆性材料構造物を形成するエアロゾルデポジション法について説明する。
エアロゾルデポジション法は、脆性材料の微粒子をガスによって搬送させつつ基板に向けて噴射し、微粒子の衝突による衝撃力を利用して、脆性材料の構造物を形成させる方法である。このとき、衝突によって微粒子が基板に食い込んでアンカー部を形成させることでこれらが接合し、また次々と衝突してくる微粒子の衝撃により微粒子が変形・破砕を起こし、この変形・破砕によって生じた活性な新生面を介して基板や他の微粒子、あるいはその破砕片などと接合して構造物が形成されたり、あるいは脆性材料が表面に化学吸着水のような水酸基を持つ場合には、微粒子同士の衝突による局所的なずり応力の発生により、その接点にて酸塩基脱水反応を伴うメカノケミカル的化学結合が起こり、微粒子同士が接合して構造物となるなどのことが考えられる。このようにして密着性が良好で強度の大きな脆性材料の構造物が基板上にダイレクトに形成される。
【０００６】
しかしながら、従来のエアロゾルデポジション法においては、数センチ角程度の構造物を形成させるには比較的短時間でよいが、より大きな面積・形成高さが必要な場合には時間がかかるといった問題があった。また、構造物を形成させるのに必要な微粒子は、構造物の質量の数十倍以上なため、微粒子の利用効率が低いといった問題があった。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、エアロゾルデポジション法により複合構造物を作製する際に、構造物の形成速度を向上させることが可能となる脆性材料微粒子を調製し、この微粒子を用いる複合構造物作製方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るエアロゾルデポジション法を用いた複合構造物の作製方法は、脆性材料微粒子に水分を吸着させる工程と、次いでこの脆性材料微粒子に吸着した水分のうち物理吸着水を除去する工程と、次いでこの脆性材料微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けて噴射して衝突させ、この衝突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上に形成させる工程とからなることを特徴とする。
そうすることで、基材上に目的の構造物を形成する速度を速くすることが可能となる。また、準備する微粒子は従来と同量でよいので、微粒子の利用効率が上がることから、省エネルギー、省コストといった効果もある。
【０００９】
本発明に係るエアロゾルデポジション法を用いた複合構造物の作製方法は、微粒子に水分を吸着させる工程が、微粒子を水溶媒に浸漬させる工程、もしくは微粒子に水を加える工程などの積極的に吸着させることを特徴とする。そうすることで、微粒子に水分すなわち物理吸着水と化学吸着水を飽和状態まで吸着させる効果がある。また、微粒子に水分を吸着させるために、恒温恒湿槽や加湿器などを用いて、微粒子を湿度８０％以上、室温以上の温度で大気圧以上の環境下に静置する方法でもよい。
【００１０】
本発明に係るエアロゾルデポジション法を用いた複合構造物の作製方法は、微粒子の物理吸着水を除去する工程が、１００℃以上２４０℃以下で乾燥させる工程であることを特徴とする。水分を飽和状態まで吸着させた微粒子を１００℃以上２４０℃以下で乾燥させることにより、微粒子の吸着水のうち物理吸着水をほとんど除去することができ、微粒子に吸着している水分のうち化学吸着水の割合を大幅に増加させる効果がある。
【００１１】
本発明に係る脆性材料微粒子は、ガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けて噴射して衝突させ、この衝突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上に形成させる複合構造物形成方法で用いられる脆性材料微粒子であって、この脆性材料微粒子は水分を吸着せしめられ後に物理吸着水が除去されたことを特徴とする。
そのようにすることで、化学吸着水が豊富に吸着している脆性材料微粒子を調製することができ、この微粒子を用いることによりエアロゾルデポジション法で脆性材料構造物を基材上に形成させる速度を向上させることができるので、効率よく複合構造物を作製することが可能となる。
【００１２】
本発明に係る脆性材料微粒子は、前記水分を吸着させる工程が、微粒子を水溶媒に浸漬させる工程、もしくは微粒子に水を加える工程であることを特徴とする。そのようにすることで、微粒子に水分すなわち物理吸着水と化学吸着水を飽和状態まで吸着させた微粒子となる。また、微粒子に水分を吸着させるために、恒温恒湿槽や加湿器などを用いて、微粒子を湿度８０％以上、室温以上の温度で大気圧以上の環境下に静置した微粒子でもよい。
【００１３】
本発明に係る脆性材料微粒子は、物理吸着水を除去する工程が、１００℃以上２４０℃以下で乾燥させる工程であることを特徴とする特徴とする。
そのようにすることで、微粒子の吸着水のうち物理吸着水をほとんど除去することができ、微粒子に吸着している水分のうち化学吸着水の割合を大幅に増加させた微粒子となる。
【００１４】
本発明に係るエアロゾルデポジション法を用いた複合構造物の作製装置は、脆性材料微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、基材に向けて噴射して衝突させ、この衝突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上に形成させる複合構造物形成法で用いられる複合構造物形成装置であって、水分を吸着させた脆性材料微粒子を内蔵させ１００℃以上２４０℃以下にてこの脆性材料微粒子を加熱する加熱手段を有する微粒子内蔵容器と、この微粒子内蔵容器と連結しこの内部から水分を排除する排気手段と、前記微粒子内蔵容器と連結しここから輸送される前記脆性材料微粒子と乾燥ガスとを混合したエアロゾルを発生させるエアロゾル発生器と、微粒子内蔵容器と前記エアロゾル発生器との前記連結部を開閉するバルブとを有することを特徴とする。
このような装置を用いることにより、水分を吸着させた後に物理吸着水を除去した微粒子を、物理吸着水が再吸着することなくエアロゾル発生器に移動させることができるので、良好な状態でエアロゾルを発生させることができ、基材上に目的の複合構造物を速く形成することが可能となるため、従来の装置に比べ省エネルギー、省コストの効果がある。
【００１５】
