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マイクロ・ナノ構造光学素子の大面積ガラス成形における原子スケールの界面制御

研究課題

研究課題/領域番号 20F20368
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分外国
審査区分 小区分18020:加工学および生産工学関連
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

閻 紀旺  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (40323042)

研究分担者 ZHANG LIN  慶應義塾大学, 理工学部, 外国人特別研究員
研究期間 (年度) 2020-11-13 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
2022年度: 400千円 (直接経費: 400千円)
2021年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2020年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワードガラス成形 / 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 / プレス成形 / 自由曲面
研究開始時の研究の概要

本研究では、単結晶ダイヤモンド工具を用いた微細切削による自由曲面金型加工技術と金型表面へのグラフェン成膜とガラス成形技術を融合させ、マイクロ・ナノスケールの光学素子の大面積成形を実現させる。本研究により、バイオニック構造やマイクロレンズアレイ、低反射表面、特定波長吸収表面など様々な機能性表面の製作が実現でき、光学製品の高機能化および低コスト化が期待できる。

研究実績の概要

光学デバイスなどに用いられているガラス材料はそれ自体で固有の機能を有しているが、その材料表面にマイクロ・ナノレベルの規則的な微細構造を形成することにより、表面機能が飛躍的に向上されることが知られている。本研究では、単結晶ダイヤモンド工具を用いて切削した自由曲面金型表面へグラフェン成膜を行い、ガラスプレス成形技術へ応用し、マイクロ・ナノスケールの微細構造の大面積成形を行う際の界面現象を原子レベルで解明する。本研究により、バイオニック構造やマイクロレンズアレイ、低反射表面など様々な機能性表面の高精度加工およびその低コスト化が期待できる。2022年度では、前年度で切削加工した金型表面へグラフェン成膜を行い、異なる条件での成膜特性の調査を行い、成膜したグラフェン膜の厚さ測定や断面構造の観察を行った。また、ナノインデンテーションおよびナノスクラッチ実験によりグラフェン膜の力学的特性の評価を行った。さらに、成膜した単結晶シリコン、単結晶シリコンカーバイドおよび超硬合金製の金型を用いて高精度ガラスモールド成形装置でのガラスプレス成形実験を実施し、マイクロ・ナノスケールのガラス表面への微細構造の転写成形に使用可能であることを確認した。そして、プレス成形時の界面現象の実験観察を行い、成形された光学素子の形状精度および光学性能の評価を行った。さらに、本研究の学問への発展としてグラフェン膜とガラスおよび金型本体間の界面現象を解析するための分子動力学モデルを作成し、高温ガラス成形におけるグラフェン膜の物理的・化学的安定性および耐久性について原子スケールでの解析を行った。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (5件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 1件)

  • [雑誌論文] Optimization of fast tool servo diamond turning for enhancing geometrical accuracy and surface quality of freeform optics2023

    • 著者名/発表者名
      Lin ZHANG, Yusuke SATO and Jiwang YAN
    • 雑誌名

      Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing

      巻: 17 号: 1 ページ: JAMDSM0012-JAMDSM0012

    • DOI

      10.1299/jamdsm.2023jamdsm0012

    • ISSN
      1881-3054
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Study on nano-graphitic carbon coating on Si mold insert for precision glass molding2022

    • 著者名/発表者名
      Lin Zhang, Jiwang Yan
    • 雑誌名

      Surface & Coatings Technology

      巻: 448 ページ: 128893-128893

    • DOI

      10.1016/j.surfcoat.2022.128893

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Amorphous Carbon Coated Silicon Wafer as Mold Insert for Precision Glas Molding2022

    • 著者名/発表者名
      Lin Zhang, Jiwang Yan
    • 雑誌名

      Procedia CIRP

      巻: 108 ページ: 525-530

    • DOI

      10.1016/j.procir.2022.03.082

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Flexible fabrication of Fresnel micro-lens array by off-spindle-axis diamond turning and precision glass molding2022

    • 著者名/発表者名
      L. Zhang, J. Yan
    • 雑誌名

      Precision Engineering

      巻: 74 ページ: 186-194

    • DOI

      10.1016/j.precisioneng.2021.11.013

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Evolution of high-pressure metastable phase Si-XIII during silicon nanoindentation: A molecular dynamics study2021

    • 著者名/発表者名
      Lin Zhang, Jiwang Yan
    • 雑誌名

      Computational Materials Science

      巻: 191 ページ: 110344-110344

    • DOI

      10.1016/j.commatsci.2021.110344

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり

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公開日: 2020-11-16   更新日: 2024-03-26  

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