(57)【要約】【課題】低コストでありつつ、接触角の差を利用する流路パターンを迅速に形成させることができるマイクロ流路デバイス及び画像形成装置を提供する。【解決手段】マイクロ流路デバイス１は、基材３の上に層５が形成される。層５は、流体が流れる流路を含む第１の領域Ｋと、第１の領域Ｋに隣接する第２の領域Ｊとの間が面一に形成される。第１の領域Ｋと流路に滴下される流体との接触角をθａとし、第２の領域Ｊと流路に滴下される流体との接触角をθａ’とし、全体境界条件式を満足するものであって、全体境界条件式は、θａ’−θａ＞４０°で表されるものである。第２の領域Ｊは、微細な凹凸形状となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材を含むマイクロ流路デバイスであって、
前記基材の上に配置される層の表面は、
流体が流れる流路を含む第１の領域と、前記第１の領域に隣接する第２の領域との間が面一となっており、
前記第１の領域と流体との接触角をθａとし、前記第２の領域と流体との接触角をθａ’とし、全体境界条件式を満足するものであって、
前記全体境界条件式は、
θａ’−θａ＞４０°で表され、
前記第２の領域は、
微細な凹凸形状となっている、
マイクロ流路デバイス。
【請求項２】
前記流路を流れる流体は、
表面自由エネルギーが水よりも小さい、
請求項１に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項３】
前記流路の断面方向に沿った前記流路の幅の最小値をＤとし、前記微細な凹凸形状のピッチの最大値をＰｍａｘとし、前記流路を流れる流体の上限値をＦｍａｘとし、前記第１の領域と前記第２の領域との界面における流抵抗の調整値をＲとすると、流抵抗条件式を満足するものであって、
前記流抵抗条件式は、
Ｒ×Ｐｍａｘ＜Ｄ＜Ｆｍａｘで表される、
請求項１又は２に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項４】
前記基材の断面方向に沿った前記微細な凹凸形状の高さの最大値をＨｍａｘとし、ＰｍａｘをＨｍａｘで除したものをＲ’とすると、高さ条件式を満足するものであって、
前記高さ条件式は、
Ｈｍａｘ＞Ｐｍａｘ／Ｒ’で表される、
請求項３に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項５】
前記第１の領域は、
平面となっている、
請求項１〜４の何れか一項に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項６】
前記第１の領域と流体との接触角であるθａは第１の境界条件式を満足するものであって、
前記第１の境界条件式は、
θａ＜９０°で表されるものであり、
前記第２の領域と流体との接触角であるθａ’は第２の境界条件式を満足するものであって、
前記第２の境界条件式は、
θａ’＞９０°で表されるものである、
請求項１に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項７】
前記層は、
前記基材の表面上に形成される光触媒の薄膜である、
請求項１〜６の何れか一項に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項８】
前記薄膜は、
金属ナノ粒子を含む、
請求項７に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項９】
前記金属ナノ粒子は、
金のナノ粒子を含む、
請求項８に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項１０】
前記金属ナノ粒子は、
アルミニウムのナノ粒子を含む、
請求項８に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項１１】
露光装置を備える画像形成装置であって、
前記露光装置は、
照射光を照射自在であって、前記照射光により請求項７〜１０の何れか一項に記載のマイクロ流路デバイスに形成される前記流路を形成する、
画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、マイクロ流路デバイス及び画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微細加工技術により物理的に加工される流路を含むマイクロチップが、化学、バイオ、又は医療分野における分析技術用のデバイスとして提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−００７５２９号公報
【特許文献２】特開２００５−０００７４４号公報
