JP7120576B2 - 金属表面の濡れ性の制御方法 - Google Patents
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Description
さらに好ましいパルス幅の範囲は1ナノ秒以上100ナノ秒以下である。
これらの方法により,金属の表面の均質な濡れ性をきめ細かく制御することが可能となる。
超短パルスレーザーによる金属表面の加工においては,単位面積あたりのエネルギー量(すなわちフルエンス)が極めて大きいため,図1(a)(b)に示すように,レーザー照射箇所において瞬時に金属1が昇華し,その部分のみに凹部2が形成されるが,熱は発生しないために熱加工はおこなわれず,凹部2の周縁において変化はない。
これに対して,ナノ秒パルスレーザーを金属表面に照射した場合は,フルエンスが超短パルスレーザーほどは大きくないため,アブレーション加工と熱加工とが同時に起こる。このため,図1(c)(d)に示すように,ナノ秒パルスレーザーが照射された箇所でアブレーション加工が起こり,凹部2が形成されるとともに,凹部2の周縁では熱加工が起こり凸部3が形成される。凹部2の深さや凸部3の高さはナノ秒パルスレーザーの1ショットのエネルギーやピークパワーやフルエンスによって適宜に制御することが可能である。
また,パーカッション加工法によりレーザー照射を同じ箇所で間欠的に何度も行うことによっても凹部2をより深くすることもできる。
しかしながら,金属表面をアニーリングしてからナノ秒パルスレーザーを照射した場合には,金属表面は逆に親水性を示す結果となる。この原因は次のように推測される。すなわち,金属表面をアニーリングしてからナノ秒パルスレーザーを照射した場合,金属表面に微細な凹凸が形成される。このため,ナノ秒パルスレーザーの照射による孔の形成という比較的大きな構造との間で階層的な構造が形成され,微細な凹凸構造による毛細管現象によって金属表面に載せられた水滴が吸引されて,親水性を示すようになると考えられる。
本発明において用いられるナノ秒パルスレーザーは,パルス幅が0.1ナノ秒以上1マイクロ秒以下のパルスレーザーである。パルス幅が0.1ナノ秒未満の場合,レーザー照射箇所における金属のアブレーションによって凹部が形成されるが,熱の発生が少なくなり,熱加工による凹部周縁での凸部の形成がされ難くなる。一方,パルス幅が1マイクロ秒を超えると,レーザー照射箇所における金属のアブレーションによる凹部の形成がされ難くなる。パルス幅のさらに好ましい範囲は,1ナノ秒以上100ナノ秒以下であ。
本発明の形態として,レーザー照射において間欠的にレーザー照射を行うパーカッション加工法を用いることができる。パーカッション加工法を採用することにより,金属表面により深い凹部を形成することができる。
ナノ秒パルスレーザーの照射ピッチをマイクロメートルオーダーで制御しながらパーカッション加工法を併用することで,マイクロメートルピッチとナノメートルピッチの異なる周期の微細周期構造を同時に形成させることが可能となり,これにより,均質で,きめの細かい濡れ性の制御を行うことができる。
本発明の金属表面の濡れ性制御方法で適用可能な金属としては,特に限定はされないが,鉄,アルミニウム,アルミニウム合金,銅,銅合金,ステンレス等の金属全般の濡れ性を制御することができる。また,本明細書において金属とはシリコンなどの半導体も含む概念であり,これらの表面の濡れ性を制御することも可能である。
(実施例1)
実施例1では,金型鋼の表面に,ナノ秒パルスレーザーによるパーカッション加工を行うことにより,微細周期構造を形成し,表面の濡れ性を制御した。以下にその詳細を示す。
表面処理の対象となった金属は炭素鋼(表面粗さRa = 0.3 μm,日立金属株式会社製)であり,これを20mm×20mmの大きさに切り出した。そして,表面粗さRa=0.3,0.1,0.05及び0.05ミガキの4種類の研磨片を用意した。
