JP2005076104A - Manufacturing device of composite structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基板に吹き付け、微粒子の構成材料からなる構造物を基板上に形成させる複合構造物作製装置に関する。 The present invention relates to a composite structure manufacturing apparatus in which an aerosol in which fine particles of a brittle material are dispersed in a gas is sprayed onto a substrate to form a structure made of the constituent material of the fine particles on the substrate.
基材表面に脆性材料の構造物を形成させる方法として、エアロゾルデポジション法と呼ばれる手法が認知されている。これは脆性材料などの微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから基材に向けて噴射し、金属やガラス、セラミックスやプラスチックなどの基材に微粒子を衝突させ、この衝突の衝撃により脆性材料微粒子を変形や破砕を起させしめてこれらを接合させ、基材上に微粒子の構成材料からなる構造物をダイレクトで形成させることを特徴としており、特に加熱手段を必要としない常温で構造物が形成可能であり、焼成体同等の機械的強度を保有する構造物を得ることができる。この方法に用いられる装置は、基本的にエアロゾルを発生させるエアロゾル発生器と、エアロゾルを基材に向けて噴射するノズルとからなり、ノズルの開口よりも大きな面積で構造物を作製する場合には、基材とノズルを相対的に移動・揺動させる位置制御手段を有し、減圧下で作製を行う場合には構造物を形成させるチャンバーと真空ポンプを有し、またエアロゾルを発生させるためのガス発生源を有することが一般的である。 As a method for forming a brittle material structure on the surface of a substrate, a technique called an aerosol deposition method has been recognized. This is because an aerosol in which fine particles such as brittle materials are dispersed in a gas is sprayed from the nozzle toward the base material, and the fine particles collide with the base material such as metal, glass, ceramics, and plastic. It is characterized in that the fine particles are deformed and crushed and joined together to directly form the structure made of the constituent material of the fine particles on the base material, and the structure can be formed at room temperature that does not particularly require heating means. It is possible to obtain a structure having mechanical strength equivalent to that of the fired body. The apparatus used in this method basically consists of an aerosol generator for generating aerosol and a nozzle for injecting the aerosol toward the base material. When a structure is produced with a larger area than the opening of the nozzle, In addition, it has a position control means that moves and swings the base material and the nozzle relative to each other, and has a chamber and a vacuum pump for forming a structure when producing under reduced pressure, and also generates aerosol It is common to have a gas source.
エアロゾルデポジション法のプロセス温度は常温であり、微粒子材料の融点より十分に低い温度、すなわち数百℃以下で構造物形成が行われるところにひとつの特徴がある。 The process temperature of the aerosol deposition method is room temperature, and one feature is that the structure is formed at a temperature sufficiently lower than the melting point of the particulate material, that is, several hundred degrees C. or less.
また使用される微粒子はセラミックスや半導体などの脆性材料を主体とし、同一材質の微粒子を単独であるいは混合させて用いることができるほか、異種の脆性材料微粒子を混合させたり、複合させて用いることが可能である。また一部金属材料や有機物材料などを脆性材料微粒子に混合させたり、脆性材料微粒子表面にコーティングさせて用いることも可能である。これらの場合でも構造物形成の主となるものは脆性材料である。 In addition, the fine particles used are mainly brittle materials such as ceramics and semiconductors, and fine particles of the same material can be used alone or mixed, and different fine particles of brittle material can be mixed or used in combination. Is possible. Further, it is also possible to mix a part of a metal material or an organic material with brittle material fine particles or to coat the surface of brittle material fine particles. Even in these cases, the main component of structure formation is a brittle material.
この手法によって形成される構造物において、結晶性の脆性材料微粒子を原料として用いる場合、構造物の脆性材料部分は、その結晶子サイズが原料微粒子のそれに比べて小さい多結晶体であり、その結晶は実質的に結晶配向性がない場合が多く、脆性材料結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在しないと言え、さらに構造物の一部は基材表面に食い込むアンカー層を形成することが多いという特徴がある。 In the structure formed by this method, when crystalline brittle material fine particles are used as a raw material, the brittle material portion of the structure is a polycrystalline body whose crystallite size is smaller than that of the raw material fine particles, and the crystal In many cases, there is substantially no crystal orientation, and it can be said that there is substantially no grain boundary layer consisting of a glass layer at the interface between brittle material crystals, and a part of the structure is an anchor that bites into the substrate surface It is characterized by often forming a layer.
