(57)【要約】  本発明は、マイクロピラーアレイ（２０）を製造するシステム及び方法を提供する。キャリア（１１）には、金属インク（２０ｉ）の層が設けられる。高エネルギー光源（１４）は、キャリア（１１）と光源との間のマスク（１３）を介して金属インク（２０ｉ）を照射する。マスクは、金属インク（２０ｉ）上にマイクロピラーアレイの断面の照射された画像を透過するよう構成され、それにより、金属インク（２０ｉ）のパターン化された焼結が生じ、金属インク（２０ｉ）の層にマイクロピラーアレイ（２０）の第一のサブセクション層（２１）が形成される。金属インク（２０ｉ）の更なる層がマイクロピラーアレイ（２０）の第一のサブセクション層（２１）の上部に適用され、マスク（１３）を介して照射されることで、マイクロピラーアレイの第二のサブセクション層（２１）が上部に形成される。該処理は、高アスペクト比のマイクロピラー（２０ｐ）を実現するために繰り返される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロピラーアレイ（２０）を製造するシステム（１００）であって、
キャリア（１１）を保持するよう構成される台（１２）と、
金属インク（２０ｉ）の供給部（１５ｓ）を有する堆積手段（１５）であって、前記キャリア（１１）に前記金属インク（２０ｉ）の層を設けるよう構成される堆積手段（１５）と、
前記金属インク（２０ｉ）を焼結することができる光（Ｌ）を供給するよう構成される光源（１４）と、
前記光源（１４）と前記キャリア（１１）との間のマスク（１３）であって、前記マイクロピラーアレイ（２０）の断面画像に応じて前記光（Ｌ）をパターン化するよう構成されるマスクパターン（１３ｐ）を有し、前記光源（１４）及び前記マスク（１３）が前記金属インク（２０ｉ）の層に前記パターン化された光を衝突させて前記金属インク（２０ｉ）のパターン化された焼結を生じさせ、前記金属インク（２０ｉ）における前記マイクロピラーアレイ（２０）のサブセクション層（２１、２２）を形成するよう構成される、マスク（１３）と、
前記堆積手段（１５）、前記光源（１４）、及び、前記台（１２）を制御するよう配置される制御部（３０）と、
前記制御部と動作可能にリンクされ、プログラム命令を有するコンピュータ読み取り可能記憶媒体であって、前記プログラム命令が前記制御部によって実行されると、前記制御部に、
前記堆積手段（１５）を制御して前記マイクロピラーアレイ（２０）の先に形成されたサブセクション層（２１）上に金属インク（２０ｉ）の更なる層を設けるステップ、及び
前記光源（１４）を制御して前記金属インク（２０ｉ）の更なる層に前記パターン化された光（Ｌ）を供給し、前記先に形成されたサブセクション層（２１）上に前記金属インク（２０ｉ）における前記マイクロピラーアレイ（２０）の更なるサブセクション層（２２）を更に形成するステップを繰り返し実行させるシステム。
【請求項２】
前記制御部（３０）は、
前記マイクロピラーアレイ（２０）の複数のサブセクション層（２１、２２、２３、２４．．．）を構築した後に前記光源（１４）と前記キャリア（１１）との間の前記マスク（１３）を除去し、
前記複数のサブセクション層（２１、２２、２３、２４．．．）のうちの最後に形成されたサブセクション層（２４）上に金属インク（２０ｉ）の更なる層を設け、
前記金属インク（２０ｉ）の更なる層上にパターン化されていない光（Ｌ）を供給して、前記最後に形成されたサブセクション層（２４）上に前記金属インク（２０ｉ）における前記マイクロピラーアレイ（２０）の連続的なベースセクション（２９）であって、前記アレイ（２０）の前記ピラー（２０ｐ）を接続する金属箔を形成するベースセクション（２９）を形成するよう配置され、プログラミングされる、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記金属インク（２０ｉ）の非焼結部分（２０ｌ）をエッチングし、間隔を空けて空間的に離間されたピラー（２０ｐ）のアレイを提供するエッチング手段（４０）を更に備える、請求項１又は２記載のシステム（１００）。
【請求項４】
前記マイクロピラー（２０ｐ）の界面を滑らかにするよう前記金属インク（２０ｉ）の焼結部分（２０ｓ）に電気めっきを行うよう構成される電気めっき手段（５０）を更に備える、請求項１から３のうちいずれか一項記載のシステム（１００）。
