JP5642362B2

JP5642362B2 - 陽極酸化ポーラスアルミナおよびその製造方法

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Publication number: JP5642362B2
Application number: JP2009187961A
Authority: JP
Inventors: 秀樹益田; 和之西尾; 研介竹中
Original assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology
Current assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: JP2009299188A

Description

本発明は、広い領域にわたり高い規則性をもって細孔が配列した陽極酸化ポーラスアルミナおよびその製造方法に関するものであり、様々な機能デバイスへの応用が可能な高規則性微細多孔性材料を提供するものである。

アルミニウムを酸性、あるいはアルカリ性電解液中で陽極酸化することにより表面に形成される多孔性酸化皮膜は、膜面に対し垂直に配向した微小な細孔を有することから各種機能材料への応用が検討されている。この陽極酸化ポーラスアルミナの幾何構造は、図１に示すように模式的に表すことができる。すなわち、陽極酸化ポーラスアルミナ１は、セル２と呼ばれる円筒状の構造の集合体からなり、各セル２の中心に細孔３が位置している。このような陽極酸化ポーラスアルミナ１がアルミニウム４の表面の陽極酸化によって形成される。

陽極酸化ポーラスアルミナにおいて、セル配列、あるいは細孔配列の規則性は、作製条件に依存し、理想的には、図２の表面平面図に示すように、細孔３が欠陥や配列の乱れなく、三角格子状に配列した構造で示される。しかし、図２に模式的に示されるような細孔３の理想配列を形成した陽極酸化ポーラスアルミナは、一般に得ることが困難である。陽極酸化ポーラスアルミナの機能的な応用をはかる上で、高い規則配列を有する陽極酸化ポーラスアルミナの作製は重要な課題とされている（例えば、非特許文献１）。陽極酸化ポーラスアルミナの機能的な応用の一例として、陽極酸化ポーラスアルミナを貫通孔化することにより、分離用フィルターが作製可能であるが、細孔配列の規則性が向上するのに伴い、細孔径分布もより狭くなり、分離特性の向上が認められることが知られている。陽極酸化ポーラスアルミナにおける細孔配列の規則性は、作製する条件に大きく依存し、適切な条件下で陽極酸化を行った場合には、限定された範囲で、細孔が三角格子配列を形成する規則的な構造を得ることができる。規則的な細孔配列を有する陽極酸化ポーラスアルミナにおける細孔配列は、模式的に図２に示される細孔が欠陥を含まずに理想三角格子を形成した部分と、図２の細孔配列の広域範囲を模式的に示した図３に示すように、これら理想細孔配列を形成する部分がドメインを形成し、隣接するドメインの境界部分５には、細孔配列の欠陥が連なって集積している。これに対し、ドメインの内部に含まれる欠陥は、通常孤立した欠陥である（例えば、非特許文献１）。これらの構造において、細孔配列の孤立欠陥とは、図４に示されるように、理想三角格子配列における細孔位置に細孔が欠落した欠陥６、また、図５に示されるように、理想三角格子における細孔配列の転移点７により定義される．図４に示される細孔欠落部では、周辺の細孔が変形し特異な形状を示し，また、図５に示される転移欠陥では，転移周囲の細孔配列に若干の歪が生じるが、便宜上、これら周辺細孔を含め１個の欠陥と定義される。

これらの構造に基づき、陽極酸化ポーラスアルミナの細孔配列の規則性として、その使用用途に応じて、以下の３種の定義を行うことができる。すなわち、(1）細孔が孤立欠陥を含まずに理想的な三角格子配列を形成する細孔数、(2）一定数の細孔の配列に含まれる欠陥数の割合、(3）上記一つのドメイン内に含まれる細孔数。

これらは、いずれも陽極酸化ポーラスアルミナにおける細孔配列の規則性を示すものといえるが、配列に欠陥を含まない理想的な三角格子配列を形成する陽極酸化ポーラスアルミナが必要とされる場合には(1)の定義が適切な指標となる。また、独立した若干の欠陥が細孔配列に含まれることが許容される場合には、(2)の定義が適切な指標となる。この際、欠陥数の割合を算出するための細孔数が重要となるが、高い規則性を有する陽極酸化ポーラスアルミナにおいては、十分な数の細孔内における欠陥数を求めることが必要であり10,000個程度の範囲における欠陥割合が適当な指標となる。これ以下では、欠陥割合にばらつきが生じ、定量的な評価が困難となる。更に、ドメイン境界における連なった欠陥の内側に存在する、広い範囲の規則性配列を必要とする場合には(3)の定義が適切となる。これら(1)〜(3)で定義した規則細孔配列は互いに独立ではなく、ある試料における細孔配列中に、(1)を最上位配列として(3)に至る段階的な規則配列を有する場合もある。一般的に、ドメイン内の規則配列の細孔数が多ければ、ドメイン内の欠陥数の比率は少なくなる傾向にある。ここで、陽極酸化ポーラスアルミナにおいては、形成される細孔周期は作製条件に依存し、通常、化成電圧に比例する。従って、一定電圧の条件のもとで作製された陽極酸化ポーラスアルミナにおいては、細孔数は、規則性の評価対象となる細孔配列面積に比例する。また、陽極酸化ポーラスアルミナの細孔間隔は陽極酸化時の化成電圧に比例することから、上記の定義による規則配列の面積は、化成電圧と密接な関係をもつ。

