JP2008502795A - ナノ粒子のための移送システムとその操作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は乾燥したナノ粒子（１８ｂ）のための移送システムを提供する。このシステムでは、移送するためにナノ粒子（１８ｂ）を磁化又は帯電させ、移送通路内に場発生器（２０ａ、２０ｂ）によって磁界又は電場を発生させ、その中でナノ粒子（１８ｂ）を移送通路（１２）を経て移動させる。ナノ粒子を、例えば放出開口部（１３）を通して放出することで配量が可能である。ナノ粒子（１８ｂ）の凝集又は内壁（２６）への堆積を回避するために、壁のコーティング（２７）をピエゾ駆動機構（２８）によって振動させ、その振動をナノ粒子（１８ｂ）へ伝達する。この移送システムによって、乾燥したナノ粒子の取扱いが効果的に可能になるので、ナノ粒子を懸濁液として処理する必要がない。

Description

本発明は、ナノ粒子のための移送システムに関する。乾燥したナノ粒子とは、それぞれ多数の原子又は分子から組織された、ｎｍ領域の寸法を持つ最小の粒子である。この粒子が乾燥している場合には、ナノ分散粉末を形成する。即ち、移送のためにナノ粒子用の液状のキャリア媒体は用いられない。

独国特許出願公開第１９６３２３９３号明細書から、この、所謂ナノ粉末が容易には流動せず、例えばＰＶＤ（物理蒸着）プロセスへの外部供給が問題となることが解る。従って、ナノ粉末はＰＶＤプロセスへ供給するための原料として使用できず、ＰＶＤプロセスの内部でこのナノ粒子が形成される。形成すべきナノ粒子のために、目的に適した原料をＰＶＤプロセスへ供給せねばならない。

本発明の課題は、ナノ粉末の移送が可能な、ナノ粒子のための移送システムを提供することにある。

この課題は、本発明によれば、ナノ粒子のための移送通路と磁界発生器とを有し、該磁界発生器が、移送通路内に、磁界が移送通路の推移にほぼ沿って方向付けされた力線をもって不均質に発生するように配置された、磁化され、乾燥したナノ粒子のための移送システムによって解決される。その場合に、磁化されたナノ粒子に移送通路内部の不均質な磁界によって磁界の力線に沿って方向付けされた力が、増大する磁気誘導の方向に加えられるという効果を有効に利用する。

上述した課題の代替的な解決策は、ナノ粒子のための移送通路と電界発生器とを有し、該電界発生器が、移送通路内に、電界が移送通路の推移にほぼ沿って方向付けされた力線を発生するように形成された、帯電され、乾燥したナノ粒子の移送システムである。この代替案においては、帯電したナノ粒子において、電界内のナノ粒子に力線に沿って力が作用するという効果を利用する。

本発明に基づくナノ粒子の移送システムにおいては、ナノ粒子はその質量が極めて小さいために僅かな力で移動できるので、移送システム内で移送するために、ナノ粒子の僅かな磁化ないし帯電で既に十分であるという効果を利用する。即ち、ナノ粒子は移送する際に、μｍ領域の粒子大きさを有する通常の粉末粒子の挙動から著しく外れた挙動を示すことが明らかになった。ナノ粒子は、その粒径が小さいことから、移送時イオンのような個々の電荷担体に似た挙動を示す。

本発明に基づく移送システムの一形態では、磁界発生器は、移送通路の回りに巻線として施した電気コイルで形成できる。コイルの領域で、移送通路内に均質な磁界が生じ、該磁界は移送通路内でコイルからの距離が増すにつれて弱まる。従って磁化されたナノ粒子は、コイルへ向かって加速される。電界発生器の場合には、例えばコンデンサを備える。

本発明の特別な形態においては、移送通路がナノ粒子のための放出開口部内へ連通している。それに伴い移送システムは、ノズルとしても効果的に利用でき、その場合ナノ粒子はノズルによって例えば表面上或いは容積内に均一に分配できる。放出開口部を有する移送システムは、例えばアーク蒸着のようなＰＶＤ法においても、ナノ粒子をＰＶＤ層内へ均一に組み込むために使用できる。

この移送システムは、特別な形態では、移送通路の内壁がその移送通路の推移に対して半径方向に移動可能であり、かつ駆動機構が壁面に対して垂直に内壁の移動を発生させ得るように駆動機構を備えることを特徴とする。この結果、移送通路の内壁へのナノ粒子の付着を効果的に回避し、或いは特に阻止できる。それによって電界又は磁界発生器によるナノ粒子の移送が容易になり、特に移送通路の詰まりを防止できる。従って、ナノ粒子の粒子径の３倍から５倍の、極めて小さい直径を有する通路内でも、ナノ粒子の移送を保証することができる。特に好ましくは、駆動機構は、例えば超音波領域の振動を内壁に生ずるピエゾ駆動機構によって形成される。