【特許文献３】特表２００６−５２３５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１〜３に記載のような従来技術は、数百μｍサイズの高精度な流路パターンが物理的に加工されるマイクロチップが要求される。よって、加工時間に非常に長い時間を要するだけでなく、チップ単位の流路パターンの変更が高コストなものとなっている。さらに、流路を流れる流体が有機溶剤のように表面自由エネルギーが小さいものであれば、流体と流路表面との接触角が小さくなる。したがって、上記に記載のような従来技術では、表面自由エネルギーが小さい流体の場合には、低コストでありつつ、接触角の差を利用する流路パターンを迅速に形成可能なマイクロ流路デバイスを提供することができない恐れがある。
【０００５】
本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、表面自由エネルギーが小さい流体であっても、低コストでありつつ、接触角の差を利用する流路パターンを迅速に形成させることができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の第１の側面であるマイクロ流路デバイスは、基材を含むマイクロ流路デバイスであって、前記基材の上に配置される層の表面は、流体が流れる流路を含む第１の領域と、前記第１の領域に隣接する第２の領域との間が面一となっており、前記第１の領域と流体との接触角をθａとし、前記第２の領域と流体との接触角をθａ’とし、全体境界条件式を満足するものであって、前記全体境界条件式は、θａ’−θａ＞４０°で表され、前記第２の領域は、微細な凹凸形状となっている。
【０００７】
また、前記流路を流れる流体は、表面自由エネルギーが水よりも小さい、ことが好ましい。
【０００８】
また、前記流路の断面方向に沿った前記流路の幅の最小値をＤとし、前記微細な凹凸形状のピッチの最大値をＰｍａｘとし、前記流路を流れる流体の上限値をＦｍａｘとし、前記第１の領域と前記第２の領域との界面における流抵抗の調整値をＲとすると、流抵抗条件式を満足するものであって、前記流抵抗条件式は、Ｒ×Ｐｍａｘ＜Ｄ＜Ｆｍａｘで表される、ことが好ましい。
【０００９】
また、前記基材の断面方向に沿った前記微細な凹凸形状の高さの最大値をＨｍａｘとし、ＰｍａｘをＨｍａｘで除したものをＲ’とすると、高さ条件式を満足するものであって、前記高さ条件式は、Ｈｍａｘ＞Ｐｍａｘ／Ｒ’で表される、ことが好ましい。
【００１０】
また、前記第１の領域は、平面となっている、ことが好ましい。
【００１１】
また、前記第１の領域と流体との接触角であるθａは第１の境界条件式を満足するものであって、前記第１の境界条件式は、θａ＜９０°で表されるものであり、前記第２の領域と流体との接触角であるθａ’は第２の境界条件式を満足するものであって、前記第２の境界条件式は、θａ’＞９０°で表されるものである、ことが好ましい。
【００１２】
また、前記層は、前記基材の表面上に形成される光触媒の薄膜である、ことが好ましい。
【００１３】
また、前記薄膜は、金属ナノ粒子を含む、ことが好ましい。
【００１４】
また、前記金属ナノ粒子は、金のナノ粒子を含む、ことが好ましい。
【００１５】
また、前記金属ナノ粒子は、アルミニウムのナノ粒子を含む、ことが好ましい。
【００１６】
また、本開示の第２の側面である画像形成装置は、露光装置を備える画像形成装置であって、前記露光装置は、照射光を照射自在であって、前記照射光により上記に記載のマイクロ流路デバイスに形成される前記流路を形成する。
【００１７】
本開示の第２の側面である画像形成装置は、表面自由エネルギーが小さい流体であっても、低コストでありつつ、接触角の差を利用する流路パターンを迅速に形成させることができるようにするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本開示の第１及び第２の側面によれば、表面自由エネルギーが小さい流体であっても、低コストでありつつ、接触角の差を利用する流路パターンを迅速に形成させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本開示を適用した実施形態１に係るマイクロ流路デバイス１の概略図である。
【図２】実施形態１に係るマイクロ流路デバイス１の断面図である。
【図３】実施形態１に係る層５の表面と液体との接触角θを説明する図である。
【図４】実施形態１に係る第２の領域Ｊの一部を拡大した図である。
【図５】実施形態１に係る流路の断面に沿って、微細な凹凸形状の一例を示す図である。
【図６】実施形態１に係る流路の進行方向に沿って、微細な凹凸形状の一例を示す図である。
【図７】実施形態１に係る凸部Ｊ＿１のピッチが狭い場合の流体Ｆと層５の表面との接触状態の一例を示す図である。
