極短パルス電界放出電流によるマイクロ熱加工法の研究

2004 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14350387
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 平田 好則 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00116089)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 黄地 尚義 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00089880) ; 宮坂 史和 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助手 (80304012)
• Keywords: 電解放出 / マイクロ熱加工 / SEMその場観察 / カーボンナノチューブ / 放電 / 溶融スポット / 仕事関数 / FNプロット

Research Abstract

本研究では高密度の電界放出電流を熱源として用い、ナノサイズからマイクロサイズの溶接や穴あけなどの熱加工プロセスを行ううえでの問題点を明らかにするとともに、現象の支配因子を抽出して、実用に供するために加工部の性状を明らかにすることを目的としている。本年度に行った研究・開発および得られた成果を報告する。
(1)カーボンナノチューブ(CNT)成膜電極の電界放出特性の理論的予測
ニッケル棒を基材にした針状CNT成膜電極から放出される電界放出電流の分布を理論的に求めた。計算モデルでは電極形状を回転双曲面体に仮定し、電極表面の各位置での電界強度を求め、フォウラーノルトハイム式から電子電流密度を求めた。陽極に流入する電流分布サイズは加工寸法を支配するが、電極先端曲率半径とギャップ長によって大きく変化する。
(2)カーボンナノチューブ成膜電極の電界放出電流の実測
CNT成膜した針状電極と陽極(ステンレス鋼)とのギャップ長を0.1μmから2μmに設定し、それぞれのギャップ長に対して、最大100Vまでの三角波電圧を加え、電界放出電流を測定した。実験による電流波形は電圧とともに指数関数的に変化し、FNプロットにより、電界放出電流であることを確認した。また、ギャップ長や曲率半径などが電界放出電流に及ぼす影響を計算値と比較したところ、定性的な傾向は一致したが、具体的な電流値は1桁程度実験値のほうが大きく、電極形状の取り扱いやCNTの等価仕事関数の見積もりなど今後の課題が明らかとなった。
(3)電界放出電流加工法の検討
CNT成膜した針状電極を対象に、ギャップ長と電圧をパラメータとして加工を試みた。実験では、放電を伴う場合に、0.5〜2μmの溶融スポットを形成することができたが、電界放出電流のみでは溶融痕を見つけることができず、今後、電極先端の曲率半径を小さくするなど、電流を集中させる必要があることが分かった。