JP2008517159A5 - - Google Patents

Description

本発明の発明者らはプラズマスプレーに興味を持っていた。プラズマスプレーは、研究室及び産業上に使用され、セラミック、金属またはサーメット、またはポリマー及びこれらの材料の組合せからなるコーティングを、様々な基材（形状及び性質において異なる）に蒸着する技術である。その原理は以下の通りである：蒸着される材料は、搬送ガスを用いて乾燥状態でプラズマジェットに粒子形状で注入される。前記粒子の平均直径は通常5 μmより大きい。この方法では、粒子は完全または部分的に融解され、蓄積する基板に向かって加速される。

しかしながら、このように形成された通常100 μmより大きい厚さを有する層は、プラズマスプレーで蒸着されたコーティングの非常に異方性の層状の構造特性を持っている。従って前記技術では、ナノ粒子からなるコーティング、または100 μm未満乃至数ミクロンの厚さを有するコーティングを形成することができない。

特に、新規応用、特にマイクロエレクトロニクスと一枚のチップ上に集積する研究(Laboratory on a Chip)における応用の出現は、コーティングがサブミクロンサイズの粒子からなって必ずしも層状構造を有しない50 μm未満の厚さに蒸着され、及び高蒸着率を用いることは必要とされる。しかしながら、プラズマジェットをあまり影響させずに従来の搬送ガス注入部材を用いて、１ミクロン未満の直径を有する粒子をプラズマジェットの中に入り込ませるのは、現在可能ではない。その理由は、微小粒子を加速するのに必要である冷搬送ガスの高速度が、プラズマの温度及び流動速度を実質的に減少することをもたらすからである。プラズマの温度及び流動速度は、前記粒子を融解及び輸送するため不可欠の性質である。

本発明によれば、例えばここに述べられた応用において、特に例えば厚さが0.1〜50 μm範囲の薄膜またはコーティングを作る目的のために前記ナノ粒子は好ましくは1〜100 nmのサイズを有している。

例えば液滴の形で注入されたコロイド溶液は、プラズマジェットを入り込んで、そこでプラズマのせん断力の影響を受けて多数の微小液滴に炸裂される。所望のコーティングの微細構造、コロイド溶液（液体）及びプラズマ流の性質に従って、これらの微小液滴のサイズが調整できる。有利には、微小液滴のサイズは0.1〜10 μmに変更される。

コロイド溶液の気化は、全く同一微小液滴の材料形成部分の微小ナノ粒子が集まって凝集体になることを引き起こす。得られた凝集体は一般的に1 μm未満のサイズを有し、プラズマのコアで部分的にまたは完全に融解され、基材に付着する前に加速される。

微細構造のコーティングを作り出す方法の高コーティング成長率は、本質的に液体中の材料の重量割合及び液体の流速に依存している。本発明の方法によれば、1〜100 μm/minのナノ粒子コーティング蒸着速度を容易に得ることは可能である。

本発明の方法によって得られる0.1〜50 μm範囲の厚さを有する薄膜またはコーティングは、1ミクロン以下サイズの粒子からなることができ、緻密または多孔性でもよく、純粋及び均質でも良い。

有利なことに、前記プラズマトーチは、5000 K〜15000 K範囲の温度を有するプラズマジェットを発生することができる。有利なことに、前記プラズマトーチは、10 ^-4 〜5×10 ^-4 kg/m.s範囲の粘度を有するプラズマジェットを発生することができる。有利なことに、前記プラズマ形成トーチは、アークプラズマトーチである。プラズマガスの例は上記に述べられ、これらのガス容器は商用入手可能である。これらの有利な選択について、その理由は上記に説明されてある。

注入部材は、コロイド溶液をプラズマに注入するのに用いられる。注入されたコロイド溶液注入部材から出て行くときに上述の様な液滴に機械的にフラグメントされることは好ましい。本発明によれば、注入部材の開口は、好ましくは前述の条件において、プラズマジェットにコロイド溶液を注入させることができる任意の形状であっても良い。有利なことに、注入部材の開口は円形であって、10〜500 μm範囲の直径を持っている。本発明によれば、例えば注入されるコロイド溶液の量によって、前記システムに複数の注入部材を備えることはできる。

液体注入に関しては、注入部材（Ｉ）の排出開口（ｔ）の直径は150 μmであって、コロイド溶液を含む容器（Ｒ）における圧力は0.4 MPaである。これは、20 ml/minの液流速及び16 m/sのスピードを暗示する。前記コロイド溶液は、粗い液滴にフラグメントされた液体ジェットの形で注入部材から排出される。前記粗い液滴は、平均で円状排出開口直径の二倍に調整された直径範囲2 μm〜1 mmを有する。前記注入部材（図２）は、プラズマジェットに対して20〜160°範囲の角度で傾斜されることができる。実験では、使用された傾斜角は90°である。

前記トーチが基材の前に通過するたびに、蒸着レートは0.3 μmであった。

スプレー時間に応じて、得られたコーティングの厚さは4 μm〜100 μmであった。

TEM表面及び厚さ分析を用いて、本発明の方法に係る前記コロイド溶液をプラズマスプレーすることによって得られたコーティングは、初期コロイド溶液と類似する形態及び10 nmの平均直径を有する酸化ジルコニウム粒子からなる。これらの測定は図6a及び6bから推定することができる。顕微鏡写真の底部右側のバーは、顕微鏡写真の目盛りを示している。ここで、上段の顕微鏡写真（図6a）には100 nmを表し、下段の顕微鏡写真（図6b）には50 nmを表す。

初期の酸化ジルコニウムコロイド液粒子（sol）のＸ線回折分析（破線）は、同じ酸化ジルコニウムコロイド液粒子（dep）をプラズマスプレーすることによって得られたコーティングのＸ線回折分析（実線）と比較された。この分析は図５に示されている（Ｙ軸：強度、X軸：θ）。結晶子サイズと結晶相の分布は、Rietveld法を用いてＸ線図を解析することによって、測定された。

本発明の方法に使用される前に、前記コロイドナノ粒子を例えば0.45 μmに濾過しても良い。

Claims (1)

1. 0.1〜50 μm範囲の厚さを有することを特徴とする請求項２０に記載のコーティング。