【図８】実施形態１に係る凸部Ｊ＿１のピッチが広い場合の流体Ｆと層５の表面との接触状態の一例を示す図である。
【図９】実施形態１に係る金属ナノ粒子９を含むマイクロ流路デバイス１の断面図の一例である。
【図１０】本開示を適用した実施形態２に係る画像形成装置５０の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて本開示の実施形態を説明するが、本開示は以下の実施形態に限られるものではない。なお、本開示の実施形態の説明で使用されているように、「構成する」、「より成る」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、「備える」又はそれらの他の何らかの同義語は、非排他的な包含関係を含むように意図される。例えば、要素の列挙を含むプロセス、方法、物品又は装置は、それらの要素だけに限定されることは必須でなく、明示的には列挙されていない又は本来備わっているはずの他の要素が、そのようなプロセス、方法、物品又は装置に含まれてもよい。さらに、明示的に言及しない限り、「又は」は包括的なものであり、排他的な和ではない。例えば、「条件Ａ又はＢ」は、Ａが存在し且つＢが存在しない場合、Ａが存在せず且つＢが存在する場合、ＡもＢも両方とも存在する場合の何れの場合でも満たされるものである。
【００２１】
実施形態１．
図１は、本開示を適用した実施形態１に係るマイクロ流路デバイス１の概略図である。  図２は、実施形態１に係るマイクロ流路デバイス１の断面図である。図１，２に示すように、マイクロ流路デバイス１は、基材３を含むものであって、基材３の上に層５が形成されるものである。基材３は、特に限定されるものではなく、例えば、ガラス、金属、樹脂、又はセラミックス等のようなものを使用することができる。層５の表面は、第１の領域Ｋと、第２の領域Ｊとを含む。第１の領域Ｋは、流体Ｆが流れる流路を含む。第２の領域Ｊは、第１の領域Ｋに隣接する。図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である図２に示すように、第１の領域Ｋと、第２の領域Ｊとの間は面一となっている。なお、流路の断面方向に沿った流路の幅の最小値を最小幅Ｄとする。
【００２２】
図３は、実施形態１に係る層５の表面と液体との接触角θを説明する図である。図３に示すように、ぬれとは気体である蒸気と固体である層５との界面が、液体と固体である層５との界面に置換される現象のことであって、接触角θが小さい場合にはぬれやすい状態を表し、接触角θが大きい場合にはぬれにくい状態を表す。第１の領域Ｋと、第２の領域Ｊとにより流路を形成するためには、第１の領域Ｋと流体Ｆとの接触角θａと、第２の領域Ｊと流体Ｆとの接触角θａ’とで差異を生じさせるのが好ましい。例えば、接触角θａと接触角θａ’との差異が小さければ、第１の領域Ｋと、第２の領域Ｊとはほぼ同じぬれ性を示すことになる。この場合、流路としての境界が曖昧になる。また、接触角θａと接触角θａ’との差異が大きく、且つ接触角θａ’と比べて接触角θａの方が小さい場合、液体はぬれやすい方に留まるため、流路を含む第１の領域Ｋに流体Ｆが留まる。よって、第１の領域Ｋに流路を形成するためには、接触角θａと接触角θａ’との差異が大きく、且つ接触角θａ’と比べて接触角θａの方が小さい方が好ましい。
【００２３】
具体的には、基材３と液体とのぬれ性、すなわち親水性及び疎水性を利用することにより、物理的な境界を設けることなく流路としての機能を発現させている。より具体的には、基材３に特殊な表面加工等がされていない場合、水溶液の液滴を滴下すると液体の表面張力と基材３の表面自由エネルギーから接触角θは約５５°以上となり、液滴の状態で安定する。一方、基材３の表面の一部に親水加工を施すことにより基材３の表面自由エネルギーを低下させ、液体が抵抗無く流れていくときの接触角θは１０°以下である。よって、本発明者等が鋭意検討した結果、流路を含む第１の領域Ｋは、接触角θａが１０°以下であって、且つ流路を含まない第２の領域Ｊは、接触角θａ’が約５５°以上であれば、液体が第２の領域Ｊにもれることなく第１の領域Ｋ内を流れていくことができるとの知見を得て、その知見に基づき本開示を適用した実施形態１に係るマイクロ流路デバイス１を完成させた。
【００２４】