【請求項５】
前記キャリア（１１）は前記光源（１４）の前記光（Ｌ）に対して透過的である、請求項１から４のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項６】
前記台（１２）は、前記キャリア（１１）と熱接触するヒートシンクとして機能し、前記キャリア（１１）の加熱による前記金属インク（２０ｉ）の焼結を防止するよう前記キャリア（１１）から熱を引き出すよう構成される、請求項１から５のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項７】
前記光源は、前記金属インク（２０ｉ）を焼結することができる光フラッシュ（Ｌ）を供給するよう構成される高エネルギーフラッシュランプ（１４）である、請求項１から６のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項８】
前記断面画像は、前記アレイ（２０）を形成するマイクロピラー（２０ｐ）に対応する複数の断面形状を有し、前記断面形状それぞれは１から１００マイクロメートルの範囲の直径（Ｄ１）を有する、請求項１から７のうちいずれか一項記載のシステム。
【請求項９】
マイクロピラーアレイ（２０）を製造する方法であって、
金属インク（２０ｉ）の層をキャリア（１１）に設け、
前記高エネルギー光源（１４）を提供し、前記キャリア（１１）と前記光源との間のマスク（１３）であって、前記マイクロピラーアレイの断面の照明された画像を透過させるよう構成されるマスクを介して前記金属インク（２０ｉ）の層を照射し、前記金属インク（２０ｉ）のパターン化された焼結を生じ、前記金属インク（２０ｉ）の層に前記マイクロピラーアレイ（２０）の第一のサブセクション層（２１）を形成し、
前記マイクロピラーアレイ（２０）の前記第一のサブセクション層（２１）の上部に前記金属インク（２０ｉ）の更なる層を適用し、前記同じマスク（１３）を介して前記更なる層を照射し、前記マイクロピラーアレイの第二のサブセクション層（２１）を上部に形成することを備える、方法。
【請求項１０】
前記マイクロピラーアレイ（２０）の複数のサブセクション層（２１、２２、２３、２４．．．）を構築した後に前記光源（１４）と前記キャリア（１１）との間の前記マスク（１３）を除去し、
前記複数のサブセクション層（２１、２２、２３、２４．．．）のうちの最後に形成されたサブセクション層（２４）上に金属インク（２０ｉ）の更なる層を設け、
前記金属インク（２０ｉ）の更なる層にパターン化されていない光（Ｌ）を供給して、前記最後に形成されたサブセクション層（２４）上に前記金属インク（２０ｉ）における前記マイクロピラーアレイ（２０）の連続的なベースセクション（２９）であって、前記アレイ（２０）の前記ピラー（２０ｐ）を接続する金属箔を形成するベースセクション（２９）を形成することを更に備える、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記キャリア（１１）は犠牲層を有し、前記金属インク（２０ｉ）の第一の層は前記キャリア（１１）の前記犠牲層上に堆積され、前記犠牲層を崩壊させることで製造後に前記キャリア（１１）から前記マイクロピラーアレイ（２０）が解放される、請求項９又は１０記載の方法。
【請求項１２】
前記金属インク（２０ｉ）の非焼結部分（２０ｌ）をエッチングして、間隔を空けて空間的に離間されたピラー（２０ｐ）のアレイを提供することを更に備える、請求項９から１１のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項１３】
前記マイクロピラーアレイ（２０）に電気めっきを行うことを更に備える、請求項９から１２のうちいずれか1項記載の方法。
【請求項１４】
複数のマイクロピラー（２０ｐ）を有するマイクロピラーアレイ（２０）であって、前記マイクロピラー（２０ｐ）は融合された金属粒子のマトリクスの重合粒子を有する焼結された金属インクの周期的な積層構造より形成される、マイクロピラーアレイ。
【請求項１５】
前記複数のマイクロピラー（２０ｐ）は、前記マイクロピラー（２０ｐ）を接続する箔に配置され、前記箔は前記マイクロピラー（２０ｐ）と同じ焼結された金属インクより形成される、請求項１４記載のマイクロピラーアレイ。
【請求項１６】
