(57)【要約】      （修正有）【課題】溶接や接着剤等のように接合用部材・資材や装置を必要とすることなく、相手材との接合を可能とする接合構造体及びその製造方法を提供すること。【解決手段】半径が５００ｎｍ以下の柱状構造１を基体表面に複数備え、柱状構造１の、配設間隔、長さ及び半径などが部分的に異なる。柱状構造１の先端部が半径３００ｎｍ以下の球面である。柱状構造１が誘電率２以上の材料から成る。柱状構造１の曲げ弾性率が５ＧＰａ以下である。柱状構造１のアスペクト比が１〜１５である。柱状構造１を厚さ３００ｎｍ以下の薄膜で被覆する。  転写法により柱状構造１と基体とを一体に形成して、接合構造体１を製造する。  柱状構造１と基体とを別々に形成した後、該基体と一体化して、接合構造体を製造する。【選択図】図２
2007083317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径が５００ｎｍ以下の柱状構造を基体表面に複数備える接合構造体であって、
上記柱状構造の、配設間隔、長さ及び半径から成る群より選ばれた少なくとも１種のものが部分的に異なることを特徴とする接合構造体。
【請求項２】
上記基体上の起点から離れるほど、上記柱状構造の平均配設間隔が小さいことを特徴とする請求項１に記載の接合構造体。
【請求項３】
上記基体上の起点から離れるほど、上記柱状構造の平均長さが大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の接合構造体。
【請求項４】
上記基体上の起点から離れるほど、上記柱状構造の平均半径が大きい又は小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか1つの項に記載の接合構造体。
【請求項５】
上記柱状構造の先端部が半径３００ｎｍ以下の球面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の接合構造体。
【請求項６】
上記柱状構造が誘電率２以上の材料から成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の接合構造体。
【請求項７】
上記柱状構造が導電性物質を含有する複合材であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の接合構造体。
【請求項８】
上記柱状構造が樹脂製であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の接合構造体。
【請求項９】
上記柱状構造の曲げ弾性率が５ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の接合構造体。
【請求項１０】
上記柱状構造がアスペクト比１〜１５の範囲を満たすことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の接合構造体。
【請求項１１】
上記柱状構造が厚さ３００ｎｍ以下の薄膜で被覆されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載の接合構造体。
【請求項１２】
上記薄膜が誘電率２以上の材料から成ることを特徴とする請求項１１に記載の接合構造体。
【請求項１３】
上記薄膜が導電性物質を含有する複合材であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の接合構造体。
【請求項１４】
上記薄膜が樹脂製であることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１つの項に記載の接合構造体。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１つの項に記載の接合構造体を製造するに当たり、
転写法により柱状構造と基体とを一体に形成することを特徴とする接合構造体の製造方法。
【請求項１６】
請求項１〜１４のいずれか１つの項に記載の接合構造体を製造するに当たり、