つまり、接触角θａ及び接触角θａ’において、全体境界条件式を満足するものであって、全体境界条件式は、接触角θａ’−接触角θａ＞４０°で表されるものである。さらに、接触角θａは、第１の境界条件式を満足するものであって、第１の境界条件式は、接触角θａ＜９０°で表されるものである。接触角θａ’は、第２の境界条件式を満足するものであって、第２の境界条件式は、接触角θａ’＞９０°で表されるものである。具体的には、ぬれは、接触角θを用いて３種類に分類することができる。接触角θは、液体を基材３のような固体表面に滴下したときの、液体の接線と、固体表面とのなす角度を表すものとする。接触角θ≒０°の場合、拡張ぬれと呼び、液体が固体表面をどこまでも広がっていく状態を表す。接触角θ＝０°〜９０°の場合、浸漬ぬれと呼び、液体の広がりが０°＜接触角θ≦９０°のどこかで安定になる状態を表す。接触角θ＞９０°である場合、付着ぬれと呼び、ぬれが進行しない状態を表す。よって、第１の領域Ｋは、流路を含むものであるため、液体のぬれが進行することが求められる。そこで接触角θａ≒０°又は０°＜接触角θａ≦９０°が望ましい。一方、第２の領域Ｊは、流路外であって、第１の領域Ｋからのぬれの進行を食い止めることが求められるため、接触角θａ’＞９０°であることが望ましい。したがって、第１の領域Ｋと第２の領域Ｊとにおいて、接触角θを９０°を境に区分することで、ぬれの進行特性を明確に分けることが可能となる。
【００２５】
図４は、実施形態１に係る第２の領域Ｊの一部を拡大した図である。図１のＢ部を拡大した図４に示すように、第２の領域Ｊは、微細な凹凸形状となっている。凹凸形状は、微細構造であって、エッチング又は結晶成長等により、凸部Ｊ＿１又は凹部Ｊ＿２が形成される。凸部Ｊ＿１は、四角柱、円柱、又は円錐等のさまざまな形状であってもよい。凹凸形状の規則性については、１方向のみに周期性を有する場合であっても疎水性の効果は発現するが、この場合には流抵抗が異方性を持つことになるため、用途に応じて流路パターン又は凹凸形状の種類を選択することが望ましい。
【００２６】
図５は、実施形態１に係る流路の断面に沿って、微細な凹凸形状の一例を示す図である。図６は、実施形態１に係る流路の進行方向に沿って、微細な凹凸形状の一例を示す図である。図５，６に示すように、流路の断面方向に沿った流路の幅の最小値を最小幅Ｄ（μｍ）とし、微細な凹凸形状のピッチの最大値を最大ピッチＰｍａｘ（μｍ）とし、流路を流れる流体Ｆの上限値を上限幅Ｆｍａｘ（μｍ）とし、第１の領域Ｋと第２の領域Ｊとの界面における流抵抗の調整値をパラメーターＲとすると、流抵抗条件は、パラメーターＲ×最大ピッチＰｍａｘ＜最小幅Ｄ＜上限幅Ｆｍａｘで表される。例えば、パラメーターＲを１０とし、上限幅Ｆｍａｘを１０００とすると、１０×最大ピッチＰｍａｘ＜最小幅Ｄ＜１０００となる。この場合、最小幅Ｄに対して凸部Ｊ＿１のピッチが１／１０であれば、流体Ｆの一部からはみ出た凸部Ｊ＿１が許容できることになる。
【００２７】
図７は、実施形態１に係る凸部Ｊ＿１のピッチが狭い場合の流体Ｆと層５の表面との接触状態の一例を示す図である。図８は、実施形態１に係る凸部Ｊ＿１のピッチが広い場合の流体Ｆと層５の表面との接触状態の一例を示す図である。図７，８に示すように、基材３の断面方向に沿った微細な凹凸形状の高さの最大値を最大高さＨｍａｘとし、最大ピッチＰｍａｘ／最大高さＨｍａｘをパラメーターＲ’とすると、高さ条件式は、最大高さＨｍａｘ＞最大ピッチＰｍａｘ／パラメーターＲ’で表される。例えば、パラメーターＲ’を１０とすると、最大高さＨｍａｘ＞最大ピッチＰｍａｘ／１０となる。この場合、図７に示すように、凹部Ｊ＿２に空気Ｔが溜まり、流体Ｆと凸部Ｊ＿１との接触面積が小さくなる。すなわち、流体Ｆと基材３の表面にある層５との接触面積が小さくなる。なお、図８の場合は、最大高さＨｍａｘ＜最大ピッチＰｍａｘ／パラメーターＲ’となっており、凹部Ｊ＿２と、凸部Ｊ＿１との間に流体Ｆが入り、流体Ｆと基材３の表面にある層５との接触面積が小さくならない。なお、パラメーターＲ’は数字が大きくなるにつれ、最大ピッチＰｍａｘが大きくなる又は最大高さＨｍａｘが低くなるため、微細加工の精度は下がる。
【００２８】
図９は、実施形態１に係る金属ナノ粒子９を含むマイクロ流路デバイス１の断面図の一例である。図９に示すように、層５は、基材３の表面上に形成される光触媒の薄膜であって、金属ナノ粒子９を含む。金属ナノ粒子９は、金のナノ粒子又はアルミニウム等のようなナノ粒子を含む。流路は、光触媒の薄膜に紫外光が照射されて形成されるものである。光触媒の薄膜は、特に限定はないが、例えば、酸化チタン、窒素ドープ酸化チタン、炭素ドープ酸化チタン、硫黄ドーム酸化チタン、又は酸化亜鉛等を用いることができる。特に、コスト、ハンドリング性、及び安全性等のように触媒効率向上の観点からは、酸化チタンが望ましい。光触媒の薄膜は、スパッタ又は蒸着等により作成されるものであり、成膜した状態では疎水性を示し、紫外光を照射することで触媒効果が発現し超親水性を示す。紫外光は、ＵＶレーザーによる照射、マスクパターンを作成してＵＶランプを照射する等のような各種照射方法がある。
【００２９】