(1）の定義にもとづけば、これまでに、陽極酸化ポーラスアルミナにおいて、適切な条件で陽極酸化を行うことで、細孔が縦横30個程度の範囲で（あるいは、細孔数900個程度の範囲で）欠陥を含まない理想三角格子配列を形成することが知られているが、縦横35個以上（あるいは、細孔数1225個以上）の広い範囲にわたって細孔が欠陥を含まず理想配列した陽極酸化ポーラスアルミナ、並びその製造方法は明らかとなっていない。なお、予め規則的な突起配列を有するモールドを作製し、これをアルミニウム表面に押しつける等の方法により、あるいはアルミニウム表面に形成したレジストをパターニングする等の方法により、細孔発生の起点を形成してから陽極酸化を行うことにより、比較的広い範囲にわたって理想三角格子配列の細孔を形成する陽極酸化ポーラスアルミナの製造方法も知られているが（例えば、非特許文献２）、この方法ではアルミニウム表面の前処理を行う必要がある。本発明は、このようなアルミニウム表面の前処理を行わないことを前提としたしたものであり、より容易に、広い範囲にわたって所望の理想三角格子配列の細孔を有する陽極酸化ポーラスアルミナを得ようとするものである。

また、(2）の定義にもとづけば、10,000個の細孔配列中に含まれる欠陥数が100個以下の陽極酸化ポーラスアルミナ、並びにその製造方法は明らかとなっていない。

更に、(3）の定義にもとづけば、連なった欠陥を含まない１個のドメイン中に10,000個以上の細孔を含む陽極酸化ポーラスアルミナ、並びにその製造方法は知られていない。

益田、表面技術、４８巻ｐ．９８６（１９９７）益田、表面技術、Vol. 53, No. 12, ｐ1-4 （２００２）

本発明は、上記従来技術における課題を解決するためになされたものであり、本発明ではとくに、10,000個の細孔配列中に含まれる欠陥数が100個以下の陽極酸化ポーラスアルミナおよびその製造方法の提供を目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明は、以下に記載のような構成とするものである。すなわち、本発明は、シュウ酸を電解液として用い、アルミニウムを陽極酸化することにより作製される陽極酸化ポーラスアルミナであって、前記（２）の定義に基づいた規則性の評価において、三角格子を形成している10,000個の細孔配列中に含まれる欠陥数が100個以下の陽極酸化ポーラスアルミナを得るものである。さらに、陽極酸化条件を最適化することにより、10,000個の細孔配列中に含まれる欠陥数が80個以下の陽極酸化ポーラスアルミナを得るものである。また、さらに陽極酸化条件を最適化することにより、10,000個の細孔配列中に含まれる欠陥数が50個以下の陽極酸化ポーラスアルミナを得るものである。また、さらに陽極酸化条件を最適化することにより、10,000個の細孔配列中に含まれる欠陥数が20個以下の陽極酸化ポーラスアルミナを得るものである。

本発明は、上記のような広い範囲にわたって高規則性をもって細孔が配列された陽極酸化ポーラスアルミナを、電解液を用いて作製する方法も提供する。すなわち、上記の高規則性陽極酸化ポーラスアルミナを作製するに際し、シュウ酸を主成分とする浴を化成浴として用いることで、高規則性陽極酸化ポーラスアルミナを得るものである。また、シュウ酸濃度を2.0Ｍ以上に設定し高規則性陽極酸化ポーラスアルミナを得るものである。更に、浴温を40℃以上とするものである。この場合、陽極酸化時の電圧を35Vから50Vの範囲とすることが好ましい。