本発明は、更に、ナノ粒子の移送システムを駆動するための方法に関する。これに関して本発明の課題は、ナノ粒子の移送を各適用の際、最適に適合可能な、ナノ粒子の移送システムを駆動する方法を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、移送システムの移送通路内に静的な磁界又は電界を発生させ、該磁界又は電界を、ナノ粒子を連続的に移送するべき間維持する方法により解決される。これは、磁化したナノ粒子のために適切な磁界によっても、帯電したナノ粒子のために電界によっても、或いはまたナノ粒子の特性が適切である場合に、電界と磁界との重畳によっても可能である。従って磁界又は電界発生器は、それが磁界又は電界を発生している間、ナノ粒子を移送するための移送機構を提供する。

この課題の代替的な解決策では、移送通路内に脈動する磁界又は電界を発生させる方法において、パルスの調節でナノ粒子の配量を行う。クロックされる磁界又は電界の強さの時間的な変化を、配量に対する要請に応じ調節できる。時間的変化は、パルス長、パルス高、パルス間隔およびパルス形状の変化で調節できる。ナノ粒子の配量は、それらに従って、移送通路内のナノ粒子の各々時間的に制限された放出や移送により行われる。

本発明の他の詳細を、以下図面を用いて説明する。図面において同一又は相当する要素には各々同一の参照符号を付しており、かつ、各図の間で一致が得られる限りにおいて、１回だけ説明する。

図１は、移送通路１２を有する移送システム１１ａを示し、該通路は放出開口部１３内で終わっている。放出開口部の領域に、更に、電気コイル１５と電源１６からなる磁界発生器１４ａを設けている。放出開口部１３で、コイル１５を移送通路１２にリング状に巻回しており、放出開口部１３の領域の、移送通路１２の内部に均質な磁界が生じる（磁力線１７ａ）。それに対し移送通路１２の経路に沿ってコイル１５の外部に形成される磁界は図示するように不均質であり、コイルからの距離が増す程、磁気誘導は減少する。

移送通路１２の経路は、発生した磁界の所定の力線の経路にほぼ従うように湾曲している。代替的に移送通路を真直ぐに形成してもよい（図示せず）。それは、コイル１５の対称軸上で見ても、磁界はコイルからの距離の増大に伴い弱くなるからである。磁化されたナノ粒子１８ａ、例えば鉄のような強磁性材料は、コイル１５で形成される不均質な磁界内で方向付けされ、移送通路１２の内部で増大する磁気誘導を有する磁界の領域の方向、従ってコイル１５へ向かって加速される。コイル１５の内部に均一な磁界が存在する故、ナノ粒子はこの領域を通過する際にそれ以上加速されない。次に、ナノ粒子は放出開口部１３から放出され、自由空間内で弱くなる磁界に基づき再び制動される。しかしここでそれを、例えばＰＶＤプロセスの粒子流で捕捉できる（図４参照）。

更に、移送通路１２に弁を備えた圧縮空気接続端２４があり、該接続端を経て移送通路内に圧縮空気パルスを供給できる。圧縮空気接続端は、圧縮空気を移送通路の壁にわたり均一に分配すべく、移送通路１２内への多数の流入開口部も備える（図示せず）。圧縮空気衝撃により、移送通路１２の壁へのナノ粒子１８ａの付着を阻止できる。

図２に示す移送システム１１ｂは、２つの容器１９を互いに接続してなり、該容器間で帯電したナノ粒子１８ｂを交換する。この目的のため、移送通路１２は端部に環状電極２０ａ、２０ｂを備え、それらが電気的制御ユニット２１と共に、移送通路１２内部に電界を形成すべく、コンデンサとして形成された電界発生器１４ｂを構成する（電気力線を１７ｂで示す）。電界を発生させるべく、制御ユニット２１により環状電極２０ａ、２０ｂに直流電圧を印加する。移送通路１２の内部の電界が移送通路内にある帯電したナノ粒子１８ｂに力を及ぼすので、ナノ粒子は容器１９の一方から他方へ移る。移送通路１２を経た移送の方向変換は、制御ユニット２１で環状電極２０ａ、２０ｂの正負を入れ替えることで行える。

更に、容器１９内への移送通路１２の連通部２２に対向して付加電極２３ａ、２３ｂが容器１９の壁に一体化されているので、容器内に既に電界を形成することもでき、該電界がナノ粒子１８ｂの移送通路１２への流入ないしそこからの流出を容易にする。

図３は、放出開口部１３を備え、ノズルとして形成された移送通路１２を有する移送システム１１ｃを示す。該通路は、放出開口部１３と逆の端部で、ナノ粒子１８ｂのためのリザーバ２５内へ連通している。リザーバ２５の内壁２６も移送通路１２の内壁２６もコーティング剤２７で形成しており、該コーティング剤は移送システム１１ｃのために種々の機能を持ち得る。環状電極２０ａ、２０ｂは相互に電気的に絶縁する。またコーティング剤２７でナノ粒子１８ｂの静的帯電を行える故、ナノ粒子は帯電状態にある。更に、弾性的なコーティング剤２７を用いれば、該コーティング剤は例えば内壁２６の壁面に対し垂直に可動である。この種の運動を生ずる駆動機構として、通路１２とリザーバ２５の壁材料内にピエゾ駆動機構２８を設けている。ピエゾ駆動機構２８と、同様に壁材料内に埋め込んだ環状電極２０ａ、２０ｂとの電気的な接触は、見易さのため図示していない。