光触媒は紫外光が照射されることにより触媒機能が発現するものであるが、そのままでは照射された光に対して利用効率は低い。そこで、光触媒に金属ナノ粒子９を含ませる。金属ナノ粒子９は、特に限定はないが、プラズモン光をより効果的に利用する観点からは、プラズモンを起こす物質のナノ粒子を含ませるのが望ましい。金属ナノ粒子９は、銀、金、銅、若しくはアルミニウム、又はこれらを含むあらゆる合金を含むことが望ましく、特に、金のナノ粒子又はアルミニウムのナノ粒子が望ましい。なお、アルミニウムのナノ粒子の粒径は、プラズモン光の吸収効率を考慮すると１００ｎｍ以下が望ましい。また、図９に示すように、金属ナノ粒子９は、光触媒の薄膜である層５の上に析出させるのが望ましい。このような構成により、紫外光を照射された照射領域に含まれる金属ナノ粒子９近傍で発生したプラズモン光が光触媒に作用し、層５の一部は親水性に変化する。一方、紫外光が照射されない非照射領域は疎水性の状態を維持するため、紫外光の照射領域が第１の領域Ｋとして形成され、紫外光の非照射領域が第２の領域Ｊとして形成される。
【００３０】
次に、従来例について具体的に説明する。近年、微小な流路又はバルブ若しくはポンプ等をシリコン又はガラスの基板上に集積したマイクロチップは、化学、バイオ、又は医療分野における分析技術に応用する研究として盛んに検討されている。また、マイクロチップの市場は、年率２０％で拡大成長しており、分析用途以外にも体外診断、医薬品の研究、又はドラッグデリバリー等への応用展開も期待されている。従来において、射出成形又はリソグラフィー等で流路を形成したマイクロチップが提供されている。従来技術においては、特定の型を作成してそれを流路形成の基材３に転写して形成されるものがある。このような従来技術においては、最初に流路パターンの型を作成し、それを複製するための同一仕様のマイクロチップを大量に生成するには理にかなうものである。しかし、流路パターンの型を転写するものであるため、個々に流路パターンに変化を持たせることは高コストであり、且つ製造工程が多いことからマイクロチップの完成までには非常に長い時間を要するものである。
【００３１】
また、機械切削で流路形成を行ったり、マスクを利用したフォトリソグラフィーによるエッチングプロセスで作成されたりするものがある。このような従来技術においては、個々に流路パターンを作成することは可能であるが、切削プロセスは非常に高い精度が要求される機械加工になるため、大型の設備が必要であり、マイクロチップを１つ作成するだけで数日の時間を要する。また、リソグラフィーによる場合も設備投資が膨大であり、且つ流路パターンを露光した後のエッチング加工プロセスで時間を膨大に要する。要するに、従来技術は、高コストであって、多大な時間を要するものである。
【００３２】
このようなことを引き起こす最大の要因は、従来技術では、数百μｍサイズの高精度な流路パターンを物理的に加工することでマイクロチップを作成している点にある。物理的に高精度な流路パターンを前提としているため、加工方法に制約が生じ、さらには加工時間又はチップ単位での流路パターンの可変対応不可ということになる。特に、体外診断又は研究開発においては多様な解析を行う必要があるため、流路パターンも適宜最適化を行った上で迅速に入手したいという要望がある。そのような要望に対し、従来技術では対応しきれていないのが現状である。
【００３３】
一方、シリコン又はガラスの基板上に物理的な加工を施すことなく任意形状に流路パターンを形成するには、基材３と液体とのぬれ性、すなわち、親水性及び疎水性を利用するのが望ましい。一般的に、ぬれとは、気体と固体との界面が液体と固体との界面に置換される現象であって、接触角θが小さければぬれやすい状態となり、接触角θが大きければぬれにくい状態となる。つまり、流体Ｆを通したい領域を親水性、すなわち接触角θが小さい領域にし、流体Ｆを通したくない領域を疎水性、すなわち接触角θが大きい領域にすることで、流体Ｆは親水性の領域を通るため、物理的な境界を設けることなく流路を形成することが可能となる。
【００３４】
具体的には、物理的な境界を設けることなく流路としての機能を発現させるため、基材３と液体とのぬれ性、すなわち親水性及び疎水性を利用している。流路としての第１の領域Ｋと、流路外の第２の領域Ｊとにおいて、流路を形成するためには、第１の領域Ｋにおける接触角θａと、第２の領域Ｊにおける接触角θａ’との差の大きさがある程度は必要である。例えば、第１の領域Ｋにおける接触角θａと、第２の領域Ｊにおける接触角θａ’との差が小さければ、ほぼ同じぬれ性を示すため、流路としての境界が曖昧となる。一方、第１の領域Ｋにおける接触角θａと、第２の領域Ｊにおける接触角θａ’との差が大きく、特に流路としての第１の領域Ｋにおける接触角θａの方が第２の領域Ｊにおける接触角θａ’よりも小さければ、液体はぬれやすい方に留まるため、流路としての第１の領域Ｋに留まり続ける。よって、第１の領域Ｋにのみ親水加工を施すことで第１の領域Ｋにおける接触角θａが小さくなるため、第１の領域Ｋにおける接触角θａと第２の領域Ｊにおける接触角θａ’との差をつけることができる。
