(57)【要約】【課題】  本発明では、一定の比較的大きな面積、若しくは縞状の複合構造物を形成するに際し、均一な膜厚の複合構造物を短時間で作製するための複合構造物形成用ノズル、複合構造物形成装置及び複合構造物形成方法を提供することを目的とする。【解決手段】  脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基板に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、前記基板表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成する複合構造物作製装置に用いられるノズルにおいて、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための１つの導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための複数の導出開口とを具備し、且つ前記ノズル内に前記微粒子を均等に分散させるための分散手段を持つことを特徴とする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基板に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、前記基板表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成する複合構造物作製装置に用いられるノズルにおいて、
前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための１つの導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための複数の導出開口とを具備し、
且つ前記ノズル内に前記微粒子を均等に分散させるための分散手段を持つことを特徴とする複合構造物作製用ノズル。
【請求項２】
前記分散手段として前記ノズルの導入開口付近に微粒子分散用格子を設けることを特徴とする請求項１に記載の複合構造物作製用ノズル。
【請求項３】
前記分散手段として前記ノズル本体内部に微粒子分散用ガイドを設けることを特徴とする請求項１に記載の複合構造物作製用ノズル。
【請求項４】
前記分散手段として前記ノズルの導出開口に微粒子整流用スリットを設けることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の複合構造物作製用ノズル。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載の前記ノズルを備えたことを特徴とする複合構造物作製装置。
【請求項６】
脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルをノズルから噴射し基板に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、前記基板表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成する複合構造物作製方法において、
前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための１つの導入開口と、前記エアロゾルを噴射させるための複数の導出開口と前記微粒子を均等に分散させるための分散手段とを具備し、前記エアロゾルを前記複数のノズルから噴射して構造物を作製することを特徴とする複合構造物作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子を含むエアロゾルを基板に吹き付け、構造物を基板上に形成させることによって基板と構造物からなる複合構造物を作製するときに使用する複合構造物作製用ノズル、複合構造物作製装置および複合構造物作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
キャリヤーガスにより無数の超微粒子を搬送管を通じ圧送しその先端のノズルより所定の被着面に、超微粒子を吹き付け所定の超微粒子付着体を形成する超微粒子スプレー装置において、少なくとも２本のノズルを集束せしめて束状ノズルを形成してなる超微粒子スプレー装置の提案がなされている。
（特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】特公平３−２３２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来法においては、エアロゾルデポジション法によって複合構造物を作製する場合、少なくとも２本のノズルを集束せしめた束状ノズル、若しくは矩形の開口の長辺方向が最大５ｍｍ程度の比較的小さな導出開口を備えたノズルを使用し、導出開口からエアロゾルを基材に噴射して複合構造物を作製していた。