柱状構造と基体とを別々に形成した後、該基体と一体化することを特徴とする接合構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合構造体及びその製造方法に係り、更に詳細には、基体表面に微細構造を形成することにより、溶接や接着剤等を使用せずに、非接合材との接合を可能とする接合構造体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、材料の接合においては、溶接や接着剤を使用した接合、面ファスナー（例えばマジックテープ（登録商標））、ボルトなどの締結部材を介した接合構造などが採用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、これらの接合構造においては、例えばボルト、面ファスナー本体、接着剤などの接合用の部材や資材や、ボルトを締結するためのツーリングマシーン、接着剤塗布機、スポット溶接機などの締結装置が存在しているため、これらの制約条件により様々な工程に問題があった。
【０００４】
例えば、溶接においては、溶接用装置や火の粉防止措置が必要となり、接着剤では溶剤揮発や作業員の衣服に付着するなど作業環境への対応が必要となる。また、面ファスナーによる接合も面ファスナー自体の被接合材への固定には接着剤を用いている。
これらの解決を図るためには、環境面においては、例えば、接着剤をホットメルトタイプの非溶剤型に変更するなどの措置が取られているが、工程としては塗布工程や加熱工程があるため、作業時間の増大、コスト増などの問題がある。
なお、溶接においても摩擦溶接などが開発されているが、これとても新規設備開発および導入が必要となり、工程時間の短縮やコスト低減にはつながらない。
【０００５】
一方、有機ポリマーの微小突起群を備えた機能性基板や機能性素子、また、これらを用いたマイクロバイオチップや光デバイスなどが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１７０９３５号公報
【０００６】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、溶接や接着剤等のように接合用部材・資材や装置を必要とすることなく、相手材との接合を可能とする接合構造体及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、構造物等の基体表面に微細な柱状構造を形成することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
即ち、本発明の接合構造体は、半径が５００ｎｍ以下の柱状構造を基体表面に複数備える接合構造体であって、
上記柱状構造の、配設間隔、長さ及び半径から成る群より選ばれた少なくとも１種のものが部分的に異なることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の接合構造体の好適形態は、上記基体上の起点から離れるほど、上記柱状構造の平均配設間隔が小さいことを特徴とする。
【００１０】
更に、本発明の接合構造体の他の好適形態は、上記基体上の起点から離れるほど、上記柱状構造の平均長さが大きいことを特徴とする。
【００１１】
更にまた、本発明の接合構造体の更に他の好適形態は、上記基体上の起点から離れるほど、上記柱状構造の平均半径が大きい又は小さいことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の接合構造体の他の好適形態は、上記柱状構造が誘電率２以上の材料から成ることを特徴とする。
【００１３】
一方、本発明の接合構造体の製造方法は、上記接合構造体を製造するに当たり、
転写法により柱状構造と基体とを一体に形成することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の他の接合構造体の製造方法は、上記接合構造体を製造するに当たり、
柱状構造と基体とを別々に形成した後、該基体と一体化することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
構造物等の基体表面に微細な柱状構造を形成することにより、溶接や接着剤等のように接合用部材・資材や装置を必要とすることなく、相手材との接合を可能とする。
これにより工業製品の製造工程簡素化・短縮、コスト低減が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の接合構造体につき詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。
【００１７】
上述の如く、本発明の接合構造体は、長手方向に対する垂直断面の半径が５００ｎｍ以下の柱状構造を基体表面に複数備えて成る。この柱状構造の半径は、３００ｎｍ以下であることが好ましい。
