2020 Fiscal Year Research-status Report
精密機械加工と三次元フォトリソグラフィの融合による空気抵抗低減サメ肌模倣造形技術
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19K04132
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| Research Institution | Toyota Technological Institute |
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Principal Investigator |
佐々木 実 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70282100)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
厨川 常元 東北大学, 医工学研究科, 教授 (90170092)
Nguyen HaiMinh 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), ポストドクトラル研究員 (90815862) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 三次元フォトリソグラフィ / サメ肌リブレット / 微細加工 / 金型曲面 / 部分窒化 / 高アスペクト比 / 異方性エッチング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2019年度はNACA0020翼用の金型を用意し、その曲面に微細パターン転写ができることを確認した。応用として、省エネ効果の大きい亜音速で飛行する旅客機の翼を考え、幅15μm、深さ85μmのフィン構造が良いことをJAXAなどの資料によって認識し、産業インパクトの大きい課題に注力することとした。幅に対して5.7倍高いフィンであり、これの凹凸逆転した深い構造を、加工が難しい金型材料で用意できるかがポイントとなる。鋼材への窒素固溶を利用する点は昨年度方針のままとした。
2020年度前半はTiO2ナノ粒子を、分散液から昨年度より緻密に凝集させた膜をマスク材に利用した。しかし、粒子間に結合は無く隙間がある。特に膜厚が薄い部分は、特有の斑点が生じ、マスクとして不完全であった。これを改善するため、半導体プロセスで利用されるスピンオングラスを導入した。キュアすると有機物が取れ、ガラスの化学結合ができる。スピンオングラスはベーク後に重ね塗りが可能で、膜厚は1μm程度にできた。パターン状にすることは、プラズマによるドライ、フッ酸によるウェットエッチングの両方で行えた。マスク境界がシャープで、窒素固溶処理の跡は斑点が無く、境界の色変化が明瞭であった。
上記サンプルを塩酸にてウェットエッチングし、特性を調べた。エッチングの進み方は２種類ある。一つは窒化領域が崩れるようにエッチングが進んだ。窒化領域表面は、完全な窒素固溶ではなく、鋼中のクロムと窒化クロムを形成することで、耐薬品性が劣化したと考えられる。もう一つは、窒化した領域と、していない領域の境界でエッチングが進み易い。このエッチング溝幅は2-3μmと細く、深く進む。異種材料が電解液に接することで、一種の電気化学エッチングになったと考えられる。上記を踏まえてプロセス設計することで、金型などの鋼材に対して、異方性エッチング加工ができる見通しを得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初計画では、サメ肌リブレットをシンプルに模倣することを想定していた。すなわち、製作する溝構造は申請書に示したピッチ約300μmで等方性ウェットエッチングにて用意する、アスペクト比0.5程度の浅いものであった。
しかし、調査を本格的に進めると、流体力学の理論計算から、求められる形状に差があることが分かった。航空機の翼応用でピッチ170μmであることは類似サイズであるものの、そのフィン構造は幅15μm、高さ85μmと尖っていることが流体抵抗を下げるのに重要で、これを凹凸逆の金型で製作するには、幅15μm、深さ85μmとアスペクト比5.7の異方性溝構造が必要であると分かった。テーマとして、サメ肌をシンプルに模倣することもできたが、それでは価値が低いと考え、難易度が高くとも高アスペクト比構造を金型で製作することを目指すこととした。このための基礎実験を昨2020年度に進めた。微細パターンを曲面金型に実現する点で既に新規であるが、このパターンを基に高アスペクト比構造を鋼に実現することは類似研究がない。この本質的な課題に取り組み、解決に向かう知見が得られるようになってきた。パターニングに続くエッチング技術においてリソグラフィと精密機械加工のノウハウが融合しつつある。
以上の理由により、ゴールであるリブレット微細構造付きブレードの試作は、遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨2020年度に見出した、部分窒化に基づく技術を発展させ、鋼に高アスペクト比構造を実現する。微細パターン状に鋼のウェットエッチングを行い、その形状を調べている先行研究はほとんど見当たらない。塊としての材料の性質を調べているものは報告がある。基本的な知見を見出す段階のため、学会発表等は遅れているが、リソグラフィと精密機械加工が融合する新分野を拓く基盤になると考えられる。基本原理については特許出願した上で、学術的知見を学会発表する。
窒化処理した鋼のウェットエッチングは、多点同時で進むため、高い生産性を得る長所を保っている。エッチングは、異方性と共に得られる窒素固溶領域との界面で止まっていることが見受けられた。エッチング面のプロファイルは、窒素の拡散領域の形状で決まり、鋼の結晶粒界の影響を受けない。エッチング面は光沢があり、表面粗さは約0.2μmRaであった。比較のために、通常のステンレスを塩化第二鉄のエッチング液で処理した場合は、光学顕微鏡では光反射が僅かで黒く見え、表面粗さは計測できないほど荒れていた（電界研磨して約0.2μmRa）。エッチング面が平滑であることは、精密加工に適している。鋼に高アスペクト比の深い溝がウェットエッチングにて製作できれば、液に浸けるだけであるので、サンプルの形状制限がほとんど無く、翼形状をしたプレス金型だけでなく、円筒ロール表面にも同様の溝を作る見通しが得られることになる。ロールを使う圧延加工のように、更に生産性の高い技術とも組み合わせることができる。以上のように、今後も高い生産性を意識しつつ研究を進める。
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| Causes of Carryover |
フォトレジストなどの薬品は、当該技術に関心がある企業から提供を受けて節約した。また、コロナ禍で旅費を使わなかったことが理由である。
差額756円は全体に対して大きな金額ではなく、問題無く研究に活用する。
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