この方法により形成される構造物は、微粒子同士が圧力によりパッキングされ、物理的な付着で形態を保っている状態のいわゆる圧粉体とは明らかに異なり、十分な強度を保有している。 The structure formed by this method clearly has a sufficient strength unlike a so-called green compact in which fine particles are packed by pressure and keeps a form by physical adhesion.
この構造物形成において、脆性材料微粒子が破砕・変形を起していることは、原料として用いる脆性材料微粒子および形成された脆性材料構造物の結晶子サイズをX線回折法で測定することにより判断できる。すなわちエアロゾルデポジション法で形成される構造物の結晶子サイズは、原料微粒子の結晶子サイズよりも小さくなっていることに大きな特徴がある。微粒子が破砕や変形をすることで形成されるずれ面や破面には、もともと内部に存在し別の原子と結合していた原子が剥き出しの状態となった新生面が形成される。この表面エネルギーが高い活性な新生面が、隣接した脆性材料表面や同じく隣接した脆性材料の新生面あるいは基板表面と接合することにより構造物が形成されるものと考えられる。また微粒子の表面に水酸基が程よく存在する場合では、微粒子の衝突時に微粒子同士や微粒子と構造物との間に生じる局部のずり応力により、メカノケミカルな酸塩基脱水反応が起き、これら同士が接合するということも考えられる。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、これらの現象を継続的に発生させ、微粒子の変形、破砕などの繰り返しにより接合の進展、緻密化が行われ、脆性材料構造物が成長するものと考えられる。 In this structure formation, the brittle material fine particles are crushed and deformed by measuring the brittle material fine particles used as raw materials and the crystallite size of the formed brittle material structure by X-ray diffraction. it can. That is, the crystallite size of the structure formed by the aerosol deposition method is greatly characterized by being smaller than the crystallite size of the raw material fine particles. A new surface in which atoms originally present inside and bonded to other atoms are exposed is formed on the slip surface or fracture surface formed by crushing or deforming fine particles. This active new surface having a high surface energy is considered to be formed by joining the surface of the adjacent brittle material, the new surface of the adjacent brittle material, or the substrate surface. In addition, when hydroxyl groups are present on the surface of the fine particles moderately, a mechanochemical acid-base dehydration reaction occurs due to local shear stress generated between the fine particles and between the fine particles and the structure when the fine particles collide with each other. It can be considered. The addition of continuous mechanical impact force from the outside causes these phenomena to occur continuously, and the progress and densification of joints are performed by repeated deformation and crushing of fine particles, and brittle material structures grow. it is conceivable that.
本件で使用する語句の説明を以下に行う。
本発明において微粒子とは、一次粒子が緻密質粒子である場合は、粒度分布測定や走査型電子顕微鏡で同定される平均粒径が5μm以下であるものを言う。また一次粒子が衝撃によって破砕しやすい多孔質粒子である場合は、平均粒径が50μm以下であるものを言う。
The words used in this case are explained below.
In the present invention, the fine particles are those having an average particle size of 5 μm or less identified by particle size distribution measurement or a scanning electron microscope when the primary particles are dense particles. When the primary particles are porous particles that are easily crushed by impact, the average particle size is 50 μm or less.
本発明においてエアロゾルとは、ヘリウム、窒素、アルゴン、酸素、乾燥空気、これらの混合ガスなどのガス中に前述の微粒子を分散させたものであり、一次粒子が分散している状態が望ましいが、通常はこの一次粒子が凝集した凝集粒を含む。エアロゾルのガス圧力と温度は任意であるが、ガス中の微粒子の濃度は、ガス圧を1気圧、温度を20℃と換算した場合に、0.0003mL/L〜0.06mL/Lの範囲内であることが構造物の形成にとって望ましい。 In the present invention, the aerosol is a dispersion of the aforementioned fine particles in a gas such as helium, nitrogen, argon, oxygen, dry air, or a mixed gas thereof, and it is desirable that the primary particles are dispersed, Usually, the primary particles include aggregated particles. The gas pressure and temperature of the aerosol are arbitrary, but the concentration of fine particles in the gas is within the range of 0.0003 mL / L to 0.06 mL / L when the gas pressure is converted to 1 atm and the temperature is converted to 20 ° C. It is desirable for the formation of the structure.