例えばピエゾ駆動機構で振動を発生し、該振動を、コーティング剤２７を介してナノ粒子１８ｂへ作用させ得る。この結果内壁２６へのナノ粒子の付着を防止できる。環状電極２０ａ、２０ｂへの電圧の印加で、更に移送通路１２からのナノ粒子１８ｂの放出を起し得る。環状電極２０ａ、２０ｂに直流電圧を印加すると、例えばナノ粒子１８ｂの連続的な流れが生ずる。しかし環状電極２０ａ、２０ｂに脈動電圧、即ち交流を供給すると、ナノ粒子１８ｂの配量も可能である。この際は、環状電極２０ａ、２０ｂで発生され、時間的に変化する電界が、同様に内壁２６へのナノ粒子の堆積の阻止に寄与する。環状電極２０ａ、２０ｂのこの駆動方法は、勿論図１に示すコイル配置でも適用できる。

図４は、ＰＶＤコーティング設備２９を示し、その中で、例えばナノ粒子をＰＶＤコーティングプロセスに投入すべく、リザーバ２５に接続され、放出開口部１３を備えた移送通路１２のアレーを使用する。ＰＶＤコーティング設備は、真空チャンバ３０を備え、その中でターゲット３１がコーティングすべき基板３２に対向して配置される。基板は、電気的に中性なベース３３上にあり、ターゲット３１は陽極として形成されたホルダ３４上に配置されている。真空チャンバ３０の壁が、付属の陰極を形成する。

真空ポンプ３５で真空チャンバを排気し、かつ貯蔵容器３６から反応ガスを真空チャンバ内へ導入する。反応ガスにより真空チャンバ３０内にプラズマを発生させ、該プラズマでターゲット３１から粒子を基板３２上へ沈着させるべく引き剥がす。この粒子流内へ移送通路１２を用いてナノ粒子を導入すれば、ナノ粒子をコーティング内へ組み込める。ナノ粒子は、アーク蒸発設備のアーク内（図示せず）へ供給してもよい。

磁界発生器を有する本発明に基づく移送システムの実施例を図式的に示す。 電界発生器を有する本発明に基づく移送システムの実施例を図式的に示す。 ノズルとしての移送システムの実施例を断面で示す。 図３のノズルを備えたＰＶＤコーティング設備を図式的に示す。

符号の説明

１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 移送システム、１２ 移送通路、１３ 放出開口部、１４ａ、１４ｂ 磁界又は電界発生器、１５ 電気コイル、１６ 電源、１７ａ 磁力線、１７ｂ 電界の力線、１８ａ、１８ｂ ナノ粒子、２０ａ、２０ｂ 環状電極、２４ 圧縮空気接続端、２６ 内壁、２７ コーティング、２８ ピエゾ駆動機構

Claims (9)

1. ナノ粒子のための移送通路（１２）と、磁界発生器（１４ａ）とを有し、
   前記磁界発生器が移送通路（１２）内に、磁界が移送通路の推移にほぼ沿って方向付けされた力線をもって不均質に発生するように配置されたことを特徴とする磁化され、乾燥したナノ粒子のための移送システム。
2. 磁界発生器（１４ａ）が、移送通路（１２）を取り巻く巻線として形成された電気コイル（１５）を有することを特徴とする請求項１記載の移送システム。
3. ナノ粒子のための移送通路（１２）と、
   電界発生器（１４ｂ）とを有し、
   前記電界発生器が移送通路（１２）内に、電界が移送通路の推移にほぼ沿って方向付けされた力線をもって不均質に発生するように配置されたことを特徴とする帯電され、乾燥したナノ粒子のための移送システム。
4. 電界発生器（１４ｂ）が、電気的なコンデンサ（２０ａ、２０ｂ）を有することを特徴とする請求項３記載の移送システム。
5. 移送通路（１２）が、ナノ粒子のための放出開口部（１３）内へ連通していることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の移送システム。
6. 移送通路（１２）の内壁（２６）が半径方向に移動可能であり、かつ駆動機構が壁面に対し垂直の内壁（２６）の運動を発生させることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の移送システム。
7. 駆動機構が、ピエゾ駆動機構（２８）であることを特徴とする請求項６記載の移送システム。
8. 請求項１から７の１つに記載の移送システムを駆動するための方法において、
   移送通路（１２）内に静的な電界又は磁界を発生させ、該電界又は磁界を、ナノ粒子を連続的に移送する間、維持することを特徴とする移送システムの駆動方法。
9. 移送通路（１２）内に、脈動する電界又は磁界を発生させ、パルスの調節によってナノ粒子の配量を行うことを特徴とする請求項１から７に記載の移送システムの駆動方法。

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