2019 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ加工技術を用いた機能性流体ECFマイクロ液圧源の高出力パワー密度化
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18H01359
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
金 俊完 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (40401517)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 和弘 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (00220632)
嚴 祥仁 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (20551576) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | マイクロポンプ / 電界共役流体（ECF） / Deep RIE / マイクロ液滴生成器 / マイクロ液滴分別器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，安価で大量生産が可能であると同時に，世界一の高出力パワー密度を有するマイクロ液圧源を実現し，多様な分野へ応用することを研究目的に，電界共役流体(ECF)の駆動原理とナノ(Nano)加工技術を融合した新たなマイクロポンプを開発している．本年度では，出力パワー密度を向上させるために，(1)Deep-RIE法による高アスペクト比シリコン構造体の製作と性能評価，また，この応用研究として，(2)ECFジェット駆動のマイクロ液滴生成器と分別器の開発を行った．
（１）Deep-RIE法を用いたシリコン電極対によるECFマイクロポンプ：電界共役流体（ECF）とは直流電圧印加により活発な流動を生じる機能性流体であり，ECFを用いたポンプは電極対と流路のみで構成される点，電極寸法の微小化により出力が向上する点から微小かつ高出力な液圧源として期待されている．ECFマイクロポンプのさらなる高パワー密度化のために，三角柱－スリット形電極対（TPSE）の高アスペクト比化を行った．従来の電鋳を主とした製作プロセスとは異なりDeep reactive ion etching（RIE）を用いたSiエッチングにより高アスペクト比TPSEを提案・製作し，このECFマイクロポンプの有効性を確認した．
（２）ECFジェットのマイクロ液滴発生器と分離器への応用：液滴ベースのマイクロ流体デバイスでは高精密マイクロポンプのデバイスへの搭載が課題であることを指摘し，電極対のみでジェット流を発生できるECFマイクロポンプを搭載することによる新たな液滴ベースマイクロ流体デバイスを提案した．本研究で開発したECFマイクロポンプを搭載したマイクロ液滴生成器とマイクロ液滴分別器を実現し，実験によりその有効性を確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Deep-RIEを用いて三角柱－スリット形電極対（TPSE）を製作するプロセスを提案し，このプロセスを用いて電極高さ0.2mm，0.38mm，0.5mmのTPSEを直列10対×並列3対に集積したECFマイクロポンプを実現した．性能評価を行い，Deep-RIEプロセスを用いて製作したECFマイクロポンプの発生圧力が従来の電鋳プロセスで製作されたものを上回る結果となった．しかし，発生流量については，Deep-RIEのECFマイクロポンプが電鋳のものに比べ低流量を発生していた．これは高アスペクト比TPSE製作においてサイドエッチング量が非常に大きくなり，設計と異なる形状の電極対による性能低下であった．このサイドエッチングの原因が露出されたガラスのチャージアップとイオンシースの歪みであることを明らかにし，この問題点を解決した新たなプロセスを提案した．新たなプロセスにより，垂直度を維持しながら電極高さ0.7mmのTPSEの製作に成功した．この高アスペクト比ECFマイクロポンプにより圧力・流量特性実験を行った結果，発生流量が従来の約1.3倍に増加し，TPSEのアスペクト比上昇がポンプの性能向上に効果的であることを明確にした．
開発した高出力ECFマイクロポンプを搭載した (1) W/O (油中水) 液滴生成器，および(2) O/O (油中油) 液滴生成器を提案した．DBD (dibutyl decanedioate)に3 wt%のSpan 80を添加した新たな機能性流体を合成したことで，W/OとO/Oの両方の液滴生成器でマイクロ液滴の安定化に成功した．また，T字形流路の液滴生成器の連続相流路に斜めに交差する方向にECFマイクロポンプを有することでマイクロ液滴の軌道を変え分別に成功した．
ｖ上記の研究成果から，本研究は順調に進んでいると判断している．
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| Strategy for Future Research Activity |
ナノ加工技術を用いて，世界一の高出力パワー密度を有するマイクロ液圧源を開発するために，(1) ECF電極対のさらなる高アスペクト比化と，(2) 三角柱電極先端のナノピン突起化を行う．
ECFジェットを発生させる三角柱－スリット形電極対(TPSE)を高アスペクト比化することでマイクロポンプの高パワー密度化が可能である．高さのみを増加させる方法と電極高さは一定に維持しながら上面からの見た電極対のサイズを極端に小さくすることで電極対密度を高くする方法の二方向から検討する．電極高さの増加ではそれに比例する流量の増加が見込まれる．高アスペクト比の電極対を製作する方法として，金属援用エッチングを応用した新たなシリコン加工方法を確立する．金属援用エッチングとは，金属パターンをSi基板上に堆積し，フッ化水素と過酸化水素を混合した水溶液に浸すと，電子ホールの存在のもと金属直下のシリコンがエッチングされる方法である．同時に，CVD法による高アスペクト比CNT構造体の製作も開発する．
また，ナノピン突起を電極表面に形成することで，①ナノピンによるECFジェットと②通常のTPSEによるECFジェットの2段階のジェットが形成できると想定している．ナノピンにより低電圧で発生するECFジェットがトリガーとなり，TPSEにおけるECFジェットのしきい電圧(threshold voltage)を下げることができると判断している．極端に急峻な電界勾配を形成できるナノピン突起を，(a) CNT複合Auめっき，または，(b) スピンスプレーZnO蒸着により形成できる新たなプロセスを提案し，高パワー密度化と低電圧化を両立できるECFマイクロポンプを開発する．
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