上記の金属試料片を濃硫酸3に対し30%過酸化水素水1の容量比で混合したピラニア溶液に浸漬した後,引上げ,イオン交換水で洗浄し,乾燥させた。
上記の前処理を行った金属試料片について,同じ大きさの正方形となるように4分割した箇所を,表1に示す照射条件でパーカッション加工を行った。レーザー加工はナノ秒レーザー加工装置 (発振波長 532 nm,最大出力 10 W) を使用した(以下,他の実施例でも同様)。レーザー加工の光学系としては,ガルバノスキャナーとエキスパンダーとf-θレンズを組み合わせた走査型光学系を採用した。また,レーザー出力を制御するために減衰板を2個使用した。掃引方法としてはガルバノミラーを用いた。レーザースポット径はエキスパンダー8倍,レンズは焦点距離100mmのf-θレンズを用い,直径16μmとした。
照射条件の詳細を表1に示す。ここで,パルス周波数とはパルスの繰返し周波数のことをいい,パルス幅とはパルスの時間幅のことをいう。また,ピークパワーとは(1shotのエネルギー)/(パルス幅)の値をいい,フルエンスとは,単位面積あたりのエネルギー量をいう。また,被測定対象物表面におけるレーザーの径は16μmとし(以下,他の実施例においても同様である。),レーザー光の掃引スピードを変化させることでピッチを40μmとなるように制御した。また,パーカッション加工は1箇所当たりのレーザー照射のshot回数が80回となるように行った。
ナノ秒パルスレーザー照射を行った各金属試料片について,形状測定及びうねり分析を行った。測定は3Dレーザー顕微鏡OLS4100(オリンパス株式会社製)を用い(以下,他の実施例でも同様),拡大倍率1080倍で測定した。ただし,ナノ秒パルスレーザーが照射された箇所は金属のアブレーションによって深い孔となっているため,測定のためのレーザー光が反射できないため乱反射等によってノイズが発生し,測定することができなかった。
濡れ性の評価として,全自動接触角計DM-701(協和界面科学株式会社製)を用いて,平行接触角及び滑落角を測定した(以下,他の実施例でも同様)。測定条件については表3に示す。なお,測定に際しては,直前にピラニア溶液に浸漬した後,蒸留水で洗浄し,窒素ガスを吹き付けて乾燥させてから測定を行った。静的接触角は5回の測定の平均値を採用した。結果を表4及び図8に示す。
実施例2では,金属試料片をナノ秒パルスレーザーによるパーカッション加工をピッチを替えて行うことにより,様々なピッチを有する微細周期構造を形成し,表面の濡れ性を制御した。以下にその詳細を示す。
表面処理の対象となった金属は,アニーリングしてから20mm×20mmの大きさに切り出した炭素鋼であり,表面粗さRa = 0.3のものを3枚用意した。
上記の金型鋼の金属試料片について,同じ大きさの正方形となるように4分割した箇所を,ナノ秒パルスレーザーによってパーカッション加工を行った。また,レーザー光の掃引スピードを変化させることでピッチを30~80μmとなるように様々に制御した。パーカッション加工は1箇所当たりのレーザー照射のshot回数が80回となるように行った。照射条件の詳細を表5に示す。
ナノ秒パルスレーザー照射を行った各金属試料片について,形状測定及びうねり分析を行った。測定は3Dレーザー顕微鏡を用い,拡大倍率1080倍で測定した。形状測定は5箇所の平均値を採用した。結果を表6に示す。表6におけるピッチτ,凸の幅f1,凹の幅f2及び突起高さhの意味については,図3において示した通りである。こうして得られた測定値から求められた断面形状及び3Dマッピング画像を図10~12に示す。レーザーによって開けられた孔が整列して並んでいるのが分かる。ただし,孔部分はレーザー光の乱反射等によるノイズのために正確な形状は表現されていない。
濡れ性の評価として,実施例1の場合と同様にして,平行接触角及び滑落角を測定した。測定は5回の測定の平均値を採用した。測定条件を表7に示す。また,結果を表8に示す。
1)被加工金属
