JP5393487B2 - 静電的に堆積する粒子のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、エアロゾル粒子の静電沈着に有用な装置および方法、特にＥＳＤ（静電放電）に有用なシステムおよび基板上にエアロゾル粒子を堆積する方法に関する。

長年にわたる、電子工学、材料科学、およびナノスケール技術の急速な進歩により、より小さい電子機器、ファイバ製造の発達、およびバイオテクノロジー分野における新しい応用に例示されるような成果を得た。より微小で、より清潔で、より均一な粒子を生成および収集するための能力は、微小粒子物質を扱う領域での技術進歩を促進するためにますます必要となっている。微小粒子物質を生成し、その後微小粒子物質を収集または基板に堆積させるための、新しく効率的で適用可能な方法の発展は、ますます有用なものとなってきている。

粒子の大きさは、粒子または粒子を構成する化合物の物理的および化学的特徴にしばしば影響を与える。例えば、光学的、機械的、生化学的、触媒反応的性質は、粒子が２００ナノメートル（nm）より小さい断面寸法のときしばしば変化する。構成要素または化合物のより微小な粒子は同じ構成要素または化合物のより大きい粒子の特質としばしば非常に相違する特質を表す。例えば、マイクロスケールにおいて触媒活性的に不活性な素材は、ナノ粒子の形状において非常に効果的な触媒として振る舞う。

先述の粒子の性質は多くの分野で有用である。例えば、光学ファイバ製造の際、特定範囲の大きさ（約５−３００nm）において、不純物である前駆体から実質的に純粋な石英とゲルマニウムのスート粒子の生成を行うことは、高純度の光学ファイバを生成可能な光学母材を供給する上で重要な役割を果たす。また、医薬品分野では、所定の特性を有する粒子の生成は、例えば、生体内での配送、生体への利用性、製薬学的安定性、および、生理学的な適合性を、最適化するために有利である。粒子の光学的、機械的、生化学的、触媒作用的特性は、粒子の大きさおよび粒子を構成する化合物の大きさと密接に関連する。粒子生成の気相法は、魅力的である。気相法は一般的に望ましい大きさの範囲において大量の高純度粒子をもたらすためである。

エアロゾル反応部のような粒子生成部は気相ナノ粒子合成のために発展してきた。これらのエアロゾル反応部の例は、燃焼反応部、管状炉反応部、プラズマ反応部、およびガス凝縮法、レーザーアブレーション法、噴霧熱分解法を用いた反応部があげられる。

特に、高温壁管状炉反応部は、光学ファイバ製造において石英母材生産のためのスート粒子生成に適していることが、例えば、特許文献１、特許文献２、および、これらの全体を参照して組み合わせた開示に共通して記載されたことから、証明されている。

誘導粒子生成部は、反応器の壁を熱する誘導ための加熱要素を用いた高温壁管状炉反応部の例にあげられる。このような誘導粒子生成部の例は、特許文献３およびその全体を参照して組み合わせた開示に記載されており、寸法的にナノメートル範囲のエアロゾル粒子を含むエアロゾルの流れを生成するために用いられ得る。

米国特許出願公開第２００４／０１８７５２５号明細書 米国特許出願公開第２００４／０２０６１２７号明細書 米国特許出願第１１／５０２２８６号明細書 国際公開第０１／１６３７６Ａ１号パンフレット 米国特許第４８９２５７９号明細書 米国特許第６９２３９７９号明細書

強化された表面領域は、所定の配置にされたマイクロアレイや触媒作用のための表面領域の高表示部や、発光素子の高表示部等のように、物質の特性を多くの応用例に適用可能にする。特許文献４およびその全体を参照して組み合わせた開示に記載された方法のような、強化された表面領域を生産する通常の方法は、ボールミル粉砕された0.5μmから2μmまでの範囲の大きさのコーニングのガラス粒子1737（商標）用いる方法である。これらのボールミル粉砕された粒子はコーニングのガラス基板「1737」の上に沈殿する。ナノ粒子の沈殿は最適な表面領域を提供する。しかし、このナノメータサイズ範囲の粒子を生成し、基板上に堆積することは困難である。

