JP4698018B2

JP4698018B2 - 接着体の製造方法、および接着剤

Info

Publication number: JP4698018B2
Application number: JP2000377114A
Authority: JP
Inventors: 憲一野田; 竜生川口
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2020-12-12
Also published as: US20020069964A1; EP1215255A3; US6824897B2; EP1215255A2; JP2002180014A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接着体の製造方法および接着体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、光学接着剤としては、エポキシ樹脂やアクリル樹脂などの有機系接着剤と、低融点ガラスなどの無機系接着剤とが知られている。また、接着剤を使用しない接着方法としては、ディフュージョンボンディング、圧着、オプティカルコンタクトのような方法が知られている。
【０００３】
例えば、信学技報「ＴＥＣＨＮＩＣＡＬＲＥＰＯＲＴＯＦＩＥＩＣＥＵＳ９５−２４：ＥＭＤ９５−２０：ＣＰＭ９５−３２（１９９５−０７）」第３１−３８頁の記載によれば、ニオブ酸リチウム基板をタンタル酸リチウム基板に直接接合し、ニオブ酸リチウム基板を薄片化し、光導波路構造を試作している。これは基板表面に吸着した水酸基の分子間力を利用して、基板同士を直接に接合するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一般的な接着剤を使用した場合には、接着層の厚さが非常に薄い接着体を得ることは困難である。ディフュージョンボンディング、圧着、オプティカルコンタクトのように接着剤を使用しない場合には、接着するべき基材の接着面に微細な凹凸が存在すると、基材同士が接着しなかったり、あるいは接着強度が低くなる場合がある。更に、低融点ガラスの薄膜を基材の接着面上に形成した上で、基材の接着面同士を当接させ、加熱する方法では、接着層を薄くできる。しかし、基材の接着面に微細な凹凸が存在すると、基材同士が接着しなかったり、あるいは接着強度が著しく低下する場合があった。
【０００５】
本発明の課題は、薄い接着層を形成可能であり、かつ接着するべき基材の接着面に微細な凹凸があった場合にも所望の接着強度を確実に実現できるような、新規な接着方法および接着剤を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第一の基材の第二の基材とを接着する方法であって、アルカリ金属元素を含有しており、加熱により複合酸化物を生成する水溶性化合物が溶解された水系接着剤を第一の基材と第二の基材との間に介在させ、この水系接着剤を加熱することによって接着層を生成させることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、アルカリ金属元素を含有しており、加熱により複合酸化物を生成する水溶性化合物と、この水溶性化合物が溶解された水とを含むことを特徴とする、水系の接着剤に係るものである。
【０００９】
例えば図１を参照して述べると、本発明者は、アルカリ金属元素を含有する水溶性化合物が溶解された水系接着剤を第一の基材１と第二の基材２との間に介在させ、この水系接着剤を加熱することによって接着層３を生成させることを想到した。
【００１０】
こうした水系の接着剤は、基材１の接着面１ａと基材２の接着面２ａとの間に入り込み、各接着面の微細な凹凸を充填すると共に、毛細管現象によって各接着面１ａと２ａとの隙間に膜を生成する。この状態で接着剤を加熱し、少なくともアルカリ金属元素を含む複合酸化物からなる接着層を生成させる。
【００１１】
この加熱に際して、水系接着剤中には、加熱時に燃焼するような有機基を持たないようにできるし、有機溶剤も使用する必要がないので、加熱時に接着層からのガスの発生が抑制される。こうしたガスは、接着層の強度劣化やバラツキの原因となる。
