| 研究課題/領域番号 |
20J21827
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
新田 魁洲 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| キーワード | プラズマプロセス / インクジェット / プリンテッドエレクトロニクス / サブミクロン粒子 / 金粒子 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、±数％以下の誤差で径の揃った液滴を再現性良く吐出可能なインクジェット装置を用いて、直径数十ミクロンの液滴を時空間制御性良く(例：吐出方向誤差＜0.5 °、液滴飛翔速度の変動係数＜0.02)プラズマ中に導入するプラズマ援用インクジェットプロセスの開発に取り組んだ。
まず、電源装置にナノ秒パルス電源を用いたプラズマ援用インクジェット装置を用いて、無機金属塩ベースのインクから、金属イオンの還元により金属配線を作製するプロセスを創製した。本プロセスにおける配線処理時間および基板温度上昇は、それぞれ数十秒、70 °C未満であると推定され、これは従来のプロセス(数十分以上、100°C以上)よりも高速かつ低温である。また、粒子分散インクではなく溶液系のインクを用いる事で、インクジェットプロセスにおける永年の課題である粒子の凝集およびノズルの目詰まりの解決策としても有用なアプローチとなり得る。
また、プラズマが誘起する反応のさらなる制御性向上を目指して、高周波(RF)放電を用いた雰囲気ガス制御型プラズマ援用インクジェット装置を開発し、粒子合成プロセスを創製した。大気中に配置した自作の放電容器内に放電ガスを導入し、その放電容器にインクジェット装置を挿入する形式を用いた。本装置は、放電ガスの組成・流量や放電電力を調整することで、雰囲気温度、活性種の種類、処理時間等の制御が可能である。塩化金酸溶液をインクとして吐出し、液滴飛翔中に溶媒を完全蒸発させ、球状粒子合成を行った。インクジェット液滴のサイズ再現性の高さから、得られた粒子は非常に優れた単分散性(粒子径の変動係数＜0.1)を示した。合成粒子径は溶液濃度と吐出液滴径から推測される径と同様の傾向を示し、本実験条件下では、プラズマ中の液滴が１つの閉じたマイクロリアクターとして用いられる可能性が示唆された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
2020年度における研究計画としては、(A)次世代プリンテッドデバイス作製用の印刷プロセス開発、 (B)雰囲気ガス制御型プラズマ援用インクジェット装置の開発、(C)水中プラズマ表面改質による無機粒子分散インクの調整に大別される。
(A)においては、ナノ秒パルス電源を用いた放電により、無機金属塩ベースのインクから、金属イオンの還元による金属配線を描画した。粒子分散インクではなく溶液系のインクを用いる事で、従来のプロセスに存在した粒子の凝集およびノズルの詰まりという問題点の解決策を示した。また、従来のプロセスと比較したプロセスの高速化(処理工程の単一化・高速分解処理)や低温化(基板の温度上昇を100℃以下に抑制)等、当初期待していた通りの結果が得られている。
(B)において、研究計画書では真空容器内を用いて雰囲気ガス制御を行う予定であったが、プロセスの簡便性等の観点から、大気中に配置した自作の放電容器内に放電ガスを導入し、その放電容器にインクジェット装置を挿入する形式を用いた。本装置は、ガス流量の調整によって液滴のプラズマ中滞在時間を制御できる点から、当初の真空容器を用いる手法以上の制御性をもたらしたと考えられる。塩化金酸溶液をインクとして吐出し、金の球状粒子合成を行った。インクジェット液滴のサイズ再現性の高さから、得られた粒子は優れた単分散性(粒子径の変動係数＜0.1)を示すなど、粒子合成において期待以上の結果が得られている。
また、(C)においては、カーボンナノチューブ(CNT)を液中プラズマ表面改質し、CNT水中分散インクを作製した。プラズマ表面改質において、放電１パルスあたりの投入電力によって、描画パターンの電気伝導性が変化する等の結果が得られている。一方、期待していたほどの高濃度(数-10wt.%)インクの作製には未だ至っておらず、今後攪拌手法の改善などが望まれる。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、雰囲気ガス制御型プラズマ援用インクジェット装置による粒子合成プロセスの開発、およびそのプロセス診断を中心に研究を進める。
雰囲気ガス制御型プラズマ援用インクジェット装置は、アルゴン等の放電ガスを導入した放電容器を大気中に配置し、その放電容器にインクジェット装置を挿入する形式を用いた。電源には周波数450 MHzの高周波(RF)電源を用いた。本装置は、放電ガスの組成・流量や放電電力を調整することで、雰囲気温度、活性種の種類、液滴のプラズマ中滞在時間等の制御が可能である。また、液滴の吐出タイミングをコンピュータによってナノ秒オーダーまで制御しており、放電容器前後に取り付けた石英窓によって１つ１つの液滴の光学的な観察を可能にしている。
粒子合成プロセス開発においては、金属イオンを溶解させた液滴をRF放電中に導入することで、液滴を原料とした金属または金属酸化物粒子を作製する。インクジェット液滴のサイズ再現性の高さから(変動係数CV<0.02)、合成粒子は優れた単分散性を示すと期待される。また、溶液濃度、液滴径、プラズマ中滞在時間等を調整することで、中空粒子やポーラス状の粒子等、様々な形状の粒子の合成を目指す。更には、放電ガス種や溶液の組成の調整により、酸化物半導体粒子のドープ率を制御する等、合成粒子の物性的な制御も行う。
プロセス診断においては、まずは、カメラ観察によってプラズマ中の液滴のサイズ変化を観測し、既に一部行っている発光分光法による温度推定等の結果と併せて、プラズマ中の液滴の溶媒蒸発のモデル化に取り組む。さらに、上記粒子合成プロセスの結果を組み合わせることで、液滴中での溶質析出等に関する知見を得る。また、レーザーラマン分光法等により液滴の化学状態を推定し、プラズマ中での液滴内の材料の化学変化の進展などをとらえる。
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