2013 Fiscal Year Annual Research Report
リソグラフィを用いずにナノ構造を作るための金型製造技術の開発
| Project/Area Number |
24246027
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
中尾 政之 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90242007)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長藤 圭介 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (50546231)
土屋 健介 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (80345173)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
|
| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / 機械工作・生産工学 / 結晶成長 / エネルギー効率化 / 燃料電池 |
|---|
| Research Abstract |
本研究では、リソグラフィを用いずに、数10nmから数μmのピッチや高さを有する凹凸の“ナノ構造”を形成する金型製造技術を開発する。具体的に、(a)金型全面に直径が可視光波長以下の針状組織を形成するためのナノワイヤの結晶成長技術、(b)上記針状組織を円錐組織に変形する成膜・エッチング技術、(c)金型全面に直径が可視光波長以下の円柱穴組織を形成するための通電孔生成を伴う陽極酸化技術、（d）微細粉末のスラリーが離型容易な表面処理技術、(e)上記陽極酸化膜の下地膜から再陽極酸化する技術、(f)上記ナノ構造の表面にダイヤモンドライクカーボンを成膜する技術、(g)粒子を含んだスラリーを転写後にメッキや焼結で固定する技術、などである。また、上記の金型をニッケルメッキで転写したのち、それを丸めてロール成形で樹脂、ガラス、金属、スラリー等に転写して、(1)DNA保持膜、(2)無反射膜、(3)燃料極、(4)沸騰伝熱面、(5)光取出し膜、等を作成し、評価する。
平成25年度には、目的で上述した (c)金型全面の陽極酸化技術と、(d)微細粉末スラリー技術、または(e)下地膜からの再陽極酸化技術とを用いて、(3)燃料電池の燃料極として、安定化ジルコニア（YSZ）とニッケル（Ni）の柱が林立して整列する燃料極の作成を試みた。しかし、目標の高さ10μmの柱状形状に対して、0.2μm程度のドット形状しか作成できておらず、燃料電池の評価に到っていない。申請者は別の研究として、Niを磁場で磁気ブラシのように整列しながら仮焼結した後、その回りにYSZのスラリーを流して、さらに本焼結して林立形状の燃料極を作成した。その結果、発電の最大パワー密度が60％向上することを確かめている。本研究の再陽極酸化法ではさらに垂直に立った通電孔どおりにYSZやNiを整列できるので、より大きな発電効率が期待される。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
概要で述べたように、目的で述べた技術、すなわち(a)ナノワイヤの結晶成長、(b)ワイヤの針を円錐に変形する成膜・エッチング、(c)通電孔を有する陽極酸化、（d）微細粉末スラリーの離型、(e)下地膜からの再陽極酸化、(f)ナノ構造表面のダイヤモンドライクカーボン（DLC）成膜、(g)転写したスラリーの焼結、などをすべて試み、本研究申請時の計画以上に順調に進展できた。
たとえば、(a)ナノワイヤの結晶成長では、これを(2)無反射膜に用いて反射率1％未満、散乱率20％未満の膜が作成できた。また、(b)ワイヤの針を円錐に変形する成膜・エッチングでは、水素ガスで酸化鉄のナノワイヤを還元しながら円錐に変形させるプロセスを開発した。さらに、(c)通電孔を有する陽極酸化では、予めピラミッド状の突起を整列させたシリコン基板をアルミニウム薄膜に押し付けて、転写した穴を基点に通電孔を発生させる技術を開発し、(2)無反射膜に応用した。
また、申請者は付帯技術として、ロールによるナノインプリント技術を進展させた。上記のナノ構造を平板に作成した後、ニッケルメッキで転写し、さらに電界メッキで0.3mmまで厚くしてからそれを離型した後に、ロール状に丸めて金型として供し、プレスでなく、ロールで毎分1.5mと高生産効率でナノプリントできるようにした。この時、(f)DLCをナノ構造表面に成膜し、レーザ加熱で瞬時に熱容量の小さいDLCだけを加熱・冷却できるようにし、(2)無反射膜、(4)沸騰伝熱面、(5)光取出し膜を試作した。なお、(3)燃料電池作成のための、(c)陽極酸化、(d)スラリー離型、(e)再陽極酸化の結果は概要で述べた通りである。
本研究助成金によって試行錯誤が実行でき、確実に多くの新規技術を開発できた。このため、上述したように計画以上に順調に進展と自己評価した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本研究申請時では、(3)燃料電池の燃料膜のために、ニッケル膜（Ni）を(c)陽極酸化して作成した直径0.5μmの通電孔の中に、ジルコニウム・イットリウム酸化膜（YSZ、安定化ジルコニア）のスラリーを入れて(g)焼結固定して、林立した円柱構造を作成することを計画したが、平成25年度では円柱穴が細く深すぎてスラリーが入らなかった。そこで、YSZ膜をフェムト秒レーザで直径5μmの円柱穴をあけて、その穴の中にNiのスラリーを入れた。直径が5μmと大きく、NiとYSZとの反応面積が小さいが、NiとYSZが林立してつながって電子と酸素イオンの流れがよくなり、直径が大きくても1μmの粉体同士の反応面積をもつ従来品と同等の発電効率が得られた。申請者は付帯技術として、スラリーをスクリーン印刷でガラス板の直径30μm、深さ200μmの微細穴に押し込んだが、スキージの角度や送り速度を最適化して、穴に銀スラリーを充填できた。平成26年度は焦点を絞ったフェムト秒レーザと上記スクリーン印刷の知見を用いて、直径1μm程度の穴をあけてスラリーを充填することを試みる。
平成26年度は、研究申請時の計画が未達の技術、たとえば(a)金属のナノワイヤで(1)DNAを固定して複鎖から単鎖に分裂させること、ニッケルのピッチ100μm程度の凹凸金型をアルミニウムや銅にロール転写して伝熱効率を2倍にした(4)沸騰伝熱面を作成すること、(c)陽極酸化で作成した通電孔を直径1μmまでエッチングで拡げてその穴にYSZのスラリーを入れて(3)燃料電池の燃料極を作ること、なども試みる。さらに、金属のナノワイヤやNiのピラミッド形状の半球の凹凸表面、または通電孔を拡げた陽極酸化面をロール金型にして、プラスチックやガラス、セラミクススラリーにそれらの形状を転写することを試みる。
|
Research Products
(9 results)