【０００５】
例えば、矩形の導出開口の長辺方向以上の被膜面積を持つ複合構造物や何層もの縞状の複合構造物を基材に作製しようとした場合、エアロゾルを基材に噴射している状態で、基材を固定しているステージ、若しくはノズルを長辺方向に垂直な水平方向のみではなく、長辺方向に平行な水平方向にも動作させる必要があった。そのために、上記水平方向の移動距離が被膜面積の水平方向長さとなり、大面積、若しくは縞状の構造物を作製する場合、基材、若しくはノズルの移動距離が長くなり、複合構造物作製時間が長時間となるという問題が生じた。
【０００６】
上記大面積の複合構造物を作製する場合の問題点を解消するために、単純に前記導出開口の矩形の長辺方向を長くして基材を固定しているステージを長辺方向に垂直な水平方向のみ移動させて複合構造物を形成する方法が考えられるが、この方法では前記導出開口の矩形の長辺方向の外縁部と中心部とのエアロゾル濃度を比較した場合に、前記導出開口中心部の方がエアロゾルの濃度が高くなってしまい、エアロゾルの濃度が高い前記導出開口中央部には厚く、またエアロゾルの濃度が低い前記導出開口外縁部には薄く複合構造物が作製され、均一な膜厚である複合構造物を作製することが出来なかった。
【０００７】
また、特許文献１で開示されている細いノズルを収束せしめた束状ノズルを用い、基材を固定しているステージ、若しくはノズルを長辺方向に垂直な水平方向のみ移動させて複合構造物を形成する場合も短時間で大面積の複合構造物を作製することは可能であるが、前記した単純に導出開口の矩形の長辺方向を長くして基材を固定しているステージ、若しくはノズルを長辺方向に垂直な水平方向のみ移動させて複合構造物を作製する方法と同様で、前記束状ノズル中心部の方がエアロゾルの濃度が高くなってしまい、エアロゾルの濃度が高い前記束状ノズル中央部には厚く、またエアロゾルの濃度が低い前記束状ノズル外縁部には薄く複合構造物が作製され、均一な膜厚である複合構造物を作製することが出来なかった。
【０００８】
上記縞状の複合構造物を作製する場合の問題点を解消するために、矩形の開口の長辺方向が最大５ｍｍ程度の比較的小さな導出開口を備えたノズルを複数本設置し、前記導出開口の矩形の長辺方向に垂直な水平方向のみ基板、若しくはノズルを移動させて複合構造物を形成する方法が考えられるが、この方法では、前記ノズルの本数分エアロゾル発生装置が必要となり、且つ複数台の前記エアロゾル発生装置が同等の濃度のエアロゾルを供給する機能を持つ必要があり、複合構造物作製装置が複雑化した。
【０００９】
また、複数本のノズルへ導入するエアロゾルを、エアロゾル発生装置一台から作製したエアロゾルを同等の濃度に分割して供給する場合、前記エアロゾルの濃度を均一化させる装置が必要となり、複合構造物作製装置が複雑化した。
【００１０】
本発明では、上記事情に鑑み、一定の比較的大きな面積、若しくは縞状の複合構造物を形成するに際し、均一な膜厚の複合構造物を短時間で作製するための複合構造物形成用ノズルおよび複合構造物形成装置並びに複合構造物形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明は、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基板に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、前記基板表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成する複合構造物作製装置に用いられるノズルにおいて、前記ノズルが、前記エアロゾルが通過するエアロゾル通過空間を有するノズル本体と、前記エアロゾルを導入するための１つの導出開口と、前記エアロゾルを噴射させるための複数の導出開口とを具備し、且つ前記ノズル内に前記エアロゾルを均等に分散させるための分散手段を持つことを特徴とする。
エアロゾルを導入するための１つの導入開口と、エアロゾルを噴射するための複数の導出開口とを具備し、且つノズル内に微粒子を均等に分散させるための分散手段を持つことにより、複数の導出開口から同濃度のエアロゾルの発生が可能となり、均一な膜厚の複合構造物の作製が可能となる。  
【００１２】
本発明の好ましい態様として、前記分散手段として前記ノズルの導入開口付近に微粒子分散用格子を設けることを特徴とする。
前記ノズルの導入開口付近に微粒子分散用格子を設けることによって、前記ノズル内を通過する前記微粒子が拡散することが可能となり、例えば、前記導出開口から噴射するエアロゾルの濃度に、前記導出開口中央部のエアロゾル濃度が高く、前記導出開口外縁部のエアロゾル濃度が低くなる等のばらつきを押さえ、均一な前記エアロゾルを前記導出開口から供給することが可能となり、均一な膜厚の複合構造物の作製が可能となる。
【００１３】
本発明の好ましい態様として、前記分散手段として前記ノズル本体内部に微粒子分散用ガイドを設けることを特徴とする。