【００１２】
水系の接着剤は、水を基本的な溶剤として使用する接着剤を意味する。水中には少なくとも前記水溶性化合物を溶解させる。
【００１３】
アルカリ金属元素としては、リチウム、カリウム、ナトリウムが好ましく、リチウムが特に好ましい。また、リチウムとカリウムとの組み合わせ、リチウムとナトリウムとの組み合わせ、リチウム、ナトリウム、カリウムの組み合わせも同様に好ましい。
【００１４】
水溶性化合物の種類は、加熱後に酸化物を生成するようなものであれば限定されず、水酸化物の他、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩等の無機塩を例示できる。ただし、アルカリ金属元素を含有する複合水酸化物であることが更に好ましい。
【００１５】
この複合水酸化物には、アルカリ金属元素の他には、遷移金属元素が含有されていることが好ましく、４−７族の金属元素が含有されていることが好ましい。こうした金属としては、更に、ニオブ、タンタルが好ましい。
【００１６】
好適な実施形態においては、複合水酸化物が、ニオブ・リチウム水酸化物、タンタル・リチウム水酸化物、ニオブ・タンタル・リチウム水酸化物、ニオブ・リチウム・カリウム水酸化物、タンタル・リチウム・カリウム水酸化物およびニオブ・タンタル・リチウム・カリウム水酸化物からなる群より選ばれている。
【００１７】
水系の接着剤中には、アルカリ金属元素を含有する水溶性化合物以外に、セラミックスの微粉末やゾルをフィラーとして含有させることが可能である。
【００１８】
接着剤中における水溶性化合物の濃度は特に限定されない。この濃度を０．５ｍｏｌ／リットル以下とすることによって、接着剤の粘性上昇によって接着層が厚くなり過ぎるのを防止できる。
【００１９】
接着剤を基材間に介在させる方法は特に限定されない。例えば、第一の基材の接着面に接着剤を塗布し、この接着面を、第二の基材の接着面に接触させ、加熱することができる。この際には、第二の基材の接着面にも本発明の接着剤を塗布することができる。こうした塗布方法は限定されず、例えばロールコート法、ディップコート法、流延法、ドクターブレード法などを例示できる。
【００２０】
第一の基材と第二の基材との各接着面を接触させる際には、接着面と略垂直な方向へと向かって加圧することができる。そして、接着面に略垂直な方向に向かって加圧しつつ接着剤を乾燥できる。また、加熱工程に際しては、接着面に略垂直な方向に向かって基材を加圧することができるが、加圧しなくとも良い。加圧時の圧力は０．１−０．５ＭＰａが好ましい。
【００２１】
また、第一の基材の接着面と第二の基材の接着面とを対向させ、両者の隙間に接着剤を流し込むことができ、あるいは、第一の基材の接着面と第二の基材の接着面との隙間に接着剤を毛細管現象によって吸引させることができる。
【００２２】
接着剤の乾燥工程を実施する場合には、温度は６０−１００℃とすることが好ましい。
【００２３】
加熱工程における温度は、接着剤の種類によって異なる。しかし、ニオブ・リチウム水酸化物、タンタル・リチウム水酸化物、ニオブ・タンタル・リチウム水酸化物、ニオブ・リチウム・カリウム水酸化物、タンタル・リチウム・カリウム水酸化物およびニオブ・タンタル・リチウム・カリウム水酸化物からなる群より選ばれた複合水酸化物を使用する場合には、２００−６００℃とすることが好ましく、３５０℃以上とすることが更に好ましい。
【００２４】
複合水酸化物が溶解した水性接着剤を製造する方法は限定されない。
【００２５】
好適な実施形態においては、アルカリ金属元素のアルコキシドおよび他の金属元素のアルコキシドを無水アルコール中で還流することにより、複合アルコキシド溶液を調製する。次いで、この複合アルコキシド溶液に脱炭酸水を添加し、還流することによって、複合アルコキシドを加水分解する。この加水分解をほぼ完全に進行させることによって、複合水酸化物が生成する。複合水酸化物はアルコールに不溶性であり、沈殿物を生成する。次いで、アルコールを加熱して留去し、あるいは濾過することによって、沈殿物を得る。この沈殿物を脱炭酸水に溶解させ、水性の接着剤を製造する。こうした製造方法の詳細は、特開平９−８６９３１号公報に記載されている。好適な金属アルコキシドは、金属エトキシドである。