現在調査されているエアロゾル粒子を基板上に堆積する一つの方法に、様々な応用のための静電堆積（ＥＳＤ）があり、例えば、汚染減少のための静電集塵機、電子的塗布が応用例としてあげられる。特許文献５は例えば、エアロゾル状態で構成要素の金属粉を分散混合することにより構成要素の金属粉から、非晶質金属合金物体を作成し、それらを静電気的またはサイクロン方式の集塵器を用いて収集する工程と、熱間静水圧プレスを用いた圧縮化を開示している。また、特許文献６は、交流電界を使用して誘電体基板上にミクロン範囲で粒子を堆積する方法を記載している。

誘導粒子発生器を用い、システムにおけるコロナ漏出を最小限に抑えて直流電流を活用し、基板上に気相合成法によってナノ粒子を静電堆積させるシステムおよび方法を得ることができれば有利であろうし、さもなければ誘導粒子発生器に損傷を与えるであろう。

ここに記載されたように、本発明のＥＳＤのためのシステムおよびＥＳＤ法は、特に所望の粒子が寸法的にナノメーター範囲である場合に、一般的なＥＳＤ法の上記不利益に取り組むものである。

本発明の一つの実施形態において、静電気的にエアロゾル粒子を堆積するためのシステムが開示されている。このＥＳＤシステムは誘導粒子生成部と帯電領域と静電沈着領域と、エアロゾルの流れが誘導粒子生成部から絶縁部を通り抜け、それから帯電領域を通過し、その後静電沈着領域を通過できるように、互いに関連するように配置された絶縁部４８とを備える。帯電領域は、コロナ放電電極間に誘導粒子生成部からのエアロゾル流れを受けるように、互いに離間して対向するように設けられた一対の放電電極を備えている。

絶縁部は誘導粒子生成部と帯電領域の間に配置される。絶縁部は、誘導粒子生成部をコロナ放電電極によって生成されるコロナパスから絶縁するように、誘導粒子生成部の流出口を囲み、かつ、外側に延びる表面を備え、その結果誘導粒子生成部に対する損傷を最小化するものである。

本発明の別の実施形態において静電気的にエアロゾル粒子を堆積する方法が開示されている。その方法は、誘導粒子生成部によって生成されたエアロゾルの流れを生成し、エアロゾルの流れが絶縁部を通過し、帯電部の間を通過するエアロゾル流れの中の粒子を帯電するためのコロナ放電電極に直流電流を印加し、帯電したエアロゾル流れを生成し、少なくとも一つの基板が配置された一対の堆積電極の間に、帯電したエアロゾル粒子が通過し、基板上に帯電したエアロゾル粒子を堆積するように堆積電極間に電界を生成するための電極に直流電流を印加することを特徴とする静電的にエアロゾル粒子を基板上に堆積する方法である。

絶縁部は、本方法による生成したエアロゾル流れが絶縁部を通過するステップにおいて、誘導粒子生成部の流出口を囲み、コロナ放電電極によって生成されるいかなるコロナパスからも誘導粒子生成部を絶縁するように外側に延びる表面を備えるものである。

本発明の更なる特徴と利益は後述の詳細な説明に説明する。そして、本発明の更なる特徴と利益は、当業者がこの説明、および、明細書と請求の範囲に記載されたように本発明を実施することによって認識されることから、ある程度、見てすぐに分かることである。また、これは添付した図も同様である。

先述の一般的な説明及び後述の詳細な説明は単に本発明の単なる例示であり、特許請求の範囲にあげられた本発明の性質と特徴を理解するための概観または枠組みを提供することを意図していると理解されるべきである。

添付した図は発明のさらなる理解を提供するために含められたものであり、本明細書に組み入れられ、本明細書の一部を構成する。図面は本発明の一つまたはもっと多くの実施形態を説明するものであり、詳細な説明とともに本発明の原理や機能を説明する役割を果たす。

本発明は図面と共に読んで理解されるとき後述の詳細な説明から最良に理解される。
本発明の一つの実施形態におけるＥＳＤシステムの概念図 本発明の一つの実施形態におけるＥＳＤシステムの特徴の写真 本発明のＥＳＤ装置の一つの実施形態の特徴の帯電部および円盤部と煙突状部を備える絶縁部の写真 本発明の一つの実施形態における誘導粒子生成部と絶縁部の写真