また、上記柱状構造は、配設間隔、長さ又は半径、及びこれらの任意の組合わせに係るものが部分的に異なるようにする。
【００１８】
これにより、柱状構造と被接合体の間に働くファンデルワールス力を利用し、接着剤などの接合部材やそれを施工するための装置を必要とすることなく、物質同士を接合できる。
また、上記柱状構造の各要素を変化させることで、被接合体との接合強度が部分的に異なる構造を有するので、被接合体との脱離が容易になり繰返し接合できるようになる。
【００１９】
ここで、本発明の接合構造体が、被接合体と接合するメカニズムについて説明する。
図１に示すように、原子間には、以下の一般式
Ｆ∝Ａ／Ｄ２
（式中のＡは物質で決まる定数、Ｄは柱状構造体と被接合体の近接距離を示す。）
で表されるファンデルワールス力が働く。
【００２０】
また、図２に示すように、本発明の接合構造体は、ナノレベルの突起を複数有するので、ミクロンレベルの突起に比べて、被接合体の表面の凹凸にナノレベルで入り込み、強力な接合力を発揮することができる。なお、かかる接合力はＤが原子間結合距離まで近接することが必要である。
【００２１】
柱状構造の半径が５００ｎｍを超えると、被接合体表面の微細な凹凸に柱状構造が入り込むことが妨げられ、ファンデルワールス力が働かなくなる。
一方、半径５０ｎｍ未満では柱状構造が相互にくっついてしまうことがある。
【００２２】
また、上記柱状構造の先端部は、図３に示すように、種々の形状とすることができるが、特に球面状（図３ｄ）であることが好ましい。具体的には、半径３００ｎｍ以下の球面であることが好ましい。
球面であることにより、被接合面の微細な凹凸構造に柱状構造がより入り込みやすくなり、接合力を向上できる。
【００２３】
なお、図４に、柱状構造の先端半径と接着力との関係を示す。このグラフが示すように、半径３００ｎｍ以下であれば従来品（面ファスナー：接着強度２０〜４０Ｎ／ｃｍ2）より強力な接着力が得られる。
【００２４】
また、本発明の接合構造体において、被接合体との脱離（繰返し使用）を考慮すると、上記柱状構造が異方性を有するよう配設されることがよい。例えば、図５，６に示すように、柱状構造の配設間隔を一定にせず、一部を変更することにより、剥がれ易い方向を形成できる。
【００２５】
代表的には、上記柱状構造が複数存在する基体上に起点を設定し、この起点を基準として、柱状構造の配設間隔、長さ、半径などを適宜変更することができる。
【００２６】
例えば、図７に示すように、上記基体上の起点６から離れるほど、上記柱状構造の平均配設間隔を小さくすることができる。なお、この接合構造体のように、柱状構造の配設間隔が異なる接合構造体を複数個並べて作製できる。
【００２７】
また、上記基体上の起点から離れるほど、上記柱状構造の平均長さを大きくすることができる。更に、図８に示すように、上記柱状構造の長さを部分的に変更するときは、押付け力の強さにより、仮留め、本留めを選択できる。
【００２８】
更に、図９に示すように、上記基体上の起点から離れるほど、上記柱状構造の平均半径を大きくすることや小さくすることができる。
【００２９】
なお、上記「起点」は、線状でも点状でもよく、また１つの基板上に複数個あってもよい。
また、上記「平均」は、起点から同一距離に複数の柱状構造が存在する場合に、これら全体についての当該要素の平均値と、これらより起点側にある柱状構造の当該要素とを比較すればよく、一部で当該要素が逆転していてもよいことを示す。
【００３０】
また、上記柱状構造は、誘電率２以上（ＡＳＴＭＤ１５０  ＠１ＭＨｚ  ２０℃）の材料からなることが好ましい。
誘電率が２に満たない場合、柱状構造の先端において作用するファンデルワールス力が充分でなく、接合強度が不十分となり易い。
【００３１】
更に、材料の誘電率を制御する観点から、上記柱状構造は、導電性物質を含有する複合材であることが好ましい。
かかる導電性物質としては、例えば、カーボンブラック、グラファイト、黒鉛、カーボンナノチューブなどのカーボン系素材、銅、銀、ニッケルなどの金属微粒子、ＩＴＯ粉末、酸化チタン、ステンレス繊維などの金属繊維などが挙げられる。
【００３２】
更にまた、上記柱状構造の材質は樹脂であることが好ましい。
柱状構造が樹脂で構成される場合、被接合体表面と接触したときに、樹脂の可撓性・可倒性により柱状構造が変形することで、被接合体表面の微細な凹凸への接触数が増大し、接合強度をより一層確保することが可能となる。