【００２６】
金属元素のアルコキシドに脱炭酸水を加えて加水分解すると、金属アルコキシドが重合する傾向がある。しかし、アルカリ金属元素のアルコキシドを加水分解すると、加水分解時に重合が抑制され、かつ、加水分解によって生成した複合水酸化物の極性が高くなる。この観点からは、少なくともリチウムアルコキシドを加水分解することが好ましい。
【００２７】
好適な実施形態においては、接着層を構成する複合酸化物が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸リチウムカリウム、タンタル酸リチウムカリウムおよびニオブ酸リチウムカリウム−タンタル酸リチウムカリウム固溶体からなる群より選ばれている。接着層は、結晶性であってよく、非晶質であってよい。
【００２８】
好適な実施形態においては、第一の基材と第二の基材との一方または双方が単結晶である。こうした単結晶としては、強誘電性の電気光学単結晶が特に好ましく、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸リチウムカリウム、タンタル酸リチウムカリウムおよびニオブ酸リチウムカリウム−タンタル酸リチウムカリウム固溶体、ＫＴＰ、ガラス、シリコン、ＧａＡｓ、水晶を例示できる。また、基材は、セラミックス、ガラスであってよい。
【００２９】
基材の形態は特に限定されない。例えば、基材はバルク状の単結晶であってよい。また、バルク体の表面に、単結晶膜、多結晶膜、アモルファス膜などが形成されていてもよい。
【００３０】
好適な実施形態においては、本発明の接着体が光学部品である。
【００３１】
好適な実施形態においては、基材の一方または双方が、加熱によって生成する接着層と同種の材質である。たたし、「同種の材質」とは、構成成分および基本構造が共通することを意味しており、構成成分の割合は異なっていてもよく、また少量の添加成分が存在していてもよい。
【００３２】
第一の基材、第二の基材、接着層が電気光学結晶からなる場合には、結晶中には、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。
【００３３】
接着層の厚さは限定されないが、例えば０．５μｍ以下とすることが好ましい。
【００３４】
特に好適な実施形態においては、第一の基材をバルク光導波路として使用し、第二の基材を光導波路の基材として使用する。この場合には、接着層の厚さを０．１μｍ以下とすることが特に好ましい。
【００３５】
【実施例】
（実施例１）
等ｍｏｌ量のリチウムエトキシドとニオブエトキシドとを無水エタノール中で混合し、加熱還流し、リチウム・ニオブ複合エトキシドのエタノール溶液を製造した。複合アルコキシド１ｍｏｌに対して７．５ｍｏｌの割合で脱炭酸水をエタノール溶液へと添加し、複合エトキシドを完全に加水分解した。次いで、混合物を還流し、リチウム・ニオブ水酸化物の沈殿を生成させた。この液を８０℃に加熱してエタノールを除去し、得られた沈殿物を脱炭酸水に溶解させ、水系接着剤を製造した。水系接着剤中におけるリチウムとニオブとのｍｏｌ比は１：１である。
【００３６】
Ｘ−カットのニオブ酸リチウム単結晶基板（１５ｍｍ×１５ｍｍ）を洗浄した。一方の基板の表面に水系接着剤を滴下し、他方の基板の主面をその上に重ね、貼り合わせた。貼り合わせ後の基板を、接着面に対して略垂直方向に加圧しながら１００℃で１時間仮硬化させ、５００℃で８時間硬化させ、接着体を得た。
【００３７】
電子顕微鏡によって、接着層の厚さが０．１μｍ以下と非常に薄いことを確認した。また、接着体から縦５ｍｍ×横５ｍｍの試料を切り出し、圧縮剪断接着試験片を得た。この試験片について圧縮剪断試験を行った結果、基板を構成するニオブ酸リチウム単結晶が破壊し、接着界面における破壊は生じなかった。
【００３８】
（実施例２）