本発明に係る複合構造物を作製する基材としては、金属、ガラス、セラミックス、半導体、プラスチック等の有機化合物等が好適な物として挙げられるが特にこれらに限定されるものではない。脆性材料としては酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム、酸化鉄、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化クロム、酸化ハフニウム、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、酸化珪素などの酸化物、ダイヤモンド、炭化硼素、炭化珪素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化クロム、炭化タングステン、炭化モリブデン、炭化タンタルなどの炭化物、窒化硼素、窒化チタン、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ニオブ、窒化タンタルなどの窒化物、硼素、硼化アルミニウム、硼化珪素、硼化チタン、硼化ジルコニウム、硼化バナジウム、硼化ニオブ、硼化タンタル、硼化クロム、硼化モリブデン、硼化タングステンなどの硼化物、あるいはこれらの混合物や多元系の固溶体、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸リチウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸アルミニウム、ＰＺＴ、ＰＬＺＴなどの圧電性・焦電性セラミックス、サイアロン、サーメットなどの高靭性セラミックス、水酸化アパタイト、燐酸カルシウムなどの生体適合性セラミックスなどが挙げられる。
【００１６】
ここで、本発明を理解する上で重要となる語句の解釈を以下に行う。
（物理吸着水）
一般に微粒子に吸着している水分を大きく分けると物理吸着水と化学吸着水に分けられるが、本件においては２４０℃以下の温度で微粒子表面より離脱する、微粒子表面付近に物理的引力で拘束されている水分子のことを物理吸着水と呼ぶ。エアロゾルデポジション法で構造物を形成させる際に、微粒子同士の凝集を引き起こし、それゆえエアロゾルの発生が不安定になったり、構造物をエッチングさせるなど、構造物形成速度が低下する原因であると考えられる。
（化学吸着水）
一般に化学吸着水とは、微粒子の表面水酸基、及び微粒子の表面水酸基や酸素原子と水素結合により強固に結合している水分子を指すが、本件においては微粒子に吸着している水分のうち、１８０℃以上で微粒子表面より離脱する水分のことを示す。
（アンカー）
本件の場合には、基材と構造物の界面に形成された凹凸を指し、特に、予め基材に凹凸を形成させるのではなく、構造物形成時に、元の基材の表面精度を変化させて形成される凹凸のことを指す。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明における複合構造物の作製方法の一実施形態について述べる。
サブミクロン粒径の脆性材料微粒子の吸着水を飽和させた後に物理吸着水を除去することで、化学吸着水の割合を大幅に増加させた微粒子を予め準備して、この微粒子を用いてエアロゾルデポジション法により基板上に脆性材料構造物を形成させた。図１に使用したエアロゾルデポジション法の装置図を示す。
【００１８】
図１では、複合構造物作製装置１０は、窒素ガスボンベ１０１が、搬送管１０２を介してエアロゾル発生器１０３に接続され、その下流側に解砕器１０４が、さらに下流側に分級器１０５が設置されている。これらを通じている搬送管１０２の先に構造物形成室１０６内に設置されたノズル１０７が配置される。
ノズル１０７の開口の先には基板１０８がＸＹステージ１０９に取り付けられて設置されている。構造物形成室１０６は真空ポンプ１１０に接続されている。エアロゾル発生器１０３は前記脆性材料微粒子粉体１０３ａを内蔵している。
【００１９】
以上の構成からなる複合構造物作製装置１０の作用を次に述べる。予め図示しない歪付与装置である遊星ミルにて粉砕することにより、前記脆性材料微粒子粉体１０３ｂを準備し、これをエアロゾル発生器１０３内に充填する。窒素ガスボンベ１０１より搬送管１０２を通じて脆性材料微粒子粉体を装填したエアロゾル発生器１０３内に窒素ガスを導入し、エアロゾル発生器１０３を作動させて脆性材料微粒子を含むエアロゾルを発生させる。エアロゾル中の微粒子は凝集しており、おおよそ１００μｍの二次粒子を形成しているが、これを搬送管１０２を通じて解砕器１０４に導入して一次粒子を多く含むエアロゾルに変換する。
【００２０】
その後分級器１０５に導入して、解砕器１０４では解砕しきれずにエアロゾル中にまだ存在している粗大な二次粒子を除去してさらに一次粒子リッチなエアロゾルに変換し、導出する。その後構造物形成室１０６内に設置されたノズル１０７から高速で基板１０８に向けて噴射させる。ノズル１０７の先に設置された基板１０８にエアロゾルを衝突させつつ、基板１０８をＸＹステージ１０９により揺動させて、基板１０８上の一定面積に薄膜の構造物を形成させた。構造物形成室１０６は真空ポンプ１１０により１ｋＰａ以下の減圧環境下に置かれる。
【００２１】
なお、上述する構造物形成工程のうち、エアロゾル発生器１０３、解砕器１０４、分級器１０５は別体でもよいし、一体でもよい。解砕器の性能が十分であれば分級器は必要ない。
【００２２】
脆性材料微粒子の種類は一種類に限らず、いくつも混合させることは容易である。使用するガスも窒素ガスに限らず、アルゴン、ヘリウムなど任意である。
【００２３】
次に本発明における複合構造物作製方法の別の一実施形態について述べる。
図２は複合構造物作製装置２０を示す図であり、ヘリウムガスボンベ２０１が、搬送管２０２を介してエアロゾル発生器２０３に接続され、その下流側に解砕器２０４が、さらに下流側に分級器２０５が設置されている。これらを通じている搬送管２０２の先に構造物形成室２０６内に設置されたノズル２０７が配置される。ノズル２０７の開口の先には基板２０８がＸＹステージ２０９に取り付けられて設置されている。構造物形成室２０６は真空ポンプ２１０に接続されている。エアロゾル発生器２０３の上流にバルブ２１１を介して微粒子内蔵容器２１２が接続されており、脆性材料微粒子２１２ａを内蔵している。微粒子内臓容器２１２は真空ポンプ２１３に接続されており、内部にはヒーター２１４が取り付けられている。
【００２４】
以上の構成からなる複合構造物作製装置２０の作用を次に述べる。予め図示しない歪付与装置である遊星ミルにて粉砕することにより、十分に水分を吸着した前記脆性材料微粒子粉体２１２ｂを準備し、これを微粒子内蔵容器２１２内に充填する。ここで、十分に水分を吸着した粉体は真空ポンプ２１３を作動させて発生する水蒸気を系外に排出するようにしてヒーター２１４で加熱し乾燥することで物理吸着水を除去される。乾燥した粉体はバルブ２１１を開くことにより、そのまま連結されたエアロゾル発生器２０３に導入されるので物理吸着水が再付着することはない。
【００２５】
ヘリウムガスボンベ２０１より搬送管２０２を通じてエアロゾル発生器２０３内にヘリウムガスを導入し、エアロゾル発生器２０３を作動させて脆性材料微粒子を含むエアロゾルを発生させる。エアロゾル中の微粒子は凝集しており、おおよそ１００μｍの二次粒子を形成しているが、これを搬送管２０２を通じて解砕器２０４に導入して一次粒子を多く含むエアロゾルに変換する。
【００２６】