表面処理の対象となった金属は20mm×20mmの大きさに切り出した炭素鋼であり,表面粗さRa = 0.285のものである。この金属試料片に対してアニーリングしてから,ナノ秒パルスレーザーによるパーカッション加工を様々なピッチで行うことにより様々な微細周期構造を形成し,表面の濡れ性を制御した。以下にその詳細を示す。
ナノ秒パルスレーザー照射を行った各金属試料片の形状測定及びうねり分析を3Dレーザー顕微鏡を用い,拡大倍率432倍で測定した。その結果、パーカッション加工による、規則正しい微細周期構造のレイアウトが形成されていることが分かった(表10参照)。
濡れ性の評価として,実施例3と同様にして静的接触角を測定した。測定条件を表11に示す。
1)被加工金属
表面処理の対象となった金属は20mm×20mmの大きさに切り出した炭素鋼であり,表面粗さRa = 0.302のものである。この金属試料片に対してアニーリングをしてから,後述するナノ秒パルスレーザーによるハッチング処理を行った。その後,ハッチング処理を行った周縁にパーカッション加工を様々なピッチで行うことにより,様々な微細周期構造を形成し,表面の濡れ性を制御した。以下にその詳細を示す。
ナノ秒パルスレーザー照射を行った各金属試料片の形状測定を、3Dレーザー顕微鏡を用い,拡大倍率432倍で測定した。結果を表13に示す。また,こうして得られた測定値から求められた断面形状及び3Dマッピング画像を図15に示す。図15からパーカッション加工による規則正しい微細周期構造のレイアウトが観察された。ただし,図15における凹部については,レーザー光の乱反射等によるノイズのために正確な形状は表現されていない。
実施例4の各金属試料片の濡れ性の評価として,実施例3と同様にして静的接触角を測定した。測定条件を表14に示す。
Claims (3)
- 金属表面にナノ秒パルスレーザーを照射して表面加工を行う工程において、金属の材質や形状や寸法に応じて1ショットのエネルギー、ピークパワー及びフルエンスの少なくとも一つを制御することによりアブレーション加工と熱加工を同時に行い、レーザー照射箇所に凹部を形成すると同時に該凹部の周縁に凸部を形成させ、
レーザー照射を間欠的に行うパーカッション加工法を用い、かつ2次元平面上の照射パターンを変化させることによって所望の3次元形状を得る金属表面の濡れ性制御方法であって、
前記ナノ秒パルスレーザーの照射ピッチをマイクロメートルオーダーで制御しながら前記パーカッション加工法を併用することで、マイクロメートルオーダーのピッチと、形成された1つのマイクロメートルオーダーのピッチよりも周期の短いピッチの、異なる2つの周期の微細周期構造を同時に形成させることを特徴とする金属表面の濡れ性制御方法。 - 金属表面にナノ秒パルスレーザーを照射して表面加工を行う工程において、金属の材質や形状や寸法に応じて1ショットのエネルギー、ピークパワー及びフルエンスの少なくとも一つを制御することによりアブレーション加工と熱加工を同時に行い、レーザー照射箇所に凹部を形成すると同時に該凹部の周縁に凸部を形成させ、
前記レーザー照射箇所とレーザー照射される金属とを相対移動させつつパーカッション加工法を行い、金属表面に周期構造を形成させる金属表面の濡れ性制御方法であって、
前記ナノ秒パルスレーザーの照射ピッチをマイクロメートルオーダーで制御しながら前記パーカッション加工法を併用することで、マイクロメートルオーダーのピッチと、形成された1つのマイクロメートルオーダーのピッチよりも周期の短いピッチの、異なる2つの周期の微細周期構造を同時に形成させることを特徴とする金属表面の濡れ性制御方法。 - 前記ナノ秒パルスレーザーのパルス幅は、1ナノ秒以上100ナノ秒以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の金属表面の濡れ性制御方法。
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