前記ノズル本体内部に微粒子分散用ガイドを設けることによって、前記ノズル内を通過する前記微粒子が拡散することが可能となり、例えば、前記導出開口から噴射するエアロゾルの濃度に、前記導出開口中央部のエアロゾル濃度が高く、前記導出開口外縁部のエアロゾル濃度が低くなる等のばらつきを押さえ、均一な前記エアロゾルを前記導出開口から供給することが可能となり、均一な膜厚の複合構造物の作製が可能となる。
【００１４】
本発明の好ましい態様として、前記分散手段として前記導出開口に微粒子整流用スリットを設けることを特徴とする。
前記導入開口に微粒子整流用スリットを設けることによって、前記導入開口や前記ノズル本体内部で分散された微粒子を整流し、前記導出開口から噴射される前記エアロゾルを一方向へ直進させて噴射することが可能であり、効率よく複合構造物の作製が可能となる。
【００１５】
また、本発明では、上述したノズルを備える複合構造物作製装置や複合構造物作製方法を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による複合構造物作製用ノズルを用いることによって、比較的大きな面積の複合構造物や縞状の複合構造物を短時間で、且つ均一な膜厚で作製することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
ここで本発明のノズルを用いた複合構造物形成法であるエアロゾルデポジション法について説明する。
延展性を持たない脆性材料（セラミックス）に機械的衝撃力を付加すると、結晶子同士の界面などの劈開面に沿って結晶格子のずれを生じたり、あるいは破砕される。そして、これらの現象が起こると、ずれ面や破面には、もともと内部に存在し別の原子として結合していた原子が剥き出しの状態となった新生面が形成される。この新生面の原子一層の部分は、もともと安定した原子結合状態から外力により強制的に不安定な表面状態に晒され、表面エネルギーが高い状態となる。この活性面が隣接した脆性材料表面や同じく隣接した脆性材料の新生面或いは基板表面と接合して安定状態に移行する。外部からの連続した機械的衝撃力の付加は、この現象を継続的に発生させ、粒子の変形、破砕などの繰り返しにより接合の進展、緻密化が行われ、脆性材料構造物が形成される。
【００１８】
そして、上記機械的衝撃を搬送ガスにて脆性材料を基板に衝突させるようにした方法がエアロゾルデポジション法である。
【００１９】
この方法は、ガスデポジション法により発展してきた手法であり、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを運搬し、高速で基板表面に噴射して衝突させ、微粒子を破砕・変形せしめ、基板との界面にアンカー層を形成して接合させるとともに、破砕した断片粒子同士を接合させることにより、基材との密着性が良好で強度の大きい脆性材料構造物を基板状にダイレクトに形成させることが出来る。
【００２０】
本発明はエアロゾルデポジション法に都合が良いばかりではなく、ガスデポジション法などの微粒子を噴射させる方法などにも利用できる。
【００２１】
ここで、図面を使用して複合構造物作製装置の一般的な装置構成を説明する。
図１は、複合構造物作製装置の装置図であり、窒素を内蔵するガスボンベ１１は、ホース状の搬送管１２を介してエアロゾル発生器１３に連結され、さらに搬送管を通じて構造物形成室１４内に円形の導入部と矩形の開口を持つ開口部を備えたノズル１５が設置される。コンピュータにより上下（Ｚ）、前後左右（ＸＹ）に制動できる基板ホルダ１７に基材１６がノズルに対向して配置される。構造物形成室１４は排気ポンプ１８に接続している。
【００２２】
また、ノズル１５と基材１６の間にエアロゾル濃度を測定するためのセンサ装置２１を配置し、センサ装置２１から出力される信号は、フィードバック制御回路２２へ送られ、そして処理され、エアロゾル発生器１３やガスボンベ１１それぞれの制御部へ配線２３を通って送られ、エアロゾル濃度を制御するように、また、基材に衝突するエアロゾルの量を任意量供給するように制御を行う。
【００２３】
ノズル１５の導入部形状は、ホース状の搬送管１２でエアロゾルが搬送されてくるため、導入部形状はホース径にあわせた形状が望ましい。また、ホース径は大きいとエアロゾルを運搬するためにガス量を多くしなければならないので、数ｍｍ程度が妥当である。また開口部形状は、基材に作製させる複合構造物の大きさに合わせて矩形の長辺方向と短辺方向の長さを決定する。
以下、本発明の実施の形態を、図面により詳細に説明する。
図２は、本発明の一態様としての複合構造物作製装置で使用するノズル３１であり、図３は図２の内部形状を示す。このノズルは５ｍｍ×０．５ｍｍの矩形の導出開口３２を５ｍｍ間隔で４ヶ持ち、３ｍｍ×３ｍｍの矩形の導入開口３３を１ヶ持つ。
【００２４】