その後分級器２０５に導入して、解砕器２０４では解砕しきれずにエアロゾル中にまだ存在している粗大な二次粒子を除去してさらに一次粒子リッチなエアロゾルに変換し、導出する。その後構造物形成室２０６内に設置されたノズル２０７から高速で基板２０８に向けて噴射させる。ノズル２０７の先に設置された基板２０８にエアロゾルを衝突させつつ、基板２０８をＸＹステージ２０９により揺動させて、基板２０８上の一定面積に薄膜の構造物を形成させた。構造物形成室２０６は真空ポンプ２１０により１ｋＰａ以下の減圧環境下に置かれる。
【００２７】
なお、上述する構造物形成工程のうち、エアロゾル発生器２０３、解砕器２０４、分級器２０５、微粒子内蔵容器２１２は別体でもよいし、一体でもよい。解砕器の性能が十分であれば分級器は必要ない。また、必要に応じて微粒子内蔵容器２１２の下流に解砕器をつけてもよい。
【００２８】
脆性材料微粒子の種類は一種類に限らず、いくつも混合させることは容易である。使用するガスもヘリウムガスに限らず、アルゴン、窒素など任意である。
【００２９】
（実施例１）
まず、脆性材料微粒子として何も処理や操作を行っていない状態の純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａを準備し、この微粒子の吸着水をリガク製昇温脱離ガス分析装置ＴＰＤにより測定した。
図３は温度とピーク強度の関係のデータであり、温度上昇に対して脱離する水分子を定量的にあらわしている。左側の極大を１８０℃にもつ山が物理吸着水の脱離の様子を示しており、右側の３７０℃に極大をもつ山が化学吸着水の脱離の様子を示している。
このデータを波形分離したところ、酸化アルミニウムＡに吸着している物理吸着水は２４０℃でほぼ完全に脱離することがわかった。また、化学吸着水は１８０℃から脱離しはじめることがわかった。その結果、１８０℃で乾燥することにより、物理吸着水が若干存在するが化学吸着水がほとんど脱離していない微粒子を調製でき、２４０℃で乾燥することにより物理吸着水がほとんど存在しない微粒子が調製できることがわかった。
【００３０】
（実施例２）
純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａ２００ｇに水１５０ｇを徐々に加えながら、ダマが完全になくなるまで十分に撹拌しスラリーを調製した。
次にこのスラリーを１８０℃で１２時間乾燥させ、乾燥させたものを乳鉢で解砕後ふるいを通し、さらに１８０℃で１２時間乾燥させることで粉体Ａ１を調製した。このようにして調製した粉体を図１に相当する複合構造物作製装置のエアロゾル発生器に１００ｇ装填し、搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約４．５μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３１】
（実施例３）
純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａ２００ｇに遊星ミルを用いて内部歪を付与し、水１５０ｇを徐々に加えながら、ダマが完全になくなるまで十分に撹拌しスラリーを調製した。
次にこのスラリーを１８０℃で１２時間乾燥させ、乾燥させたものを乳鉢で解砕後ふるいを通し、さらに１８０℃で１２時間乾燥させることで粉体Ａ２を調製した。
このようにして調製した粉体を図１に相当する複合構造物作製装置のエアロゾル発生器に１００ｇ装填し、搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約２２μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３２】
（実施例４）
純度９９．９９％平均粒径０．２μｍの酸化アルミニウム微粒子Ｂ２００ｇに水２００ｇを徐々に加えながら、ダマが完全になくなるまで十分に撹拌しスラリーを調製した。
次にこのスラリーを１８０℃で１２時間乾燥させ、乾燥させたものを乳鉢で解砕後ふるいを通し、さらに１８０℃で１２時間乾燥させることで粉体Ｂ１を調製した。
このようにして調製した粉体を図１に相当する複合構造物作製装置のエアロゾル発生器に１００ｇ装填し、搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約２６μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３３】
（実施例５）
純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａ２００ｇに遊星ミルを用いて内部歪を付与し、湿度１００％、２５℃の恒温恒湿槽に１２時間静置し粉体Ａ３を調製した。
このようにして調製した粉体を図２に相当する複合構造物作製装置の微粒子内蔵容器に１００ｇ装填し、ヒーターにより粉体を３５０℃で１２時間加熱した。このとき発生する水蒸気は真空ポンプにより系外に除去した。粉体を加熱乾燥後、減圧のままエアロゾル発生器に移した。その後搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約４０μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３４】
（比較例１）
比較のために純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａ２００ｇを１８０℃で１２時間乾燥させた粉体ａ１を調製した。
このようにして調製した粉体を図１に相当する複合構造物作製装置のエアロゾル発生器に１００ｇ装填し、搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約２μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３５】
（比較例２）
比較のために純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａ２００ｇに遊星ミルを用いて実施例３と同条件で内部歪を付与し、その後１８０℃で１２時間乾燥させた粉体ａ２を調製した。
このようにして調製した粉体を図１に相当する複合構造物作製装置のエアロゾル発生器に１００ｇ装填し、搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約１０μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３６】
（比較例３）
比較のために純度９９．９９％平均粒径０．２μｍの酸化アルミニウム微粒子Ｂ２００ｇを１８０℃で１２時間乾燥させた粉体ｂ２を調製した。
このようにして調製した粉体を図１に相当する複合構造物作製装置のエアロゾル発生器に１００ｇ装填し、搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約１２μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３７】
（比較例４）
比較のために純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａ２００ｇに遊星ミルを用いて実施例５と同じ条件で内部歪を付与した粉体ａ３を調製した。