以下、添付図面に例が示された本発明の様々な実施形態を参照して詳細に説明する。同じ参照番号は、同じまたは類似部を言及するために、可能ならどの図面にも一貫して用いられる。

本発明の一つの実施形態における具体例としてのＥＳＤシステムは、図１の概念図に表される。このＥＳＤシステム１００は誘導粒子生成部２８と帯電領域１２と静電沈着領域１０と、エアロゾル２２の流れが誘導粒子生成部から絶縁部を通り抜けて、それから帯電領域を通過し、その後静電沈着領域を通過できるように、互いに関連するように配置された絶縁部４８とを備える。

具体的な誘導粒子生成部として、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３に共通して記載された誘導粒子生成部があげられ、エアロゾル２２の流れの生成に用いることができる。

一つの実施形態におけるエアロゾルの流れは、エアロゾル粒子のための搬送ガスを備える。例えば、窒素、酸素など、あるいはこれらの組合せ、および、前駆体、反応体など、あるいはこれらの組合せがあげられる。

気相合成によって生成されたエアロゾル粒子は一般的に、エアロゾル粒子生成に用いられる化学合成の間に正または負に帯電する。本発明によれば、そのような帯電したエアロゾル粒子は、コロナ帯電部によって発生した空気中のイオンから電荷を得ることによってさらに帯電しうる。

図１に示すように、帯電領域１２はコロナ放電電極間に誘導粒子生成部２８からのエアロゾル２２の流れを受けるように、互いに離間して対向するように設けられた一対のコロナ放電電極１８と２０を備えるものである。
絶縁部のない場合に、コロナ放電電極間を通過する電流が原因で、断続的に発生するコロナリークパスが誘導粒子生成部の白金ロジウム合金サセプタの上端に作られる。コロナリークパスは、周囲を取り囲む石英管の穴を通ってサセプタの表面に到達し、誘導粒子生成部の誘電コイルへ向かい、そして誘導粒子生成器の電源に向かう。この断続的なコロナリークパスはアークの原因となり、不規則な誘導粒子生成部の加熱を起こし、最終的には誘導粒子生成部を損傷する。このコロナリークパスを最小化するために、絶縁部が図面に説明されるＥＳＤシステムに追加された。

図１に示されるように、絶縁部４８は誘導粒子生成部２８と帯電領域１２の間に配置される。絶縁部は、誘導粒子生成部２８をコロナ放電電極１８と２０によって生成されるコロナパスから絶縁するように、誘導粒子生成部の流出口を囲み、かつ、外側に延びる表面５６を備え、これにより誘導粒子生成部への損傷を最小限に抑えるものである。

静電沈着領域１０は互いに離間して対抗するように設けられた一対の堆積電極１４と１６を備える。静電沈着領域１０は、この堆積電極１４と１６の間に帯電領域１２からのエアロゾル流れをうけるように構成されている。

図１に示すように、本発明によるＥＳＤシステムはコロナ放電電極１８、２０、および堆積電極１４、１６に接続される可変直流源（ＤＣ）４０をさらに備える。

可変直流源は堆積行程パラメータの最適化可能にし、一つの実施形態において、０から７５キロボルト直流電流（ｋVDC）を印加しうるべきである。電圧計３６とマイクロ電流計３８はそれぞれの電極に印加される電圧と電流を測定可能に含まれる。高電圧同軸ケーブル５４は一対のコロナ放電電極２０の一つ、本実施形態では正の電極に電圧を印加する。リレー５０はＥＳＤ装置の操作者の安全のために含まれ、直流電流の可変電源オン／オフスイッチ５２と連動して、直流電流３４の可変電源電極がスイッチオフになった際、電極２０と１６が完全にグラウンド４４に放電したことを確認するために動作する。１２０ボルト６０ヘルツ電流源のための安全スイッチにおいて、位置４０は「ライブ」、位置４２は「ニュートラル」、位置４４は「グラウンド」を意味する。

本発明の他の実施形態における具体例としてのＥＳＤシステムの特徴は図２の写真に示される。ＥＳＤシステム２００の特徴において、帯電領域１２に一対のコロナ放電電極１８は均一な三角形状を示すコロナ金属線６４を備える。帯電効率は、コロナ放電電極内に２列以上の複数のコロナ金属線の束を配置することによって、コロナ金属線の三角形状領域を増すことによって増加する。図２は、本実施形態における絶縁部の一部を構成する煙突状部２４の頂上を示している。