【００３５】
一方、有機化合物又はエタノール若しくは界面活性剤のような薬品を流体Ｆとする場合、流体Ｆの表面自由エネルギーが小さい。流体Ｆの表面自由エネルギーが小さい場合、基材３に親水加工を施す前から基材３と流体Ｆとの接触角θが小さいため、親水加工を施したとしても、第１の領域Ｋにおける接触角θａと第２の領域Ｊにおける接触角θａ’との差の大きさを必要なだけ確保することができない。よって、流体Ｆにおける基材３との接触角θの差異を利用して流路を形成することが難しい。
【００３６】
具体的には、接触角θを決める要素は、流体Ｆの表面自由エネルギーと、流体Ｆに触れている箇所における基材３の表面自由エネルギーとのギャップである。流体Ｆの表面自由エネルギーは物性値として固定値であるため、制御することは不可能である。一方、基材３は、基材３の表面自由エネルギー＝化学表面自由エネルギー＋物理表面自由エネルギーとなる関係が成立する。化学表面自由エネルギーは、流体Ｆと同様に物性値として固定値であるため、制御することは不可能である。しかし、物理表面自由エネルギーは基材３の表面の形状を変えることにより制御することができるものである。
【００３７】
そこで、本開示を適用した実施形態１に係るマイクロ流路デバイス１は、第１の領域Ｋと第２の領域Ｊとの間が面一に形成されるものであるため、第１の領域Ｋには切削により微細加工された流路が存在しない。また、第１の領域Ｋと、第２の領域Ｊとで接触角θの差異が４０°以上であるため、第２の領域Ｊに比べ、第１の領域Ｋの方が表面自由エネルギーが低下する。さらに、第２の領域Ｊは、微細な凹凸形状となっているため、微細構造の中に空気Ｔをトラップすることで流体Ｆと基材３との接触面積を低減させて見かけ上の表面自由エネルギーを低減させている。よって、第２の領域Ｊにおいて、基材３の表面が平滑な場合に比べ、物理表面自由エネルギーを低減させ、流体Ｆの表面自由エネルギーと流体Ｆに触れている箇所における基材３の表面自由エネルギーとのギャップを大きくすることができる。つまり、第２の領域Ｊの疎水性をより大きくすることができる。よって、流体Ｆは第１の領域Ｋには流れ、第２の領域Ｊには流れない。以上のことから、切削により微細加工された流路が存在せず、第１の領域Ｋと、第２の領域Ｊとで差異が４０°以上となるような異なる接触角θが生じ、第２の領域Ｊの疎水性がより大きくなる表面にすることで流体Ｆを流す流路パターンが形成される。したがって、表面自由エネルギーが小さい流体Ｆであっても、低コストでありつつ、接触角θの差を利用する流路パターンを迅速に形成させることができる。
【００３８】
また、本開示を適用した実施形態１に係るマイクロ流路デバイス１において、流路を流れる流体Ｆは、表面自由エネルギーが水よりも小さい。一般的に水の表面自由エネルギーは７３ｍＮ／ｍ程度である。一方、エタノール又はヘキサン等のような有機溶剤の表面自由エネルギーは、１０〜２０ｍＮ／ｍ程度であるため、水と比べて表面自由エネルギーが小さい。基材３に使用される材料は、樹脂又はゴムのように表面自由エネルギーが４０ｍＮ／ｍ程度であって、基材３の表面が平滑であり、水が基材３に滴下される場合に接触角θは６０°以上が確保される。しかし、上記条件において、有機溶剤のように表面自由エネルギーが低い流体Ｆが基材３に滴下される場合、表面自由エネルギーは、流体Ｆよりも基材３の方が大きくなるため、最初から親水性を示す。よって、流路を流れる流体Ｆにおいて、表面自由エネルギーが水よりも小さいものは、最初から親水性を示すため、マイクロ流路デバイス１に形成される流路パターンは、特に顕著に接触角θの差を利用したものとなる。
【００３９】
また、本開示を適用した実施形態１に係るマイクロ流路デバイス１において、流抵抗条件式は、パラメーターＲ×最大ピッチＰｍａｘ＜最小幅Ｄ＜上限幅Ｆｍａｘで表される。第１の領域Ｋに含まれる流路と、第２の領域Ｊに含まれる流路外とが基材３に形成されている場合、第１の領域Ｋと、第２の領域Ｊとの境界線上には微細構造の凸部Ｊ＿１が存在する。つまり、第１の領域Ｋと、第２の領域Ｊとの界面においては、微細構造の凸部Ｊ＿１の一部が流体Ｆからはみ出して存在する。よって、流体Ｆからはみ出した微細構造の凸部Ｊ＿１の一部は、第１の領域Ｋと、第２の領域Ｊとの界面における流抵抗となる。このような流抵抗は、流路内の速度分布を不均一にさせやすくなり、且つ乱流が生じやすくなる。したがって、微細な凹凸形状のピッチを流路の幅に対して十分に小さくすることにより、第１の領域Ｋと、第２の領域Ｊとの界面における流抵抗を減らし、且つ流路内の速度分布を均一にさせる層流を流路内に形成させることができる。