このようにして形成された陽極酸化ポーラスアルミナにおいて、陽極酸化初期に形成される部分の細孔配列は乱れており、皮膜の成長とともに細孔配列の規則性が向上する。また、長時間の陽極酸化においては、陽極酸化初期に形成される皮膜最表面部分は溶解を受け、表面が荒れる傾向にある。このため、一定時間陽極酸化を施した後、形成された陽極酸化皮膜を一旦除去し、その後再び、同一の化成電圧で陽極酸化することにより、最表面から高い細孔規則配列を有する陽極酸化ポーラスアルミナを得ることを可能になる。本発明は、このような製造方法により製造された陽極酸化ポーラスアルミナも提供する。

また、このようにして得られた陽極酸化ポーラスアルミナを、アルミニウム地金から分離したのち、細孔底部をエッチングにより貫通孔化することで、微細な細孔が規則配列した貫通孔化陽極酸化ポーラスアルミナを得ることができる。

このようにして得られた貫通孔化陽極酸化ポーラスアルミナは、例えば精密濾過用フィルターとして用いることができる。例えば、分離用または乳化用等の産業用・業務用フィルターとして利用できる。また、貫通孔を有する陽極酸化ポーラスアルミナは、基板上に設置することで、真空蒸着、あるいは、スパッタ法によるマスクとして用いることが可能である。さらに、基板上に設置した陽極酸化ポーラスアルミナをマスクとし、エッチングを行うことで、基板の加工を行うことができる。

さらに、このようにして得られた、微細細孔周期、および微細孔を有する高規則性陽極酸化ポーラスアルミナは、細孔内に様々な物質を充填することにより、磁気記録媒体、光学材料等への応用が可能となり、本発明はそのような陽極酸化ポーラスアルミナおよびその製造方法も提供する。細孔内には、例えば、金属、半導体、高分子、有機物のいずれかを充填することができる。

本発明によれば、従来の方法に比較し、広い範囲にわたり規則的な細孔配列を有する陽極酸化ポーラスアルミナの作製が可能となり、この結果、各種高性能デバイスへのより広い応用が可能となる。

陽極酸化ポーラスアルミナの構造を模式的に示す斜視図である。陽極酸化アルミナにおける理想細孔配列を示す平面図である。陽極酸化ポーラスアルミナにおけるドメインを有する細孔配列を示す平面図である。理想三角格子配列における細孔位置に細孔が欠落した欠陥の例を示す陽極酸化アルミナの部分平面図である。理想三角格子配列における細孔の転移点の例を示す陽極酸化アルミナの部分平面図である。陽極酸化ポーラスアルミナを製造する装置を示す概略構成図である。

本発明の実施の具体的な方法について、図面を参照して、より詳細に説明する。図６は、本発明において、高規則性陽極酸化ポーラスアルミナを製造する装置を示したものである。用いるＡｌ試料は、純度、形状を問わないが、望ましくは、純度９９．９９％以上の板状試料が作製に適している。試料表面は、平滑処理を施すことが望ましく、例えば、過塩素酸／エタノール混合溶液中において、電解研磨を施したアルミニウム板４を用いることができる。また、細孔の規則性は細孔の成長と共に向上することから、数100μm以上の厚さを有するＡｌ板４を使用し，長時間陽極酸化を実施することが好ましい。陽極酸化においては、電解槽１１内の電解液８として、2.0M以上のシュウ酸を40℃以上の温度で用いることが好ましい。電源９により、Ａｌ板４と対極１０との間に所定の化成電圧が印加される。ポーラスアルミナの細孔間隔は化成電圧に依存し、化成電圧の変動は、セル径の変動、ひいては細孔配列の規則性の低下を引き起こすことから、陽極酸化は定電圧条件下行う。但し、負荷条件が変動せず、化成電圧が一定の条件下においては、定電流条件でも等価とみなすことができる。

細孔が皮膜最表面から底部まで規則配列した皮膜を得るためには、２段階陽極酸化法を有効に用いることができる。この方法では、一定時間陽極酸化を施し、細孔配列が十分な規則性を形成した後、皮膜部分を選択的に溶解除去する。皮膜のみを選択的に溶解除去する目的のためには、例えば、リン酸、クロム酸の混合溶液を用いることができる。皮膜溶解除去後、地金Ａｌ表面には、酸化皮膜のセルの形状に対応した窪みが、細孔配列に対応して形成される。この後、同一の電圧で陽極酸化を施すことにより、地金Ａｌ上の窪みが孔の発生点となり、最表面から規則配列を有する陽極酸化ポーラスアルミナを得ることが可能となる。