また、少なくとも一対のコロナ放電電極は導電性の外表面５８を備える。図２に示す実施形態において導電滞材料としてアルミニウムが用いられているが、導電性材料は炭素、黄銅、ステンレススチール、鉄、およびこれらの組合せによっても代替できる。

さらに、図２のコロナ放電電極２０は外表面６０の外周にわたって非導電性材料によって被覆されている。高温シリコンは、図２の実施形態において非導電性材料として示されているが、非導電性材料は、石英、溶融石英、セラミック、雲母、およびこれらの組合せによって代替可能である。図２のコロナ放電電極２０は、帯電領域からコロナリークパスをより最小化させる丸みのある角を有する矩形型である。さらにコロナ放電電極２０の角、縁、影響の及ぶ区域、未使用の表面はシリコンに埋め込まれている。

本実施形態における基板６２上に堆積した帯電したエアロゾル粒子の蓄積は、エアロゾル２２の流量およびエアロゾルの流れにおけるエアロゾル粒子の帯電によって制御できる。エアロゾル粒子の帯電は、単極性の定常コロナ帯電部を用いることで制御可能である。

帯電が定常的であれば、堆積を継続的になし得る。一般的に、コロナ帯電部は、空気／搬送ガス中にイオンを発生させる鋭い形状のコロナ電極（金属線、ニードル等）と、イオンを受けるためのなめらかな電極を持ち、後者はエアロゾル流れが進む空間である電極間の空間によって前者から離てられている。イオンは流れを横切り、粒子に衝突したイオンは電荷を粒子に与える、このように効果的に帯電できる。エアロゾル粒子の高集中で、コロナ放電によって発生したイオンの全てがエアロゾル粒子によって捕獲される。

本実施形態の静電沈着領域１０において、一対の堆積電極の少なくとも一つの電極１６は導電材料を備えた外表面６８を有する。図２に示す本実施形態において、導電性材料としてアルミニウムが示されているが、導電性材料は、炭素、黄銅、ステンレススチール、鉄、およびこれらの組合せによっても代替できる。

コロナ帯電部が利用されたときに帯電領域からのコロナリークパスを最小化するために、図２に示す一対の堆積電極における堆積電極１４、１６は外表面６８の外周にわたって非導電材料で被覆されている。図２に示す実施形態において、非導電材料として高温シリコンが示されているが、石英、溶融石英、セラミック、雲母、およびこれらの組合せによっても代替できる。堆積電極は、さらに帯電領域からのコロナリークパスを最小化する、丸みを有する角を備えた矩形形状である。さらに、角、縁、影響の及ぶ区域、未使用の表面はシリコンに埋め込まれている。

図２と図３に示すコロナ放電電極同士は互いに２から１０インチ離間されており、絶縁部４８から１インチから５インチ離れて配置される。

図２に示す堆積電極１４および１６は互いに２から８インチ離間されており、一対のコロナ放電電極から１インチから３インチ離れた位置にでも配置される。

コロナ放電電極同士のお互いに対するコロナ放電電極の間隔および、堆積電極に対するコロナ放電電極の間隔は、システムに印加されている電圧に基づいて選択されうる。一般的に電極間の間隔は電圧の増加につれて増加する。一般的には、電極間に間隔を設けるとき、電極は電極間にアークが認識されるまで互いに近づくように動かされる。この点において、電極間の間隔は電極間のアークがなくなるまで増加される。

図３に示される本発明の一つの実施例の特徴において、特徴３００は、絶縁部４８は表面５６を備え、帯電領域１２のコロナ放電電極１８と２０の間の距離以上の大きさの直径を備えた円盤部３０を備えることを説明している。

図１、図２、図３において、（図２の例において、煙突状部２４によって部分的に示される）絶縁部４８は誘導粒子生成部２８と帯電領域１２との間に配置されている。絶縁部は、誘導粒子生成部２８をコロナ放電電極１８と２０によって生成されるコロナパスから絶縁するように、誘導粒子生成部の流出口を囲み、かつ、外側に延びる表面５６を備え、これにより誘導粒子生成部への損傷を最小限に抑えるものである。