このようにして調製した粉体を図２に相当する複合構造物作製装置の微粒子内蔵容器に１００ｇ装填し、ヒーターにより粉体を１８０℃で１２時間加熱した。このとき発生する水蒸気は真空ポンプにより系外に除去した。粉体を加熱乾燥後、減圧のままエアロゾル発生器に移した。その後搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約２０μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３８】
（比較例５）
比較のために純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａ２００ｇに遊星ミルを用いて実施例５と同じ条件で内部歪を付与した粉体ａ３を調製した。
このようにして調製した粉体を図２に相当する複合構造物作製装置の微粒子内蔵容器に１００ｇ装填し、ヒーターにより粉体を３５０℃で１２時間加熱した。このとき発生する水蒸気は真空ポンプにより系外に除去した。粉体を加熱乾燥後、減圧のままエアロゾル発生器に移した。その後搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約１０μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３９】
【表１】
【００４０】
表１より、本発明に係る複合構造物作製方法で調製した微粒子を用いて構造物を形成させた場合のほうが、いずれの実施例においても比較例よりも２倍以上の構造物の形成高さとなっている。すなわち構造物の形成速度が２倍以上に向上した。ビッカース硬度は実施例と比較例において同程度であることから、形成速度が向上しても形成された構造物の物性や緻密さ、機能は同程度と考えられる。また、使用した微粒子の量や構造物形成時間、搬送ガス、エアロゾルの濃度などの条件は同じであることから、比較例よりも微粒子の利用効率が向上し、省エネルギー、省コストの効果があることがわかった。
【００４１】
比較例５は、粉体の乾燥温度を３５０℃にその他の条件は比較例４と同じにすることで、微粒子から物理吸着水だけでなく化学吸着水もできるだけ除去した場合の実験例である。その結果、微粒子の化学吸着水を減少させることで構造物の形成速度が大幅に低下していることから構造物の形成の際に化学吸着水を増加する効果は大きいと考えられる。また、微粒子から物理吸着水及び化学吸着水を除去しても構造物の形成は可能であることから、構造物の形成の際に、微粒子が破砕・変形することにより新生面を形成し、常温接合により構造物を形成している割合が大きいと考えられる。一連の実験より、構造物の形成メカニズムにおいて、一部の微粒子は基材に衝突した際に破砕・変形により新生面を形成して接合により構造物を形成し、一部の微粒子は化学吸着水すなわち表面水酸基を介したメカノケミカル反応による複合化により構造物を形成していると考えられる。
【００４２】
【発明の効果】
上述のように本発明に係る複合構造物作製方法は、微粒子の吸着水を飽和させた後に物理吸着水を除去し、化学吸着水の割合を大幅に増加させた微粒子を調製し、この微粒子を用いることで、エアロゾルデポジション法により構造物を従来の２倍以上の速度で形成させることが可能になる。また、使用する微粒子の量や構造物形成時間、搬送ガスなどの条件は同じであることから、従来よりも微粒子の利用効率が向上し、省エネルギー、省コストの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】エアロゾルデポジション法による複合構造物作製装置の概略図
【図２】エアロゾルデポジション法による複合構造物作製装置の概略図
【図３】昇温脱離ガス装置による粉体の分析結果
【符号の説明】
１０…複合構造物作製装置、１０１…窒素ガスボンベ、１０２…搬送管、１０３…エアロゾル発生器、１０３ａ…微粒子粉体、１０４…解砕器、１０５…分級器、１０６…構造物形成室、１０７…ノズル、１０８…基板、１０９…ＸＹステージ、１１０…真空ポンプ。
２０…複合構造物作製装置、２０１…ヘリウムガスボンベ、２０２…搬送管、２０３…エアロゾル発生器、２０４…解砕器、２０５…分級器、２０６…構造物形成室、２０７…ノズル、２０８…基板、２０９…ＸＹステージ、２１０…真空ポンプ、２１１…バルブ、２１２…微粒子内臓容器、２１２ａ…微粒子粉体、２１３…真空ポンプ、２１４…ヒーター。
【発明の属する技術分野】
本発明は、脆性材料微粒子を含むエアロゾルを基板に吹き付け、脆性材料構造物を基板上に形成させることによって基板と脆性材料構造物からなる複合構造物を作製するための複合構造物作製方法及び作製装置、並びにこの複合構造物の作製に用いられる脆性材料微粒子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板上の膜の形成方法としては数μｍ以上の厚膜の場合、溶射法が一般に知られているが、その他ガスデポジション法（非特許文献１）が提案されている。この方法は金属やセラミックスの超微粒子をガス攪拌にてエアロゾル化し、微小なノズルを通して加速せしめ、基材表面に超微粒子の圧粉体層を形成させ、これを加熱して焼成させることにより被膜を形成する。
上記ガスデポジション法を改良した先行技術として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脆性材料の膜あるいは構造物の形成方法がある。これは、脆性材料の微粒子を含むエアロゾルをノズルから高速で基板に向けて噴射し、基板に微粒子を衝突させて、その機械的衝撃力を利用して脆性材料の多結晶構造物を基板上にダイレクトに形成させる方法であり、特許文献１および特許文献２に開示されるものが知られている。
特許文献１では、前記した超微粒子を含むエアロゾルを搬送する際、微粒子同士が凝集して大きな粒子となるのを防止するために、中間に分級装置を配置するようにしている。
特許文献２では、粒径が１０ｎｍから５μｍの範囲にあるセラミックスなどの超微粒子をガスに分散させてエアロゾルとした後、ノズルより高速の超微粒子流として基板に向けて噴射して堆積物を形成させる。このときに超微粒子や基板に、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原子などを照射して作製される構造物を強固なものとする工夫がなされている。
【０００３】
【特許文献】
特許文献１：特開平１１−２１６７７号公報
特許文献２：特開平２０００−２１２７６６号公報
【０００４】
【非特許文献】
非特許文献１：加集誠一郎：金属 １９８９年１月号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
まず脆性材料構造物を形成するエアロゾルデポジション法について説明する。
