メカノケミカル反応を利用したサファイアの溝付け加工

• Project/Area Number: 22H04211
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: 2140:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, fluid engineering, thermal engineering, mechanical dynamics, robotics, and related fields
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: Kado Go 千葉大学, 西千葉地区事務部, 技術専門職員
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥480,000 (Direct Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2022: ¥480,000 (Direct Cost: ¥480,000)
• Keywords: サファイア / メカノケミカル反応 / CMP

Outline of Research at the Start

サファイアは高硬度，耐摩耗性，高温安定性，化学的安定性などに優れた材料である．現在は軸受，窓材，LED 用基板などに用いられている．しかし高硬度であるためその加工は困難であり，加工効率が悪く，加工コストが高い．さらに現状の加工方法では，平面もしくは平面を組み合わせた形状にしか加工できない．
ところでサファイアは化学的に安定であるが，高圧下ではSiO2 と接触した界面で化学反応を起こして複酸化物を生成することが知られている．この現象，すなわちメカノケミカル反応を利用して，サファイアに対して所望の3 次元的形状に加工をすることを目的とした．

Outline of Final Research Achievements

実験は回転するガラス円板に対して，サファイアを一定の送り速度で押しつけるようにしta．実験の結果，サファイアに対しガラス円板の端面の形状を転写するように，溝加工することができた．加工体積は500sの加工で0.03mm^3であった．加工したサファイアの溝は鏡面であった．この溝をAFMを用いて表面粗さを測定した．得られたサファイアの面粗さはSa=1.38nmであり，CMPと同程度の面粗さである．

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

CMPはもともと数nm程度の表面粗さから加工を始めなければならない．一方，本研究の方法は，CMPに比べると粗い面から始めることができるにもかかわらず，CMPと同程度の1.38nmという面粗さが得られる．単位時間当たりの加工深さ(MRR)は，CMPの0.387μm/hに対し，本手法は216μm/hである．本手法ではCMPと同程度の表面粗さをCMPよりはるかに粗い面から開始して著しく大きな加工量で得ることができる．
以上から本手法ではCMPと同程度の表面粗さで，CMPよりも効率的にサファイアを加工することができるようになる．

Research Products

• [Presentation] ガラスを切削したときの摩耗を利用したサファイアの加工 (2023)
  • Author(s): 松波友陸，荷堂剛，中本剛
  • Organizer: 千葉県加工技術研究会