【００３３】
柱状構造を構成する樹脂としては、例えば、ポリメタクリレート、ポリアクリレートなどのアクリル樹脂、６−ナイロン、６６−ナイロンなどのポリアミド樹脂、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、ポリ塩化ビニール、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリテトラフルオロエチレンなどが好適に使用できる。また、粒子強化、繊維強化、ミネラル強化などの複合樹脂材料も好適に使用できる。
これら樹脂は、上述した誘電率や曲げ弾性率の範囲に属する材料であることがより好ましい。
【００３４】
この場合、上記柱状構造の曲げ弾性率は、５ＧＰａ以下であることが好ましい。曲げ弾性率が５ＧＰａを超えると柱状構造体が被接合体の微細凹凸形状に追従するための可撓性を確保することが難しくなる。より好ましくは０．３〜３ＧＰａであることが良い。
【００３５】
また、上記柱状構造のアスペクト比（直径／高さ）は１〜１５の範囲にあることが好ましい。
アスペクト比が１未満では柱状構造体の被着体への追従が困難になり全体の接着強度が低下し易い。アスペクト比が１５を超えると、押し付け時の入力により柱状構造体が折損してしまうことがある。
更には、アスペクト比は２〜４の範囲にあることがより好ましい。このときは、製造時に柱状構造体が倒れにくく歩留まりが良好となり得る。
【００３６】
本発明の接合構造体において、上記柱状構造には、厚さ３００ｎｍ以下の薄膜を被覆することが可能である。例えば、図３ｅに示すように薄膜３を形成できる。
薄膜の厚みが３００ｎｍを超えると、柱状構造の先端半径が大きくなりすぎ、被接合表面の微細な凹凸へ入り込めず、ファンデルワールス力の発現が妨げられ易い。
【００３７】
この薄膜を構成する材料は、上述の柱状構造ように、誘電率２以上であることが好ましい。
また、同様に、薄膜構成材料は、上述の柱状構造ように、樹脂や導電性物質を添加して成る複合材であることが好ましい。
なお、当該柱状構造は、薄膜のみで形成される中空状であっても良い。
【００３８】
かかる薄膜は、代表的には、真空状態やプラズマなどを用いた化学蒸着法（ＣＶＤ）や物理蒸着法（ＰＶＤ）、溶液へのディッピングなどにより、形成することが可能である。
【００３９】
また、本発明の接合構造体は、例えば、図５に示すように、基体４に微細な柱状構造体１を複数突出させて成るが、かかる柱状構造体は１０６〜１０１１本／ｃｍ２程度で密集していることが良い。
【００４０】
更に、本発明の接合構造体は、接着強度の分布をもたせることができる。
例えば、柱状構造体の中心間距離を不等ピッチで配列することにより、強固に接着した接着構造体を再利用又は解体する場合の脱離を容易にすることが可能となる。
【００４１】
また、柱状構造体の不等ピッチは、縦横斜めのいずれの方向においても自由に設定することが可能であり、また柱状構造体一本ごと、または任意の本数をユニットとしたユニットごとに柱状構造間距離を設定することも可能である。
【００４２】
更に、柱状構造体は、転写法、射出成型法等により基体表面に一体で形成することが可能である。これらの方法により、複合樹脂材料の表面にも柱状構造体を形成することが可能である。強化材が混入された樹脂材料は、一般に強化材が表面に露出せずスキン層に覆われるため、表面のスキン層の樹脂成分を軟化、成型することにより、樹脂成分のみにより構成された柱状構造を構成することが可能である。
【００４３】
本発明の接合構造体において、上述した柱状構造を形成する基体としては、当該柱状構造と同一材料を用いることができる他、用途に合わせて種々の材料を適宜選択して使用できる。
例えば、シリコン、アルミナなどの金属酸化物基板、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂製基板、アルミ、鉄、チタン、マグネシウムなどの金属類、ガラスなどが使用できる。
【００４４】
次に、本発明の接合構造体の製造方法につき詳細に説明する。
本発明の製造方法は、転写法により柱状構造と基体とを一体に形成することで、上述の接合構造体が得られる。
例えば、スタンプ成型などにより基体を熱変形させて、型材を押し当て樹脂を流動させて柱状構造を形成することが可能である（図１０ａ）。
【００４５】
また、本発明の他の製造方法は、柱状構造と基体とを別々に形成した後、該基体と一体化することで、上述の接合構造体を得る。