エアロゾルデポジション法は、脆性材料の微粒子をガスによって搬送させつつ基板に向けて噴射し、微粒子の衝突による衝撃力を利用して、脆性材料の構造物を形成させる方法である。このとき、衝突によって微粒子が基板に食い込んでアンカー部を形成させることでこれらが接合し、また次々と衝突してくる微粒子の衝撃により微粒子が変形・破砕を起こし、この変形・破砕によって生じた活性な新生面を介して基板や他の微粒子、あるいはその破砕片などと接合して構造物が形成されたり、あるいは脆性材料が表面に化学吸着水のような水酸基を持つ場合には、微粒子同士の衝突による局所的なずり応力の発生により、その接点にて酸塩基脱水反応を伴うメカノケミカル的化学結合が起こり、微粒子同士が接合して構造物となるなどのことが考えられる。このようにして密着性が良好で強度の大きな脆性材料の構造物が基板上にダイレクトに形成される。
【０００６】
しかしながら、従来のエアロゾルデポジション法においては、数センチ角程度の構造物を形成させるには比較的短時間でよいが、より大きな面積・形成高さが必要な場合には時間がかかるといった問題があった。また、構造物を形成させるのに必要な微粒子は、構造物の質量の数十倍以上なため、微粒子の利用効率が低いといった問題があった。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、エアロゾルデポジション法により複合構造物を作製する際に、構造物の形成速度を向上させることが可能となる脆性材料微粒子を調製し、この微粒子を用いる複合構造物作製方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るエアロゾルデポジション法を用いた複合構造物の作製方法は、脆性材料微粒子に水分を吸着させる工程と、次いでこの脆性材料微粒子に吸着した水分のうち物理吸着水を除去する工程と、次いでこの脆性材料微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けて噴射して衝突させ、この衝突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上に形成させる工程とからなることを特徴とする。
そうすることで、基材上に目的の構造物を形成する速度を速くすることが可能となる。また、準備する微粒子は従来と同量でよいので、微粒子の利用効率が上がることから、省エネルギー、省コストといった効果もある。
【０００９】
本発明に係るエアロゾルデポジション法を用いた複合構造物の作製方法は、微粒子に水分を吸着させる工程が、微粒子を水溶媒に浸漬させる工程、もしくは微粒子に水を加える工程などの積極的に吸着させることを特徴とする。そうすることで、微粒子に水分すなわち物理吸着水と化学吸着水を飽和状態まで吸着させる効果がある。また、微粒子に水分を吸着させるために、恒温恒湿槽や加湿器などを用いて、微粒子を湿度８０％以上、室温以上の温度で大気圧以上の環境下に静置する方法でもよい。
【００１０】
本発明に係るエアロゾルデポジション法を用いた複合構造物の作製方法は、微粒子の物理吸着水を除去する工程が、１００℃以上２４０℃以下で乾燥させる工程であることを特徴とする。水分を飽和状態まで吸着させた微粒子を１００℃以上２４０℃以下で乾燥させることにより、微粒子の吸着水のうち物理吸着水をほとんど除去することができ、微粒子に吸着している水分のうち化学吸着水の割合を大幅に増加させる効果がある。
【００１１】
本発明に係る脆性材料微粒子は、ガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けて噴射して衝突させ、この衝突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上に形成させる複合構造物形成方法で用いられる脆性材料微粒子であって、この脆性材料微粒子は水分を吸着せしめられ後に物理吸着水が除去されたことを特徴とする。
そのようにすることで、化学吸着水が豊富に吸着している脆性材料微粒子を調製することができ、この微粒子を用いることによりエアロゾルデポジション法で脆性材料構造物を基材上に形成させる速度を向上させることができるので、効率よく複合構造物を作製することが可能となる。
【００１２】
本発明に係る脆性材料微粒子は、前記水分を吸着させる工程が、微粒子を水溶媒に浸漬させる工程、もしくは微粒子に水を加える工程であることを特徴とする。そのようにすることで、微粒子に水分すなわち物理吸着水と化学吸着水を飽和状態まで吸着させた微粒子となる。また、微粒子に水分を吸着させるために、恒温恒湿槽や加湿器などを用いて、微粒子を湿度８０％以上、室温以上の温度で大気圧以上の環境下に静置した微粒子でもよい。
【００１３】
本発明に係る脆性材料微粒子は、物理吸着水を除去する工程が、１００℃以上２４０℃以下で乾燥させる工程であることを特徴とする特徴とする。
そのようにすることで、微粒子の吸着水のうち物理吸着水をほとんど除去することができ、微粒子に吸着している水分のうち化学吸着水の割合を大幅に増加させた微粒子となる。
【００１４】
本発明に係るエアロゾルデポジション法を用いた複合構造物の作製装置は、脆性材料微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、基材に向けて噴射して衝突させ、この衝突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上に形成させる複合構造物形成法で用いられる複合構造物形成装置であって、水分を吸着させた脆性材料微粒子を内蔵させ１００℃以上２４０℃以下にてこの脆性材料微粒子を加熱する加熱手段を有する微粒子内蔵容器と、この微粒子内蔵容器と連結しこの内部から水分を排除する排気手段と、前記微粒子内蔵容器と連結しここから輸送される前記脆性材料微粒子と乾燥ガスとを混合したエアロゾルを発生させるエアロゾル発生器と、微粒子内蔵容器と前記エアロゾル発生器との前記連結部を開閉するバルブとを有することを特徴とする。
このような装置を用いることにより、水分を吸着させた後に物理吸着水を除去した微粒子を、物理吸着水が再吸着することなくエアロゾル発生器に移動させることができるので、良好な状態でエアロゾルを発生させることができ、基材上に目的の複合構造物を速く形成することが可能となるため、従来の装置に比べ省エネルギー、省コストの効果がある。
【００１５】
本発明に係る複合構造物を作製する基材としては、金属、ガラス、セラミックス、半導体、プラスチック等の有機化合物等が好適な物として挙げられるが特にこれらに限定されるものではない。脆性材料としては酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム、酸化鉄、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化クロム、酸化ハフニウム、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、酸化珪素などの酸化物、ダイヤモンド、炭化硼素、炭化珪素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化クロム、炭化タングステン、炭化モリブデン、炭化タンタルなどの炭化物、窒化硼素、窒化チタン、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ニオブ、窒化タンタルなどの窒化物、硼素、硼化アルミニウム、硼化珪素、硼化チタン、硼化ジルコニウム、硼化バナジウム、硼化ニオブ、硼化タンタル、硼化クロム、硼化モリブデン、硼化タングステンなどの硼化物、あるいはこれらの混合物や多元系の固溶体、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸リチウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸アルミニウム、ＰＺＴ、ＰＬＺＴなどの圧電性・焦電性セラミックス、サイアロン、サーメットなどの高靭性セラミックス、水酸化アパタイト、燐酸カルシウムなどの生体適合性セラミックスなどが挙げられる。