【００４０】
また、本開示を適用した実施形態１に係るマイクロ流路デバイス１において、高さ条件式は、最大高さＨｍａｘ＞最大ピッチＰｍａｘ／パラメーターＲ’で表される。高さ条件式は、微細な凹凸形状に空気Ｔがより留まりやすくなる条件である。具体的には、微細構造の凹部Ｊ＿２に空気Ｔをトラップした場合、基材３と流体Ｆとの接触部位は微細構造の凹部Ｊ＿２には進入せず、基材３と流体Ｆとの界面は、微細構造の凸部Ｊ＿１の上面に作用する表面張力に逆らいつつ不連続に凸部Ｊ＿１を移動する。よって、基材３と流体Ｆとの界面が不連続に移動する距離は短い。つまり、微細な凹凸形状のピッチが小さくなるにつれ、空気Ｔのトラップを維持しやすくなる。一方、微細な凹凸形状のピッチが大きくなるにつれ、基材３と流体Ｆとの界面が微細構造の凸部Ｊ＿１の移動に必要なエネルギーが大きくなりすぎる。よって、基材３と流体Ｆとの接触部位は微細構造の凹部Ｊ＿２に進入し、空気Ｔのトラップが失われる。よって、基材３と流体Ｆとの接触部位は増えるため、疎水性が失われる。例えば、微細な凹凸形状としては、径２０μｍ且つ高さ３μｍの円柱状の突起が４０μｍのピッチで均等に並んでいる。したがって、第２の領域Ｊにおいて、疎水性の維持を容易にすることができる。なお、微細構造の周期となる最大ピッチＰｍａｘは、なるべく微細な方が望ましい。また、微細な凹凸形状のピッチは均等であることが好ましいが、必ずしも均等である必要はない。
【００４１】
また、本開示を適用した実施形態１に係るマイクロ流路デバイス１において、第１の領域Ｋは、平面となっている。例えば、基材３の表面に熱可塑性樹脂で凹凸形状を形成しておき、第１の領域Ｋにのみレーザー光を照射し、その照射熱で凹凸形状を壊して平面を形成してもよい。また、凹凸形状を有する基材３の表面にＵＶ硬化性樹脂を塗布し、第１の領域ＫにのみＵＶ光を照射すれば凹凸形状が樹脂で埋まり、その後に未硬化のＵＶ硬化性樹脂を除去することで第１の領域Ｋに平面を形成してもよい。また、形状記憶機能を有する高分子材料で凹凸形状を形成しておき、第１の領域Ｋにのみ光を照射することで、凹凸形状を変化させることで第１の領域Ｋに平面を形成してもよい。つまり、第１の領域Ｋが平面となっていることにより、第１の領域Ｋにおいて流体Ｆと基材３との接触面積が増えるため、親水性が高まる。よって、第１の領域Ｋと流体Ｆとの接触角θａと、第２の領域Ｊと流体Ｆとの接触角θａ’とのギャップが大きくなり、流体Ｆが流路外に漏れるのを抑制することができる。
【００４２】
また、本開示を適用した実施形態１に係るマイクロ流路デバイス１において、第１の領域Ｋと流体Ｆとの接触角θａは９０°未満であるため、第１の領域Ｋは拡張ぬれ又は浸漬ぬれの状態である。よって、第１の領域Ｋでは液体によるぬれが進行する。一方、第２の領域Ｊと流体Ｆとの接触角θａ’は９０°を超えるため、第２の領域Ｊは付着ぬれの状態である。よって、第２の領域Ｊでは液体によるぬれが進行しないため、第１の領域Ｋからの液体によるぬれの進行を食い止めることができる。したがって、第１の領域Ｋと第２の領域Ｊとで接触角θを９０°を境に区分することにより、液体ぬれの進行特性を明確に分けることができる。
【００４３】
また、本開示を適用した実施形態１に係るマイクロ流路デバイス１において、層５は、基材３の表面上に形成される光触媒の薄膜である。流路は、光触媒の薄膜に紫外光が照射されて形成されるものである。光触媒の薄膜は、紫外光が照射されることにより触媒効果が発現して超親水性を示すようになる。よって、光触媒の薄膜が基材３の表面上に形成されていれば、流路として形成する箇所に紫外光を照射するだけで照射箇所が親水性に変化し、流路として機能させることができる。
【００４４】
また、本開示を適用した実施形態１に係るマイクロ流路デバイス１において、薄膜は、金属ナノ粒子９を含む。つまり、金属ナノ粒子９と光触媒とを共存させることにより、金属ナノ粒子９の一部で起きるプラズモン共鳴が、光触媒における光の利用効率を飛躍的に向上させることができる。
【００４５】
また、本開示を適用した実施形態１に係るマイクロ流路デバイス１において、金属ナノ粒子９は、金のナノ粒子を含む。金のナノ粒子は助触媒として作用するため、光触媒の活性効率を高めることができる。よって、露光時間を短縮することができ、且つ光学系をコンパクト化することができる。
【００４６】
また、本開示を適用した実施形態１に係るマイクロ流路デバイス１において、金属ナノ粒子９は、アルミニウムのナノ粒子を含む。アルミニウムのナノ粒子は、紫外光領域でプラズモン共鳴を起こす物質である。アルミニウムのナノ粒子に紫外光が照射されると、プラズモン共鳴が発生することにより、アルミニウムのナノ粒子の近傍に照射された紫外光は、電場として留まる。このような電場は光触媒に作用するものである。よって、光触媒の活性効率を高めることができる。したがって、露光時間を短縮することができ、且つ光学系をコンパクト化することができる。