本発明においてノズルとは、エアロゾルが通過する空間を持つノズル本体と、エアロゾルを導入するための導入開口と、エアロゾルを噴射させるための導出開口を有する硬質の構成部であり、所望の構造物形態を獲得するために、ノズル本体の空間形状と、導出開口の形状に工夫を持たせて、エアロゾルを整流して噴出状態を制御するものである。 In the present invention, the nozzle is a hard component having a nozzle body having a space through which an aerosol passes, an introduction opening for introducing the aerosol, and a lead-out opening for injecting the aerosol. In order to acquire the above, the shape of the space of the nozzle body and the shape of the outlet opening are devised to rectify the aerosol and control the ejection state.
エアロゾルデポジション法は、エアロゾル中の微粒子の利用効率が悪く、ノズルから噴射された微粒子のうち構造物となるものは実質的に1%以下である場合が多く、構造物形成に寄与しなかった微粒子の一部は、基板や基板上の構造物に凝集粉として付着する。この凝集粉が構造物形成の障害物となり、構造物に欠陥が発生する要因になっていた。 The aerosol deposition method has poor utilization efficiency of the fine particles in the aerosol, and the fine particles ejected from the nozzle often have a structure of substantially 1% or less, and did not contribute to the formation of the structure. Part of the fine particles adheres to the substrate or the structure on the substrate as agglomerated powder. This agglomerated powder became an obstacle to structure formation, and was a factor in causing defects in the structure.
この基板に付着した凝集粉を除去するために、付着粒子除去ブレードを基板の移動経路に沿って配設することが提案されている。ただしブレードの材質として硬質ゴムや金属板を用いたのでは、基板や基板上の構造物に付着した凝集粉を取り除くには不十分で、最悪の場合は構造物に機械的ダメージを与えたりすることがあった。(例えば、特許文献1参照。)。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、本発明の課題は、構造物作製時に基板や基板上の構造物に付着した凝集粉を除去することにより、欠陥のない良好な構造物を作製することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. The object of the present invention is to remove agglomerated powder adhering to a substrate or a structure on the substrate at the time of manufacturing the structure, thereby providing a good structure without defects. It is to make a thing.
上記目的を達成するため発明は、脆性材料の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ノズルより噴射して、前記エアロゾルを前記基板表面に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる複合構造物作製装置において、前記基板および基板上の構造物に付着し、かつ構造物形成に寄与しなかった凝集粉を除去するための除去手段を備えたことを特徴とする。
これにより欠陥のない良好な構造物を作製することを可能とした。
In order to achieve the above object, the present invention is directed to spraying an aerosol in which fine particles of a brittle material are dispersed in a gas toward a base material from a nozzle, causing the aerosol to collide with the substrate surface, and the fine particles by impact of the collision. In the composite structure manufacturing apparatus for forming the structure made of the constituent material of the fine particles on the base material by crushing, deforming and joining, the substrate adheres to the substrate and the structure on the substrate, and forms the structure. A removal means for removing the agglomerated powder that has not contributed is provided.
This made it possible to produce a good structure without defects.
また、本発明の好ましい態様として、前記除去手段が前記基板に向けてエアーを吹付けるエアーブロー装置であることを特徴とする。
これにより付着した凝集粉を吹き飛ばす一方、エアーカーテンにより凝集粉を付着し難くし欠陥のない良好な構造物を作製することを可能とした。
In a preferred aspect of the present invention, the removing means is an air blowing device that blows air toward the substrate.
As a result, the agglomerated powder adhering to the surface was blown off, while the air curtain made it difficult to adhere the agglomerated powder, and it was possible to produce a good structure without defects.
また、本発明の好ましい態様として、前記除去手段が前記基板表面をこするブラシであることを特徴とする。
これによりブラシが凝集粉に直接接触し凝集粉を確実に除去するため欠陥のない良好な構造物を作製することを可能とした。
In a preferred aspect of the present invention, the removing means is a brush that rubs the substrate surface.
As a result, the brush directly contacts the agglomerated powder and reliably removes the agglomerated powder, making it possible to produce a good structure without defects.
また、本発明の好ましい態様として、前記除去手段が前記基板を振動させる基板振動手段であることを特徴とする。
これにより、凝集粉の付着が基板へ付着い難くし、また付着した凝集粉を除去し欠陥のない良好な構造物を作製することを可能とした。
In a preferred aspect of the present invention, the removing unit is a substrate vibrating unit that vibrates the substrate.
