2022 Fiscal Year Annual Research Report
SiC金型切削とナノ構造形成およびグラフェン成膜による高機能ガラス光学素子成形
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21H01230
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
閻 紀旺 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (40323042)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ガラス成形 / 金型加工 / 超精密切削 / グラフェン成膜 / 微細構造表面 / 超硬合金 / SiC / レンズアレイ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，スローツールサーボ（STS）援用分割切削を用いて超硬合金や反応焼結SiC金型の超精密加工を行い，切削面へフェムト秒レーザを照射することによって表面ナノ周期構造（LIPSS）を形成させる．さらに，LIPSS表面へグラフェン膜をコーティングすることによって高精度・長寿命かつ離型性の優れる金型を製作する．そして，製作した金型を用いてガラスプレス成形を行い，ガラス製マイクロレンズアレイや各種の微細構造表面の高精度創成を可能にする．令和４年度では，前年度で加工した超硬合金や反応焼結SiC金型表面へのLIPSS（レーザ誘起ナノ周期構造）形成とグラフェン成膜を行い，その形成メカニズムや成膜特性の究明を行った．具体的には，切削後の金型表面に対してフェムト秒パルスレーザ照射を行い，LIPSSを全面に形成させるための照射条件の探索を行った．1方向のLIPSSを形成する場合，表面異方性が現れ，プレス成型時にガラスの流動特性に影響を及ぼす可能性がある．表面異方性を抑制するためには，本研究室が独自に開発したナノドット形成法を用いてレーザ照射を行った．特に可能が困難とされている反応焼結SiCについて，フェムト秒パルスレーザ照射を行い，様々なLIPSSが形成の可能を検証でき，またナノ周期構造のピッチや深さの制御も可能であることを確認できた．さらに，ナノ周期構造のピッチや深さの制御も試みた．その後，グラフェンCVD装置を用いてLIPSS表面へのグラフェン成膜を行い，成膜条件の最適化を行った．
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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
超硬合金および反応焼結SiC金型表面へのLIPSS（レーザ誘起ナノ周期構造）形成とグラフェン成膜のメカニズム究明を行ったことで，ガラス成形金型の製造技術における技術革新の可能性を見出した．特に反応焼結SiCのフェムト秒パルスレーザ照射でLIPSSを全面に形成させるための照射条件の探索を行った．その結果，様々なLIPSSが形成可能であることと，ナノ周期構造のピッチや深さの制御も可能であることを確認できた．これは今後金型性能向上に大きく寄与する内容である．また，グラフェンCVD装置を用いてLIPSS表面へのグラフェン成膜を行い，成膜条件の最適化も実現している．以上のことより，年度内の研究内容はほぼ順調に進展していると判断する．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和５年度では，金型表面へのLIPSS（レーザ誘起ナノ周期構造）形成とグラフェン成膜を行った金型を用いてガラスマイクロレンズアレイの成形を行い，成形機構や界面現象を調べ，最適な成形条件を解明する．具体的には，開発した金型を用いてガラスのプレス成形実験を行い，マイクロレンズアレイ形状の転写精度を計測する．また，成形過程におけるガラスとグラフェン膜と表面形態変化について観察と分析を行い，ガラス・グラフェン膜・金型基材間の界面現象を解明する．最終的に界面構造の最適化によって，離型力の低減と金型の長寿命化を達成する．
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