【００１６】
ここで、本発明を理解する上で重要となる語句の解釈を以下に行う。
（物理吸着水）
一般に微粒子に吸着している水分を大きく分けると物理吸着水と化学吸着水に分けられるが、本件においては２４０℃以下の温度で微粒子表面より離脱する、微粒子表面付近に物理的引力で拘束されている水分子のことを物理吸着水と呼ぶ。エアロゾルデポジション法で構造物を形成させる際に、微粒子同士の凝集を引き起こし、それゆえエアロゾルの発生が不安定になったり、構造物をエッチングさせるなど、構造物形成速度が低下する原因であると考えられる。
（化学吸着水）
一般に化学吸着水とは、微粒子の表面水酸基、及び微粒子の表面水酸基や酸素原子と水素結合により強固に結合している水分子を指すが、本件においては微粒子に吸着している水分のうち、１８０℃以上で微粒子表面より離脱する水分のことを示す。
（アンカー）
本件の場合には、基材と構造物の界面に形成された凹凸を指し、特に、予め基材に凹凸を形成させるのではなく、構造物形成時に、元の基材の表面精度を変化させて形成される凹凸のことを指す。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明における複合構造物の作製方法の一実施形態について述べる。
サブミクロン粒径の脆性材料微粒子の吸着水を飽和させた後に物理吸着水を除去することで、化学吸着水の割合を大幅に増加させた微粒子を予め準備して、この微粒子を用いてエアロゾルデポジション法により基板上に脆性材料構造物を形成させた。図１に使用したエアロゾルデポジション法の装置図を示す。
【００１８】
図１では、複合構造物作製装置１０は、窒素ガスボンベ１０１が、搬送管１０２を介してエアロゾル発生器１０３に接続され、その下流側に解砕器１０４が、さらに下流側に分級器１０５が設置されている。これらを通じている搬送管１０２の先に構造物形成室１０６内に設置されたノズル１０７が配置される。
ノズル１０７の開口の先には基板１０８がＸＹステージ１０９に取り付けられて設置されている。構造物形成室１０６は真空ポンプ１１０に接続されている。エアロゾル発生器１０３は前記脆性材料微粒子粉体１０３ａを内蔵している。
【００１９】
以上の構成からなる複合構造物作製装置１０の作用を次に述べる。予め図示しない歪付与装置である遊星ミルにて粉砕することにより、前記脆性材料微粒子粉体１０３ｂを準備し、これをエアロゾル発生器１０３内に充填する。窒素ガスボンベ１０１より搬送管１０２を通じて脆性材料微粒子粉体を装填したエアロゾル発生器１０３内に窒素ガスを導入し、エアロゾル発生器１０３を作動させて脆性材料微粒子を含むエアロゾルを発生させる。エアロゾル中の微粒子は凝集しており、おおよそ１００μｍの二次粒子を形成しているが、これを搬送管１０２を通じて解砕器１０４に導入して一次粒子を多く含むエアロゾルに変換する。
【００２０】
その後分級器１０５に導入して、解砕器１０４では解砕しきれずにエアロゾル中にまだ存在している粗大な二次粒子を除去してさらに一次粒子リッチなエアロゾルに変換し、導出する。その後構造物形成室１０６内に設置されたノズル１０７から高速で基板１０８に向けて噴射させる。ノズル１０７の先に設置された基板１０８にエアロゾルを衝突させつつ、基板１０８をＸＹステージ１０９により揺動させて、基板１０８上の一定面積に薄膜の構造物を形成させた。構造物形成室１０６は真空ポンプ１１０により１ｋＰａ以下の減圧環境下に置かれる。
【００２１】
なお、上述する構造物形成工程のうち、エアロゾル発生器１０３、解砕器１０４、分級器１０５は別体でもよいし、一体でもよい。解砕器の性能が十分であれば分級器は必要ない。
【００２２】
脆性材料微粒子の種類は一種類に限らず、いくつも混合させることは容易である。使用するガスも窒素ガスに限らず、アルゴン、ヘリウムなど任意である。
【００２３】
次に本発明における複合構造物作製方法の別の一実施形態について述べる。
図２は複合構造物作製装置２０を示す図であり、ヘリウムガスボンベ２０１が、搬送管２０２を介してエアロゾル発生器２０３に接続され、その下流側に解砕器２０４が、さらに下流側に分級器２０５が設置されている。これらを通じている搬送管２０２の先に構造物形成室２０６内に設置されたノズル２０７が配置される。ノズル２０７の開口の先には基板２０８がＸＹステージ２０９に取り付けられて設置されている。構造物形成室２０６は真空ポンプ２１０に接続されている。エアロゾル発生器２０３の上流にバルブ２１１を介して微粒子内蔵容器２１２が接続されており、脆性材料微粒子２１２ａを内蔵している。微粒子内臓容器２１２は真空ポンプ２１３に接続されており、内部にはヒーター２１４が取り付けられている。
【００２４】
以上の構成からなる複合構造物作製装置２０の作用を次に述べる。予め図示しない歪付与装置である遊星ミルにて粉砕することにより、十分に水分を吸着した前記脆性材料微粒子粉体２１２ｂを準備し、これを微粒子内蔵容器２１２内に充填する。ここで、十分に水分を吸着した粉体は真空ポンプ２１３を作動させて発生する水蒸気を系外に排出するようにしてヒーター２１４で加熱し乾燥することで物理吸着水を除去される。乾燥した粉体はバルブ２１１を開くことにより、そのまま連結されたエアロゾル発生器２０３に導入されるので物理吸着水が再付着することはない。
【００２５】
ヘリウムガスボンベ２０１より搬送管２０２を通じてエアロゾル発生器２０３内にヘリウムガスを導入し、エアロゾル発生器２０３を作動させて脆性材料微粒子を含むエアロゾルを発生させる。エアロゾル中の微粒子は凝集しており、おおよそ１００μｍの二次粒子を形成しているが、これを搬送管２０２を通じて解砕器２０４に導入して一次粒子を多く含むエアロゾルに変換する。
【００２６】
その後分級器２０５に導入して、解砕器２０４では解砕しきれずにエアロゾル中にまだ存在している粗大な二次粒子を除去してさらに一次粒子リッチなエアロゾルに変換し、導出する。その後構造物形成室２０６内に設置されたノズル２０７から高速で基板２０８に向けて噴射させる。ノズル２０７の先に設置された基板２０８にエアロゾルを衝突させつつ、基板２０８をＸＹステージ２０９により揺動させて、基板２０８上の一定面積に薄膜の構造物を形成させた。構造物形成室２０６は真空ポンプ２１０により１ｋＰａ以下の減圧環境下に置かれる。