【００４７】
実施形態２．
実施形態２においては、流路を形成する画像形成装置５０について説明する。図１０は、本開示を適用した実施形態２に係る画像形成装置５０の構成例を示す図である。図１０に示すように、画像形成装置５０は、読取部５１１と、画像形成装置本体５１９とを備える。読取部５１１は、ＡＤＦ５１１Ａと、原稿読取部５１１Ｂとを備える。ＡＤＦ５１１Ａは、原稿トレイ５１３、通紙経路５１５、排紙トレイ５１７、密着型イメージセンサー５２１、及び濃度基準部材５２３等を備える。濃度基準部材５２３は、ＡＤＦ５１１Ａのシェーディング補正時に利用される。原稿読取部５１１Ｂは、原稿照明部５２５、反射ミラー５２６、集光レンズ５２７、センサー５２８、及びプラテンガラス５２９等を備える。読取部５１１は、原稿トレイ５１３にセットされている原稿を、１枚ずつ分離して繰り出し、密着型イメージセンサー５２１が配置されている通紙経路５１５に沿って副走査方向に搬送し、排紙トレイ５１７に排紙する。原稿照明部５２５は、ランプ５２５Ａと、ミラー５２５Ｂとを備える。原稿は通紙経路５１５に沿って副走査方向に搬送されつつ、主走査方向のライン単位の読取動作が、原稿照明部５２５、反射ミラー５２６、集光レンズ５２７、及びセンサー５２８により繰り返し実行される。
【００４８】
画像形成装置本体５１９は、画像形成部５４１、定着部５４３、及び給紙部５４５等を備える。画像形成部５４１は、露光装置５５１と、現像装置５５３と、感光ドラム５５５と、転写ベルト５５７とを備える。画像形成部５４１は、読取部５１１により読み取られた原稿の画像データに基づき、露光装置５５１により感光ドラム５５５に異なる色のトナーを供給して現像する。画像形成部５４１は、転写ベルト５５７により感光ドラム５５５に現像されたトナー像を給紙部５４５から供給された用紙に転写する。画像形成部５４１は、用紙に転写されたトナー像のトナーを定着部５４３で融解させることにより、用紙にカラー画像が定着する。
【００４９】
つまり、画像形成装置５０は、露光装置５５１を備えるものであって、露光装置５５１は、照射光を照射自在である。よって、露光装置５５１は、照射光によりマイクロ流路デバイス１に形成される流路を形成するものである。具体的には、露光装置５５１は、光触媒の薄膜に照射光を照射することにより照射領域を親水領域に形成できるので、親水領域と疎水領域とを層５上に形成できる。しかも、露光装置５５１は、適宜照射光の照射位置を制御することができるため、任意の流路パターンを層５の表面上に形成することができる。したがって、画像形成装置５０は、表面自由エネルギーが小さい流体Ｆであっても、低コストでありつつ、接触角θの差を利用する流路パターンを迅速に形成することができる。
【００５０】
以上、本開示を適用したマイクロ流路デバイス１を実施形態に基づいて説明したが、本開示はこれに限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。
【００５１】
例えば、本実施形態においては、層５の上が開放状態である一例について説明したが、特にこれに限定されるものではない。例えば、層５の上に、層５の縁に沿った枠を置き、さらにその枠の上に蓋として機能する部材を被せ、流路への異物の混入を防いでもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１  マイクロ流路デバイス、３  基材、５  層、９  金属ナノ粒子
５０  画像形成装置
５１１  読取部、５１１Ａ  ＡＤＦ、５１１Ｂ  原稿読取部、５１３  原稿トレイ
５１５  通紙経路、５１７  排紙トレイ、５１９  画像形成装置本体
５２１  密着型イメージセンサー、５２３  濃度基準部材
５２５  原稿照明部、５２５Ａ  ランプ、５２５Ｂ  ミラー、５２６  反射ミラー
５２７  集光レンズ、５２８  センサー、５２９  プラテンガラス
５４１  画像形成部、５４３  定着部、５４５  給紙部
５５１  露光装置、５５３  現像装置、５５５  感光ドラム、５５７  転写ベルト
Ｋ  第１の領域、Ｊ  第２の領域、Ｆ  流体
θ，θａ，θａ’  接触角
Ｊ＿１  凸部、Ｊ＿２  凹部、Ｔ  空気、Ｄ  最小幅、Ｐｍａｘ  最大ピッチ
Ｈｍａｘ  最大高さ、Ｆｍａｘ  上限幅、Ｒ，Ｒ’  パラメーター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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