例えば、予めフィルムなどに柱状構造を形成した後、ガラスや金属、セラミックス、樹脂などの基体に一体化することが可能である（図１０ｂ）。また、別途作製した柱状構造体を基体表面に埋め込むことにより形成することも可能である（図１０ｃ）。
【００４６】
ここで、転写法（ナノインプリント法）とは、ナノサイズに微細加工した型により、超精密樹脂表面を低コストで量産できる方法である。使用する型（スタンパ）としては、シリコン、セラミックス（ＳｉＣ）等に電子ビームリソグラフィ法で形成した型、これらから電鋳により反転形成した金属型などがある。また、転写方法には、加熱タイプ（ホットエンボス法）、紫外線硬化タイプ（ＵＶ硬化法）などがある。
図１１にホットエンボス法のナノインプリント工程を示す。また、ＵＶ硬化法は、石英などの透明物質を型に用い、図１２に示すように、基材にＵＶ硬化樹脂を使用し、型越しにＵＶを照射して樹脂を硬化させて成形品を得る。
【００４７】
なお、柱状構造は、被接合体表面にも形成することが可能であり、この場合は柱状構造同士が相互に絡み合う効果もあり、さらに強固な接合構造を得ることができる。
【実施例】
【００４８】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４９】
（実施例１）
スピンキャスト法により、厚み２００μｍのポリスチレン（誘電率２．５）フィルムを作製した。この表面に、ナノインプリント法にて、半径９０ｎｍ、高さ１．２μｍの円柱を端部から１ｍｍ、４００ｎｍ、３６０ｎｍ、２７０ｎｍ、１８０ｎｍ、９０ｎｍ間隔で並べた５ｍｍ四方の試料を作製した。
この試料を用いて鉄板との剥離接着力を測定を行ったところ、接着強度は徐々に増加するため、図１３に示すように、端部からの引き剥がしが容易であった。
【００５０】
（比較例１）
スピンキャスト法により、厚み２００μｍのポリスチレン（誘電率２．５）フィルムを作製した。この表面に、ナノインプリント法にて、半径９０ｎｍ、高さ１．２μｍの円柱を９０ｎｍ間隔で並べた５ｍｍ四方の試料を作製した。
この試料を用いて鉄板との剥離接着力を測定を行ったところ、接着強度は一定であるため、図１３に示すように、端部から引き剥がしにくかった。
【００５１】
（評価方法）
引張接着強度については、被着体と本発明の接合構造体をあわせて２００ｇの分銅を載せて放置した後、被着体および本発明の接合構造体を引張試験機チャック部にエポキシ系接着剤で固定した後、引張速度１ｍｍ／ｍｉｎ．で測定を実施した。
引張剥離強度については、被着体および本発明の接合構造体にＬ字型の鉄板をエポキシ系接着剤で接着した後、このＬ字型金具を引張速度１ｍｍ／ｍｉｎ．で引張り剥離強度とした。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】ファンデルワールス力を説明する概略図である。
【図２】本発明の接合構造体が接着力を発揮するメカニズムを示す概略図である。
【図３】柱状構造の先端部の一例を示す断面概略図である。
【図４】先端部の半径と接着強度の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の接合構造体の一例を示す概略図である。
【図６】柱状構造の異方性の一例を示す概略図である。
【図７】柱状構造の異方性の他の例を示す概略図である。
【図８】柱状構造の異方性の更に他の例を示す概略図である。
【図９】柱状構造の異方性の他の例を示す概略図である。
【図１０】本発明の接合構造体の他の例を示す概略図である。
【図１１】ナノインプリント法の工程を示す概略図である。
【図１２】ＵＶ硬化法を示す概略図である。
【図１３】柱状構造が不等ピッチ、等ピッチの接合構造体の剥離強度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５３】
１  本発明の柱状構造
２  被接合体
３  薄膜
４  基体
５  柱状構造と別途作製された基体
６  ミクロンサイズの柱状構造体
７  起点
8   ミクロンサイズの被接合体表面
【図１】
2007083317.tif 000003
【図２】
2007083317.tif 000004
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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