【００２７】
なお、上述する構造物形成工程のうち、エアロゾル発生器２０３、解砕器２０４、分級器２０５、微粒子内蔵容器２１２は別体でもよいし、一体でもよい。解砕器の性能が十分であれば分級器は必要ない。また、必要に応じて微粒子内蔵容器２１２の下流に解砕器をつけてもよい。
【００２８】
脆性材料微粒子の種類は一種類に限らず、いくつも混合させることは容易である。使用するガスもヘリウムガスに限らず、アルゴン、窒素など任意である。
【００２９】
（実施例１）
まず、脆性材料微粒子として何も処理や操作を行っていない状態の純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａを準備し、この微粒子の吸着水をリガク製昇温脱離ガス分析装置ＴＰＤにより測定した。
図３は温度とピーク強度の関係のデータであり、温度上昇に対して脱離する水分子を定量的にあらわしている。左側の極大を１８０℃にもつ山が物理吸着水の脱離の様子を示しており、右側の３７０℃に極大をもつ山が化学吸着水の脱離の様子を示している。
このデータを波形分離したところ、酸化アルミニウムＡに吸着している物理吸着水は２４０℃でほぼ完全に脱離することがわかった。また、化学吸着水は１８０℃から脱離しはじめることがわかった。その結果、１８０℃で乾燥することにより、物理吸着水が若干存在するが化学吸着水がほとんど脱離していない微粒子を調製でき、２４０℃で乾燥することにより物理吸着水がほとんど存在しない微粒子が調製できることがわかった。
【００３０】
（実施例２）
純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａ２００ｇに水１５０ｇを徐々に加えながら、ダマが完全になくなるまで十分に撹拌しスラリーを調製した。
次にこのスラリーを１８０℃で１２時間乾燥させ、乾燥させたものを乳鉢で解砕後ふるいを通し、さらに１８０℃で１２時間乾燥させることで粉体Ａ１を調製した。このようにして調製した粉体を図１に相当する複合構造物作製装置のエアロゾル発生器に１００ｇ装填し、搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約４．５μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３１】
（実施例３）
純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａ２００ｇに遊星ミルを用いて内部歪を付与し、水１５０ｇを徐々に加えながら、ダマが完全になくなるまで十分に撹拌しスラリーを調製した。
次にこのスラリーを１８０℃で１２時間乾燥させ、乾燥させたものを乳鉢で解砕後ふるいを通し、さらに１８０℃で１２時間乾燥させることで粉体Ａ２を調製した。
このようにして調製した粉体を図１に相当する複合構造物作製装置のエアロゾル発生器に１００ｇ装填し、搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約２２μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３２】
（実施例４）
純度９９．９９％平均粒径０．２μｍの酸化アルミニウム微粒子Ｂ２００ｇに水２００ｇを徐々に加えながら、ダマが完全になくなるまで十分に撹拌しスラリーを調製した。
次にこのスラリーを１８０℃で１２時間乾燥させ、乾燥させたものを乳鉢で解砕後ふるいを通し、さらに１８０℃で１２時間乾燥させることで粉体Ｂ１を調製した。
このようにして調製した粉体を図１に相当する複合構造物作製装置のエアロゾル発生器に１００ｇ装填し、搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約２６μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３３】
（実施例５）
純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａ２００ｇに遊星ミルを用いて内部歪を付与し、湿度１００％、２５℃の恒温恒湿槽に１２時間静置し粉体Ａ３を調製した。
このようにして調製した粉体を図２に相当する複合構造物作製装置の微粒子内蔵容器に１００ｇ装填し、ヒーターにより粉体を３５０℃で１２時間加熱した。このとき発生する水蒸気は真空ポンプにより系外に除去した。粉体を加熱乾燥後、減圧のままエアロゾル発生器に移した。その後搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約４０μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３４】
（比較例１）
比較のために純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａ２００ｇを１８０℃で１２時間乾燥させた粉体ａ１を調製した。
このようにして調製した粉体を図１に相当する複合構造物作製装置のエアロゾル発生器に１００ｇ装填し、搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約２μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３５】
（比較例２）
比較のために純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａ２００ｇに遊星ミルを用いて実施例３と同条件で内部歪を付与し、その後１８０℃で１２時間乾燥させた粉体ａ２を調製した。
このようにして調製した粉体を図１に相当する複合構造物作製装置のエアロゾル発生器に１００ｇ装填し、搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約１０μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３６】
（比較例３）
比較のために純度９９．９９％平均粒径０．２μｍの酸化アルミニウム微粒子Ｂ２００ｇを１８０℃で１２時間乾燥させた粉体ｂ２を調製した。
このようにして調製した粉体を図１に相当する複合構造物作製装置のエアロゾル発生器に１００ｇ装填し、搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約１２μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３７】
（比較例４）
比較のために純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａ２００ｇに遊星ミルを用いて実施例５と同じ条件で内部歪を付与した粉体ａ３を調製した。