等ｍｏｌ量のリチウムエトキシド、ニオブエトキシドおよびタンタルエトキシドを無水エタノール中で混合し、加熱還流し、リチウム・ニオブ・タンタル複合エトキシドのエタノール溶液を製造した。複合アルコキシド１ｍｏｌに対して７．５ｍｏｌの割合で脱炭酸水をエタノール溶液へと添加し、複合エトキシドを完全に加水分解した。次いで、混合物を還流し、リチウム・ニオブ・タンタル水酸化物の沈殿を生成させた。この液を８０℃に加熱してエタノールを除去し、得られた沈殿物を脱炭酸水に溶解させ、水系接着剤を製造した。水系接着剤中におけるリチウム、ニオブ、タンタルのｍｏｌ比は１：０．５：０．５である。
【００３９】
Ｘ−カットのニオブ酸リチウム単結晶基板（１５ｍｍ×１５ｍｍ）と、この基板に対して熱膨張率が合うような結晶方向に切り出したタンタル酸リチウム単結晶基板（１５ｍｍ×１５ｍｍ）とを接着した。双方の基板を洗浄した。ニオブ酸リチウム基板の表面に水系接着剤を滴下し、タンタル酸リチウム基板の主面をその上に重ね、貼り合わせた。貼り合わせ後の基板を、接着面に対して略垂直方向に加圧しながら１００℃で１時間仮硬化させ、５００℃で８時間硬化させ、接着体を得た。
【００４０】
電子顕微鏡によって、接着層の厚さが０．１μｍ以下と非常に薄いことを確認した。また、接着体から縦５ｍｍ×横５ｍｍの試料を切り出し、圧縮剪断接着試験片を得た。この試験片について圧縮剪断試験を行った結果、基板を構成するニオブ酸リチウム単結晶またはタンタル酸リチウム単結晶が破壊し、接着界面における破壊は生じなかった。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、薄い接着層を形成可能であり、かつ接着するべき基材の接着面に微細な凹凸があった場合にも所望の接着強度を確実に実現できるような、新規な接着方法および接着剤を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の接着体を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１第一の基材１ａ第一の基材１の接着面２第二の基材２ａ第二の基材２の接着面３接着層

Claims

第一の基材と第二の基材とを接着する方法であって、
アルカリ金属元素を含有しており、加熱により複合酸化物を生成する水溶性化合物が溶解された水系接着剤を前記第一の基材と前記第二の基材との間に介在させ、この水系接着剤を加熱することによって接着層を生成させ、
前記水溶性化合物が前記アルカリ金属元素を含有する複合水酸化物であって、該複合水酸化物がニオブ・リチウム水酸化物、タンタル・リチウム水酸化物、ニオブ・タンタル・リチウム水酸化物、ニオブ・リチウム・カリウム水酸化物、タンタル・リチウム・カリウム水酸化物およびニオブ・タンタル・リチウム・カリウム水酸化物からなる群より選ばれたものであり、
更に、前記複合酸化物が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸リチウムカリウム、タンタル酸リチウムカリウムおよびニオブ酸リチウムカリウム−タンタル酸リチウムカリウム固溶体からなる群より選ばれたものである、ことを特徴とする、接着体の製造方法。
前記第一の基材と前記第二の基材との少なくとも一方が単結晶からなることを特徴とする、請求項１記載の方法。
アルカリ金属元素を含有しており、加熱により複合酸化物を生成する水溶性化合物と、この水溶性化合物が溶解された水とを含む接着剤であって、
前記水溶性化合物が前記アルカリ金属元素を含有する複合水酸化物であって、該複合水酸化物がニオブ・リチウム水酸化物、タンタル・リチウム水酸化物、ニオブ・タンタル・リチウム水酸化物、ニオブ・リチウム・カリウム水酸化物、タンタル・リチウム・カリウム水酸化物およびニオブ・タンタル・リチウム・カリウム水酸化物からなる群より選ばれたものであり、
更に、前記複合酸化物が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸リチウムカリウム、タンタル酸リチウムカリウムおよびニオブ酸リチウムカリウム−タンタル酸リチウムカリウム固溶体からなる群より選ばれたものである、ことを特徴とする、水系の接着剤。