This makes it difficult for the agglomerated powder to adhere to the substrate, and it is possible to remove the adhering agglomerated powder and produce a good structure without defects.
また、本発明では、構造物形成に寄与しなかった前記基板および基板上の構造物に付着した凝集粉を除去するためにエアーブロー装置、ブラシ、基板振動手段の内の2つ以上を備えたことを特徴とする。
複合構造物作製装置であり、これにより欠陥のない良好な構造物を作製することを可能とした。
Further, in the present invention, two or more of an air blowing device, a brush, and a substrate vibrating means are provided to remove the agglomerated powder adhering to the substrate and the structure on the substrate that did not contribute to the structure formation. It is characterized by that.
This is a composite structure manufacturing apparatus, which makes it possible to manufacture a good structure without defects.
また、本発明の作製方法として、脆性材料の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ノズルより噴射して、前記エアロゾルを前記基板表面に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、前記微粒子の構成材料からなる構造物を前記基材上に形成させる複合構造物作製方法において、前記ノズルからエアロゾルを噴射するのに合わせて、前記基板または基板上の構造物にエアーを吹付けるか、またはブラシを当接させるか、または基板を振動させる内の1つ以上を施し、構造物形成に寄与しなかった前記基板または構造物に付着した凝集粉を除去しながら複合構造物を作製することを特徴とする。
これにより欠陥のない良好な構造物を作製する作製方法が提供できる。
Further, as a manufacturing method of the present invention, an aerosol in which fine particles of a brittle material are dispersed in a gas is sprayed from a nozzle toward a base material, and the aerosol is caused to collide with the substrate surface. In the composite structure manufacturing method in which a structure made of the constituent material of the fine particles is formed on the base material by crushing, deforming and joining, in accordance with the spraying of aerosol from the nozzle, Air or air is applied to the structure of the substrate, or one or more of vibrating the substrate is applied, and the aggregated powder adhering to the substrate or the structure that has not contributed to the formation of the structure is obtained. A composite structure is produced while removing.
Thus, a manufacturing method for manufacturing a good structure without defects can be provided.
本発明によれば、欠陥のない良好な構造物作製を可能にする効果がある。 According to the present invention, there is an effect that enables a good structure without defects to be manufactured.
まず、図15にエアロゾルデポジション法を用いた構造物作製装置の一般的な概要を示す。構造物190を作製される基板180は、前後左右(XY)に制動できるXYステージ170に固定され、真空チャンバー110内に設置される。ガスボンベ130から搬送管を介して送られた搬送ガスは、エアロゾル発生器140を通過し、ノズル150からエアロゾルビーム160として噴射され、基板180上に構造物190を作製する。
First, FIG. 15 shows a general outline of a structure manufacturing apparatus using the aerosol deposition method. The
図13に構造物190の周辺部詳細図を、その側面図を図14に示す。基板180および構造物190に付着する凝集粉は、大きく分けて二つある。ひとつは基板180および構造物190上のノズル間に付着する凝集粉200と、もうひとつは図13で記載した矢印の方向にXYステージ170が移動する際に、基板180および構造物190上のノズル後方に付着した凝集粉210である。これら凝集粉が、構造物190に取り込まれることにより構造物190の内部および表面に欠陥を発生させる要因になっている。
FIG. 13 is a detailed view of the periphery of the
本発明にかかる実施例1の詳細図を図1に、その側面図を図2に示す。エアロゾルビーム160を噴射する複数のノズル150の間に、ブローノズル220を設置し、ブローガス230を噴射させる。ブローガス230とは、エアロゾル粒子を含まないガスを指す。このブローガス230により、ノズル間に付着した凝集粉200は除去される。これは、ブローガス230による吹き飛ばし効果と、エアーカーテン効果の両方が想定される。
A detailed view of the first embodiment according to the present invention is shown in FIG. 1, and a side view thereof is shown in FIG. A
本発明にかかる実施例2の詳細図を図3に、その側面図を図4に示す。エアロゾルビーム160を噴射するノズル150の後方に、フラットな形状のブローノズル220を設置し、ブローガス230を全面噴射させる。このブローガス230により、ノズル間に付着した凝集粉200およびノズル後方に付着した凝集粉210は除去される。これは、ブローガス230による吹き飛ばし効果と、エアーカーテン効果の両方が想定される。