このようにして調製した粉体を図２に相当する複合構造物作製装置の微粒子内蔵容器に１００ｇ装填し、ヒーターにより粉体を１８０℃で１２時間加熱した。このとき発生する水蒸気は真空ポンプにより系外に除去した。粉体を加熱乾燥後、減圧のままエアロゾル発生器に移した。その後搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約２０μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３８】
（比較例５）
比較のために純度９９．８％平均粒径０．６μｍの酸化アルミニウム微粒子Ａ２００ｇに遊星ミルを用いて実施例５と同じ条件で内部歪を付与した粉体ａ３を調製した。
このようにして調製した粉体を図２に相当する複合構造物作製装置の微粒子内蔵容器に１００ｇ装填し、ヒーターにより粉体を３５０℃で１２時間加熱した。このとき発生する水蒸気は真空ポンプにより系外に除去した。粉体を加熱乾燥後、減圧のままエアロゾル発生器に移した。その後搬送ガスを窒素７ｌ／ｍｉｎ．として、真鍮基板上に形成面積１７×１０ｍｍ、形成高さ約１０μｍの複合構造物を１０分間で形成した。このときの構造物形成室の圧力は０．２ｋＰａであった。
形成した複合構造物の硬度は島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−Ｗ２０１を用いて測定した。また、構造物の形成高さはアルバック製触針式表面形状測定器Ｄｅｋｔａｋ３０３０を用いて測定した。
【００３９】
【表１】
表１より、本発明に係る複合構造物作製方法で調製した微粒子を用いて構造物を形成させた場合のほうが、いずれの実施例においても比較例よりも２倍以上の構造物の形成高さとなっている。すなわち構造物の形成速度が２倍以上に向上した。ビッカース硬度は実施例と比較例において同程度であることから、形成速度が向上しても形成された構造物の物性や緻密さ、機能は同程度と考えられる。また、使用した微粒子の量や構造物形成時間、搬送ガス、エアロゾルの濃度などの条件は同じであることから、比較例よりも微粒子の利用効率が向上し、省エネルギー、省コストの効果があることがわかった。
【００４１】
比較例５は、粉体の乾燥温度を３５０℃にその他の条件は比較例４と同じにすることで、微粒子から物理吸着水だけでなく化学吸着水もできるだけ除去した場合の実験例である。その結果、微粒子の化学吸着水を減少させることで構造物の形成速度が大幅に低下していることから構造物の形成の際に化学吸着水を増加する効果は大きいと考えられる。また、微粒子から物理吸着水及び化学吸着水を除去しても構造物の形成は可能であることから、構造物の形成の際に、微粒子が破砕・変形することにより新生面を形成し、常温接合により構造物を形成している割合が大きいと考えられる。一連の実験より、構造物の形成メカニズムにおいて、一部の微粒子は基材に衝突した際に破砕・変形により新生面を形成して接合により構造物を形成し、一部の微粒子は化学吸着水すなわち表面水酸基を介したメカノケミカル反応による複合化により構造物を形成していると考えられる。
【００４２】
【発明の効果】
上述のように本発明に係る複合構造物作製方法は、微粒子の吸着水を飽和させた後に物理吸着水を除去し、化学吸着水の割合を大幅に増加させた微粒子を調製し、この微粒子を用いることで、エアロゾルデポジション法により構造物を従来の２倍以上の速度で形成させることが可能になる。また、使用する微粒子の量や構造物形成時間、搬送ガスなどの条件は同じであることから、従来よりも微粒子の利用効率が向上し、省エネルギー、省コストの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】エアロゾルデポジション法による複合構造物作製装置の概略図
【図２】エアロゾルデポジション法による複合構造物作製装置の概略図
【図３】昇温脱離ガス装置による粉体の分析結果
【符号の説明】
１０…複合構造物作製装置、１０１…窒素ガスボンベ、１０２…搬送管、１０３…エアロゾル発生器、１０３ａ…微粒子粉体、１０４…解砕器、１０５…分級器、１０６…構造物形成室、１０７…ノズル、１０８…基板、１０９…ＸＹステージ、１１０…真空ポンプ。
２０…複合構造物作製装置、２０１…ヘリウムガスボンベ、２０２…搬送管、２０３…エアロゾル発生器、２０４…解砕器、２０５…分級器、２０６…構造物形成室、２０７…ノズル、２０８…基板、２０９…ＸＹステージ、２１０…真空ポンプ、２１１…バルブ、２１２…微粒子内臓容器、２１２ａ…微粒子粉体、２１３…真空ポンプ、２１４…ヒーター。
Claims (7)
- 脆性材料微粒子に水分を吸着させる工程と、次いでこの脆性材料微粒子に吸着した水分のうち物理吸着水を除去する工程と、次いでこの脆性材料微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けて噴射して衝突させ、この衝突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上に形成させる工程とからなることを特徴とする複合構造物の作製方法。
- 前記脆性材料微粒子に水分を吸着させる工程が、微粒子を水溶媒に浸漬させる工程、もしくは微粒子に水を加える工程であることを特徴とする請求項１に記載の複合構造物の作製方法。
- 前記微粒子の物理吸着水を除去する工程が、１００℃以上２４０℃以下で乾燥させる工程であることを特徴とする請求項１に記載の複合構造物作製方法。
- 脆性材料微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、基材に向けて噴射して衝突させ、この衝突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上に形成させる複合構造物形成方法で用いられる脆性材料微粒子であって、この脆性材料微粒子は一旦強制的に水分を吸着せしめた後に物理吸着水が除去されていることを特徴とする脆性材料微粒子。
- 請求項４に記載の脆性材料微粒子において、前記水分の強制的吸着は、微粒子を水溶媒に浸漬させるか微粒子への水の添加であることを特徴とする脆性材料微粒子。
- 請求項４に記載の脆性材料微粒子において、前記物理吸着水の除去は、１００℃以上２４０℃以下で乾燥させることを特徴とする脆性材料微粒子。
- 脆性材料微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、基材に向けて噴射して衝突させ、この衝突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上に形成させる複合構造物形成法で用いられる複合構造物形成装置であって、水分を吸着させた脆性材料微粒子を内蔵させ１００℃以上２４０℃以下にてこの脆性材料微粒子を加熱する加熱手段を有する微粒子内蔵容器と、この微粒子内蔵容器と連結しこの内部から水分を排除する排気手段と、前記微粒子内蔵容器と連結しここから輸送される前記脆性材料微粒子と乾燥ガスとを混合したエアロゾルを発生させるエアロゾル発生器と、前記微粒子内蔵容器と前記エアロゾル発生器との前記連結部を開閉するバルブとを有することを特徴とする複合構造物形成装置。
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