本発明のＥＳＤシステムにおいて、絶縁部は、例えば、高温非導電材料を含みうる。図３に示される実施例においては円盤部３０および煙突状部２４の両方が石英であるが、高温非導電材料は、溶融石英、セラミック、雲母、およびこれらの組合せによって代替可能である。一つの実施形態において、絶縁部は直径２から１０インチで、高温非導電材料を備える円盤である。他の実施形態において、絶縁部は正方形又は矩形である。いくつかの実施形態において、絶縁部は凹状または凸状の表面を備え、またはその他の非平面の表面を備える。

円盤部と煙突状部の壁の厚みは誘導粒子生成部に作用する温度に応じて選択される。１／１６インチから２インチの範囲の厚みの石英円盤部は、摂氏６００度を超える温度に通常十分なものであり、摂氏１５００度を超える温度でコロナリークパスから絶縁することができる。同様に、１／１６インチから２インチの範囲の厚みと１／２インチから３インチの直径を有する石英円盤部は、通常摂氏６００度を超える温度に通常十分なものであり、摂氏１５００度を超える温度でコロナリークパスから絶縁することができる。

図４の写真に示される実施形態４００における誘導粒子生成部と絶縁部の実例において、絶縁部４８は円盤部３０を備えるものであり、円盤部は、円盤部３０と絶縁部の下方かつ誘導粒子生成部２８の周りに配置された表面７０との間に延びる足３２を備える表面５６を備えるものである。本実施形態において、円盤部は誘導粒子生成部から例えば、１／８インチから１インチ上方につるされてもよい。他の実施形態において、円盤部は、粒子生成部に取り付けられてもよい。

本発明の他の実施形態において、上記のシステムを利用して静電沈着されるエアロゾル粒子のための方法が開示されている。その方法によると、誘導粒子生成部によって生成されたエアロゾルの流れを生成し、生成されたエアロゾルの流れが絶縁部を通って通過し、一対のコロナ放電電極間をエアロゾル流れが通過し、その間を通過するエアロゾル粒子を帯電するためのコロナ放電電極に直流電流を印加し、少なくとも一つの基板が配置された一対の堆積電極の間に、帯電したエアロゾル粒子が通過し、基板上に帯電したエアロゾル粒子を堆積するように堆積電極間に電界を生成するための電極に直流電流を印加するものである。

絶縁部は、本方法による生成したエアロゾル流れが絶縁部を通過するステップにおいて、コロナ放電電極によって生成されたコロナパスから誘導粒子生成部を絶縁するように、誘導粒子生成部の流出口を囲んで、かつ、外側に延びる表面を備える。

一つの実施形態において、絶縁部は直径２から１０インチ（５から２５ｃｍ）であり、石英、溶融石英、セラミック、雲母、およびこれらの組合せから選択可能である。

さらなる実施形態において、絶縁部を通ってエアロゾル流れが通過するステップは、帯電領域と円盤部との間に配置された煙突状部を通り抜けて、エアロゾルが誘導粒子生成部から円盤部と煙突状部を通り抜けて帯電領域に向かうように、エアロゾルが通過することを含むものである。

チタニアのナノ粒子を含むエアロゾル流れは、０．０３ｍの内径を備え、加熱される領域が効果的な０．２ｍの長さである、熱せられた誘電性のPt-Rh壁（誘導粒子生成部）を用いた高温壁管状反応器において生成される。高温壁管状反応器内の最高温度は、高温壁管状反応器の加熱領域から出口近辺の内壁で発見され、赤外線高温計を用いて測定された。

酸素、窒素、TiCl_４蒸気の混成から構成されるエアロゾルの流れは、約６００ケルビン（Ｋ）を超える温度で、高温壁管状反応器に導入された。反応器の最高温度は７５０Ｋから１６５０Ｋの間で変化した（工程Ａ）。高温壁管状反応器の出口で、エアロゾル粒子はコロナ帯電部を用いて帯電させられて、静電気的にホウケイ酸ガラススライドの上に集められ、ＴＥＭおよびＳＥＭによるＸ線回折分析によって調べられた。反応温度に関係なく、全てのサンプルは、結晶質のルチルと、主に直径約５０−８０ｎｍの多面体の粒子で粒子を凝集したアタナーゼの混合から構成されるようだった。