前記マイクロピラーは、２０から２００の範囲の高さ対直径比を有する、請求項１４又は１５記載のマイクロピラーアレイ。
【請求項１７】
前記マイクロピラーは、前記マイクロピラーの直径の１．５から５倍のピッチ周期で周期的に配置される、請求項１４から１６のうちいずれか一項記載のマイクロピラーアレイ。
【請求項１８】
請求項１４から１７のうちいずれか一項記載のマイクロピラーアレイ（２０）を備える電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、マイクロピラーアレイ、及び、マイクロピラーアレイを製造するシステム及び方法に関わる。
【背景技術】
【０００２】
電力に対する需要が益々高まっている世界では、３Ｄ電池が注目の話題として出現している。三次元（３Ｄ）のマイクロパターン化された構造上に堆積される固体薄膜電池は、高電力密度及び高エネルギー密度と組み合わさる可能性がある。マイクロ構造の比表面積により、電池から高電流が引き出されることが可能となり、急速な充電も可能となる。更に、高密度実装されたマイクロ構造により、比較的高い体積エネルギー貯蔵が可能となる。ピラー構造は、同様のアスペクト比及び寸法の多孔性又は穿孔構造と比較した場合に、全表面へのアクセス可能性が簡単なため、好まれる。
【０００３】
電池電極用途のために基板上に高アスペクトのナノワイヤ又はナノピラーを形成する様々な方法が文献で提案されている。例えば、特許文献ＵＳ２００９２１４９５６ＡＡ、ＷＯ１１０９４６４２Ａ１、ＵＳ２００７０５９５８４ＡＡ、ＵＳ２００６２１６６０３ＡＡ、ＵＳ２０１２０９４１９２ＡＡを参照する。構造は、金属又はドープシリコンのいずれかよりなる。例えば、方法は、ナノ多孔性テンプレート（例えば、電気化学的にエッチングされたシリコン又は陽極酸化アルミ）内にナノワイヤ材料を堆積し、その後、テンプレートを分解してナノワイヤを解放することを有してもよい。得られたナノワイヤは、１００ナノメートルから数ミクロンの範囲の様々なサイズ、及び、数ミクロンから数百ミクロンの範囲の様々な高さを有してもよい。
【０００４】
しかしながら、電着金属ナノワイヤを伴う技術では、ワイヤが倒れる傾向があるため、典型的には、十分な高さ（数百ミクロンの範囲）のワイヤを生産することができない。更に、ナノメートルスケールの高アスペクト比構造は、マイクロメートルスケールの構造よりも一単位体積当たり比較的少ない電荷容量を保持し得る。更に、成形技術（例えば、ＵＳ２０１２１８３７３２Ａ１）を用いることは実用的でない。加えて、シリコンウェハにおける深反応性イオンエッチングによりマイクロピラーを生産することは、経済的に実行可能でないこともある。実際に、費用効果を改善するためには、構造が安価な広域処理で比較的安価な基板（例えば、金属箔）上で処理されることが望ましい。
【０００５】
従って、例えば、３Ｄ電池や他の用途で使用するための、経済的に実行可能な高アスペクト比の導電性マイクロピラー構造を提供する改善されたシステム、方法、及び、製品が未だ望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本開示の第一の態様は、マイクロピラーアレイを製造するシステムを提供する。該システムは、キャリアを保持するよう構成される台等の手段を有する。堆積手段は、キャリア上に金属インクの層を設けるよう構成される。堆積手段は、例えば、金属インクを保持するに好適な供給部を有してもよい。システムは、金属インクを焼結することができる光を供給するよう構成される高エネルギー光源を備えるか又はそれに接続される。光源とキャリアとの間にマスクが配置されてもよい。マスクは、マイクロピラーアレイの断面画像に応じて光をパターン化するよう構成されるマスクパターンを有する。光源及びマスクは、金属インクの層にパターン化された光を衝突させて金属インクのパターン化された焼結を生じさせ、金属インクにおけるマイクロピラーアレイのサブセクション層を形成するよう構成される。制御部は、堆積手段、光源、及び、台を制御するよう配置され、プログラミングされ、マイクロピラーアレイの先に形成されたサブセクション層上に金属インクの更なる層を設け、金属インクの更なる層にパターン化された光を供給して先に形成されたサブセクション層上に金属インクにおけるマイクロピラーアレイの更なるサブセクション層を形成することを繰り返すことでマイクロピラーアレイを製造する。
【０００７】