陽極酸化の後に地金アルミニウムを溶解除去し、更に細孔底部を溶解除去することにより、貫通孔を有する陽極酸化ポーラスアルミナを得ることもできる。陽極酸化ポーラスアルミナを地金アルミニウムから分離するためには、塩化第一水銀溶液中において地金アルミニウムを選択的に溶解除去する方法、あるいは、ヨードのメタノール溶液により地金アルミニウムを選択的に溶解除去する方法等を用いることができる。皮膜底部のエッチングには、リン酸等の酸により溶解する方法、イオンビーム、機械研磨等を用い、物理的に皮膜底部を溶解除去し、貫通孔化する手法等を用いることができる。

このようにして作製された広い範囲にわたる（長距離にわたる）規則細孔配列を有する陽極酸化ポーラスアルミナは、細孔内に様々な物質を充填することにより、複合構造を形成することができる。充填物としては、金属、半導体、高分子、有機物等が可能であり、これらの物質の充填には、電析法、ゾルゲル法、真空蒸着法、スパッター法、ＣＶＤ法等の手法を用いることができる。このようにして形成された複合材料は、各種記録媒体、光学素子等への応用が可能となる。

次に、実施例に基づいて、本発明を更に具体的に説明する。
実施例１
純度99.99％のＡｌを、過塩素酸／エタノール浴を用い電解研磨を施した後、3.5Ｍシュウ酸を電解液とし、浴温55℃、強攪拌条件下、40Ｖの定電圧条件下、４時間陽極酸化を行うことにより、皮膜底部で細孔が縦、横80個×60個以上にわたって欠陥を含まず理想三角格子の細孔配列を形成した陽極酸化ポーラスアルミナを得た。また、このとき得られた陽極酸化ポーラスアルミナは、細孔10,000個あたり、欠陥を18個含んでいた。また、この三角格子の細孔配列を形成しているドメインのサイズは、500×200 μｍ四方以上であり、その中には、1.0×10⁷個以上の細孔が含まれていた。

実施例２
実施例１と同様にして長距離規則性を有する陽極酸化ポーラスアルミナを作製した後、50℃のクロム酸、りん酸混合液に８時間浸漬することにより酸化皮膜を溶解した。再度同じ条件で10分陽極酸化を行い、実施例１と同様の規則性が細孔の最上部から底部まで維持されたポーラスアルミナを得た。

実施例３
実施例２と同様にして皮膜の最上部から底部まで長距離規則性を有する陽極酸化ポーラスアルミナを作製した後、ヨウ素のメタノール飽和溶液中でAlを溶解し、バリヤ層をりん酸でエッチングすることにより全ての細孔が貫通孔化したポーラスアルミナを得た。

実施例４
実施例３と同様にして貫通孔化した長距離規則性を有する陽極酸化ポーラスアルミナを作製した後、片面にAu電極を作製し、細孔内にAuめっき液を浸透させた後にめっきを行い、細孔内にAuが充填された複合構造を得た。

１陽極酸化アルミナ
２セル
３細孔
４アルミニウム（板）
５ドメインの境界部分
６理想三角格子配列における細孔位置に細孔が欠落した欠陥
７理想三角格子における細孔配列の転移点
８電解液
９電源
１０対極
１１電解槽

Claims

シュウ酸を電解液として用い、アルミニウムを陽極酸化することにより作製される陽極酸化ポーラスアルミナであって、三角格子の配列を形成している細孔10,000個あたりの欠陥が100個以下であることを特徴とする陽極酸化ポーラスアルミナ。
請求項１に記載の陽極酸化ポーラスアルミナを、濃度2.0M以上のシュウ酸を電解液として用いて作製することを特徴とする、陽極酸化ポーラスアルミナの製造方法。
浴温を40℃以上とすることを特徴とする、請求項２の陽極酸化ポーラスアルミナの製造方法。
陽極酸化時の電圧を35Vから50Vの範囲とすることを特徴とする、請求項２または３の陽極酸化ポーラスアルミナの製造方法。
陽極酸化後、酸化皮膜を一旦除去し、再度同一の電圧で陽極酸化を行うことを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の陽極酸化ポーラスアルミナの製造方法。
陽極酸化後、地金アルミニウムを除去し、更に細孔底部を除去し、貫通孔を形成することを特徴とする、請求項２〜５のいずれかに記載の陽極酸化ポーラスアルミナの製造方法。
細孔内に、金属、半導体、高分子、有機物のいずれかが充填されていることを特徴とする請求項１に記載の陽極酸化ポーラスアルミナ。
請求項１に記載の陽極酸化ポーラスアルミナの細孔内に、金属、半導体、高分子、有機物のいずれかを充填することを特徴とする、陽極酸化ポーラスアルミナの製造方法。
請求項６に記載の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする、貫通孔化陽極酸化ポーラスアルミナを利用したフィルター。