混じりけのないアタナーゼを上述のシステムで得るために、エアロゾルの初期流れにおいて酸素の欠けた気体構成とする、代わりの工程（工程Ｂ）が提案された。窒素、TiCl_４蒸気の混成は反応器で８００Ｋと１６５０Ｋの温度範囲で加熱され、高温壁管状反応器を出た後にのみ大気中の酸素と混合された。工程Ａに対して、反応温度および調査された状態に関係なく、全てのサンプルはルチルがないことを示し、アナトーゼ層からの明瞭な信号を示した。工程Ｂで生成された粒子のほとんどはほぼ球状で５０−８０ｎｍの直径であった。両工程において、主な粒子と凝集サイズは高温壁管状反応器の温度に依存するものであった。

本発明が、本発明の本質や範囲から離れることなく様々な改変や変形を行いうるものであることは当業者にとって明らかである。すなわち、本発明は、従属項及びそれらの均等物の範囲内で生ずる本発明の改変や変形例を含むものである。

１０ 静電沈着領域
１２ 帯電領域
１４、１６ 堆積電極
１８、２０ コロナ放電電極
２２ エアロゾル
２４ 煙突状部
２８ 誘導粒子生成部
３０ 円盤部
３２ 足
３４ 直流電流
３６ 電圧計
３８ マイクロ電流計
４８ 絶縁部
５０ リレー
５２ オフスイッチ
５４ 高電圧同軸ケーブル
６２ 基板
６４ コロナ金属線
１００，２００ システム

Claims (5)

1. 気相合成によって生成されたナノ粒子であるエアロゾル粒子を静電的に堆積するシステムであって、
   誘導粒子生成部と、
   コロナ放電電極間に誘導粒子生成部からのエアロゾル流れを受けるように、互いに離間して対向するように設けられた一対の前記コロナ放電電極を備えた帯電領域と、
   前記誘導粒子生成部と前記帯電領域の間に配置された絶縁部と、
   堆積電極間に前記帯電領域からの前記エアロゾル流れを受けるように、互いに離間して対向するように設けられた一対の前記堆積電極を備える静電沈着領域とを備え、
   前記絶縁部は、前記誘導粒子生成部をコロナ放電電極によって生成されるコロナパスから絶縁するように、前記誘導粒子生成部の流出口を囲み、かつ、外側に延びる表面を備えるものであることを特徴とするシステム。
2. 前記絶縁部が、前記帯電領域中の前記一対のコロナ放電電極以上の大きさの直径の円盤部を備えることを特徴とする請求項１記載の静電的にエアロゾル粒子を堆積するシステム。
3. 前記絶縁部は、前記誘導粒子生成部からエアロゾル流れを受けるように、前記円盤部と前記帯電領域との間に配置された煙突状部をさらに備えたことを特徴とする請求項２記載の静電的にエアロゾル粒子を堆積するシステム。
4. 前記一対の堆積電極の少なくとも一つの電極上に配置された基板をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の静電的にエアロゾル粒子を堆積するシステム
5. 気相合成によって生成されたナノ粒子であるエアロゾル粒子を静電的に堆積する方法であって、
   誘導粒子生成部によってエアロゾル流れを生成し、
   前記生成されたエアロゾル流れに絶縁部を通過させ、
   コロナ放電電極間に前記誘導粒子生成部からの前記エアロゾル流れを受けるように、互いに離間して対向するように設けられた一対の前記コロナ放電電極間に前記エアロゾル流れを通過させ、
   その間を通過するエアロゾル流れの中の粒子を帯電するための前記コロナ放電電極に直流電流を印加し、前記エアロゾル流れの中の粒子を帯電させ、
   少なくとも一つの電極上に基板が配置された一対の堆積電極間に前記帯電したエアロゾル粒子を通過させ、
   前記基板上に前記帯電したエアロゾル粒子を堆積するように、その間に電界を生成する前記帯電電極に直流電流を印加する、
   各工程を有してなり、
   前記絶縁部は、前記誘導粒子生成部を前記コロナ放電電極によって生成されるコロナパスから絶縁するように、前記誘導粒子生成部の流出口を囲み、かつ、外側に延びる表面を備えるものであることを特徴とする方法。

Images