図２で示したノズル３１を図１で示した複合構造物作製装置のノズル１５として使用し、４０ｍｍ×４０ｍｍの面積で膜厚が１０μｍで均一の複合構造物を得ようとした場合を述べる。ノズル３１を使用した場合、ノズルまたは基材をＸ軸方向へ４０ｍｍ移動させ、５ｍｍ×４０ｍｍで膜厚１０μｍの複合構造物を基板上に４カ所作製する。次に、ノズル又は基材をＹ軸方向へ５ｍｍ移動させ、再びノズル又は基板をＸ軸方向へ４０ｍｍ移動させ、５ｍｍ×４０ｍｍの面積で膜厚が１０μｍの複合構造物を４カ所作製する。上記製膜方法にて、４０ｍｍ×４０ｍｍの面積で膜厚が１０μｍの複合構造物を作製することが可能である。各導出開口から噴射されるエアロゾルの濃度が同等であるとした場合、導出開口と導入開口を各１ヶ持つ前記ノズルと比較して、複合構造物作製時間を短縮することが可能である。
【００２５】
又、ノズルまたは基材をＸ軸方向へ４０ｍｍ往復移動していると同時に、Ｙ軸方向へも微少（例えば１ｍｍずつ）に移動させ、その動作を繰り返し、膜厚１０μｍの複合構造物を作製しようとした場合、前記導出開口長辺方向のエアロゾル濃度の乱れによる複合構造物の膜厚の乱れを相殺することが可能であり、より均一な複合構造物を得ることが可能である。このときのＹ軸方向への移動は、総計で１０ｍｍである。
【００２６】
又、縞状の複合構造物を作製する場合、Ｘ軸方向への移動のみで一度で４カ所に縞を作製することが可能であり、縞状の複合構造物作製時間を短縮することが可能である。
【００２７】
又、例えば５ｍｍ×５ｍｍの面積の複合構造物を多数個作製しようとする場合、Ｘ軸方向の移動のみで一度に４ヶの複合構造物の作製が可能であり、複合構造物作製時間を短縮することが可能である。
【００２８】
導入開口３３から導入される前記微粒子は中心部に集まる傾向があり、前記影響を受け、導出開口３４から噴射されるエアロゾルの濃度も前記導出開口中央部の方が濃度が高い傾向があったが、前記導入開口３３付近に微粒子分散用格子３４を設けることによって、ノズル１５内部へ導入される微粒子が分散されるため、前記導出開口３４から噴射されるエアロゾルの濃度を均一化することが可能である。
【００２９】
前記微粒子分散用格子３４は、図３に示すように、前記導入開口３３の中心部で十字に交差する形状を取り、中央部に集まる傾向のある前記微粒子を分散させたが、前記微粒子分散格子３４の形状は、平行な格子や三角形、六角形の格子等、本実施形態にこだわることなく、前記微粒子を分散させる形状を用いる。
【００３０】
また、ノズル３１内部に微粒子分散用ガイド３４を設けることによって、前記導出開口中央部に集中している、若しくは分散しきれていない微粒子は微粒子分散用ガイド３４で分散されるため、前記導出開口３２から噴射されるエアロゾル濃度を均一化することが可能である。
【００３１】
前記微粒子分散用ガイド３４は、図３に示すように、ノズル内の前記微粒子の流れと平行な突起物で、且つ中央部に集まる傾向にある前記微粒子をノズル外縁部まで分散するよう外向きに角度を付けて配置したが、前記微粒子分散用ガイド３４の形状は、半球形や菱形、四角形等の突起物や凹み、若しくは規則的な凹凸等、本実施形態にこだわることなく、前記微粒子を分散させる形状を用いる。
【００３２】
また、前記導出開口３２付近に微粒子整流用ガイド３５を設けることによって、前記微粒子分散用格子３４、若しくは前記微粒子分散用ガイド３５で分散された粉体は、一方向へ直進性を持つことになり、基材へ効率的に衝突させることが可能になった。
【００３３】
前記微粒子整流用ガイド３５は、図３に示すように、エアロゾル噴射方向と平行な形状と三角形の形状を組み合わせた形状のガイドを配置したが、前記微粒子整流用ガイド３５の形状は、エアロゾル噴射方向に水平な凹凸を組み合わせたもの等、本実施形態にこだわることなく、前記微粒子を整流させる形状を用いる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、常温下で脆性材料の微粒子同士を接合させることにより、基材との密着性が良好で強度の大きい脆性材料構造物を基板上にダイレクトに形成させることができるので、従来、焼成や高温を加えられなかった基材や材料に対しても利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係るエアロゾル発生装置を組み込んだ複合構造物作製装置の全体構成図
【図２】本発明のノズルの全体構成を示した図。
【図３】本発明のノズルの断面を示した図
【符号の説明】
【００３６】
１１…ガスボンベ
１２…搬送管
１３…エアロゾル発生装置
１４…構造物形成室
１５…ノズル
１６…基材
１７…基材ホルダ
１８…排気ポンプ
２１…センサ装置
２２…フィードバック制御回路
２３…配線
３１…ノズル本体
３２…導入開口
３３…導出開口
３４…粉体分散用格子
３５…粉体分散用ガイド
３６…粉体整流用ガイド
【図１】
2005103377.tif 000003
【図２】
2005103377.tif 000004
【図３】
2005103377.tif 000005