A detailed view of the second embodiment according to the present invention is shown in FIG. 3, and a side view thereof is shown in FIG. A
本発明にかかる実施例3の詳細図を図5に、その側面図を図6に示す。エアロゾルビーム160を噴射するノズル150の後方に、歯ブラシ状のブラシ240を設置する。このブラシ240により、ノズル間に付着した凝集粉200およびノズル後方に付着した凝集粉210は除去される。ブラシ240の材質としては、金属などの硬質なものでなくプラスチックや繊維、豚毛などの軟らかいものが、構造物190にダメージを与えることが無く好適である。
FIG. 5 is a detailed view of the third embodiment according to the present invention, and FIG. 6 is a side view thereof. A toothbrush-
本発明にかかる実施例4の詳細図を図7に、その側面図を図8に示す。エアロゾルビーム160を噴射するノズル150の後方に、回転ブラシ250を設置する。この回転ブラシ250により、ノズル間に付着した凝集粉200およびノズル後方に付着した凝集粉210は除去される。回転ブラシ250は、自転しながら、かつ構造物の表面を移動するようにするのが好適である。回転ブラシ250の材質としては、実施例3と同様に、金属などの硬質なものでなくプラスチックや繊維、豚毛などの軟らかいものが、構造物190にダメージを与えることが無く好適である。のが自転の材質としては、金属などの硬質なものでなくプラスチックや繊維、豚毛などの軟らかいものが、構造物190にダメージを与えることが無く好適である。
FIG. 7 is a detailed view of a fourth embodiment according to the present invention, and FIG. 8 is a side view thereof. A
本発明にかかる実施例5の詳細図を図9に、その側面図を図10に示す。基板180に振動装置260を設置する。この振動装置260により、ノズル間に付着した凝集粉200およびノズル後方に付着した凝集粉210は除去される。振動装置260は、超音波振動子や低周波振動子、ノッキング装置など、基板180に振動を与えるものであれば特に機構は問わない。
A detailed view of the fifth embodiment according to the present invention is shown in FIG. 9, and a side view thereof is shown in FIG. The
本発明にかかる実施例6の詳細図を図11に、その側面図を図12に示す。エアロゾルビーム160を噴射するノズル150の後方に、フラットな形状のブローノズル220を設置し、ブローガス230を全面噴射させ、かつ、基板180に振動装置260を設置する。このブローガス230および振動装置260により、ノズル間に付着した凝集粉200およびノズル後方に付着した凝集粉210は、より効果的に除去される。
FIG. 11 is a detailed view of a sixth embodiment according to the present invention, and FIG. 12 is a side view thereof. A
本発明は、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基板に吹き付け、微粒子の構成材料からなる構造物を基板上に形成させる複合構造物作製方法(および装置ならびに微粒子)に関する。 The present invention relates to a composite structure manufacturing method (and apparatus and fine particles) in which an aerosol in which fine particles of a brittle material are dispersed in a gas is sprayed on a substrate to form a structure made of a constituent material of the fine particles on the substrate.
110…真空チャンバー
120…真空ポンプ
130…ガスボンベ
140…エアロゾル発生器
150…ノズル
160…エアロゾルビーム
170…XYステージ
180…基板
190…構造物
200…ノズル間に付着した凝集粉
210…ノズル後方に付着した凝集粉
220…ブローノズル
230…ブローガス
240…ブラシ
250…回転ブラシ
260…振動装置
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記ノズルからエアロゾルを噴射するのに合わせて、前記基板または基板上の構造物にエアーを吹付けるか、またはブラシを当接させるか、または基板を振動させる内の1つ以上を施し、構造物形成に寄与しなかった前記基板または構造物に付着した凝集粉を除去しながら複合構造物を作製することを特徴とする複合構造物作製方法。
An aerosol in which fine particles of a brittle material are dispersed in a gas is sprayed from a nozzle toward a base material, the aerosol is made to collide with the substrate surface, and the fine particles are crushed and deformed by the impact of the collision, and joined. In the composite structure manufacturing method of forming a structure made of the constituent material of the fine particles on the base material,
As the aerosol is ejected from the nozzle, air is blown on the substrate or a structure on the substrate, or a brush is brought into contact with the substrate, or the substrate is vibrated, and the structure is applied. A composite structure manufacturing method, characterized in that a composite structure is manufactured while removing aggregated powder adhering to the substrate or structure that has not contributed to formation.
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