本開示の第二の態様は、マイクロピラーアレイを製造する方法を提供する。該方法は、金属インクの層をキャリアに設けることを有する。高エネルギー光源は、キャリアと光源との間のマスクを介して金属インクの層を照射する。マスクは、金属インクにマイクロピラーアレイの断面の照明された画像を透過するよう構成される。それにより、金属インクのパターン化された焼結が生じ、金属インクの層におけるマイクロピラーアレイの第一のサブセクション層が形成される。マイクロピラーアレイの第一のサブセクション層の上部に金属インクの更なる層が適用され、同じマスクを介して照射され、マイクロピラーアレイの第二のサブセクション層が上部に形成される。
【０００８】
本開示の第三の態様は、複数のマイクロピラーを有するマイクロピラーアレイを提供し、マイクロピラーは融合された金属粒子のマトリクスの重合粒子を有する焼結された金属インクの周期的な積層構造より形成される。複数のマイクロピラーは、マイクロピラーを接続する箔上に配置されてもよく、箔は、マイクロピラーと同じ焼結された金属インクより形成される。マイクロピラーは、電気めっきによって得られる滑らかな外部金属層によって包まれてもよい。マイクロピラーアレイは、例えば、電池の一部として電極を形成してもよい。
【０００９】
金属インクは、例えば、ポリマーマトリックスに溶解された又は別の溶媒に分散された金属ナノ粒子の懸濁液を典型的には有する。熱及び／又は圧力による金属インクの焼結は、例えば、金属粒子の融合及び／又はマトリクスの重合による凝固を生じ得る。高エネルギーの光パターンを用いた金属インクの焼結により、簡単に導電性の固体構造が生成され得る。マスクは、ピラーのマイクロメートルスケールの断面を生成するよう光パターンを成形し得る。同じパターンを用いて焼結された金属インクの更なる層を繰り返し追加することにより、マイクロピラーの高さが増加され、高アスペクト比が実現される。マイクロピラー間の非焼結材料は、更なる層を追加しながら倒壊を防止するよう支持を提供し得る。該技術は、どの特定の基板（例えば、シリコン）にも依存せず、大量生産にスケールされ得る。従って、高アスペクト比の導電性マイクロピラーは、経済的に実行可能な方法で生産され得る。
【００１０】
マイクロピラーアレイを構築した後にマスクを除去し、アレイに焼結された金属インクの更なる層を設けることで、パターン化されていない層はピラーを接続する金属箔を有するベースセクションを形成することができる。従って、ピラーと同じ材料で安価な基板が生産される。例えば、生産を完了した後に、非焼結部分をエッチングすることで、空間的に離間されたピラーのアレイが提供され得る。焼結されたマイクロピラーを電気めっきすることで、構造は強化され、界面が平滑にされ得る。
【００１１】
電池での使用のために所望の機能を実現するために、マイクロピラーはある寸法範囲内で生産されることが好ましい。マイクロピラーが１から１００マイクロメートルの範囲の断面直径を有することが好ましい。マイクロピラーは、ピラーの直径の１．５から５倍のピッチ周期で周期的に配置されることが好ましい。ピラーの高さ対直径比は、２０から２００の範囲にあることが好ましい。例えば、マイクロピラーは、例えば、３０層より多い、より好ましくは、４０層より多い、更には、例えば、５０から２００層の複数のサブセクション層を用いて構築され得る。サブセクション層の厚さは、高解像度での正しい焼結のために（特に、より短い光パルスが使用される場合、即ち、５００μ秒未満）２マイクロメートル未満であることが好ましく、１．５マイクロメートル未満であることがより好ましく、１マイクロメートル未満であることが最も好ましい。
【００１２】
マイクロメートルスケールの金属インク層の好適な焼結のためには、光源は、意図しない部分の望ましくない加熱が生じない程度に、十分な電力密度を供給すべきである。従って、１平方センチメートル当たり１から１００キロワット、好ましくは、１平方センチメートル当たり３から３０キロワットのパルス電力密度を金属インクの層に供給することが有利であることが分かった。金属インクの層における横熱流量（パターン解像度に影響を与える）により、３０から１００００マイクロ秒、好ましくは１００から１０００マイクロ秒のパルス長を有するマイクロ秒の光フラッシュが使用されることが好ましい。例えば、１平方センチメートル当たり０．３から３０ジュール、好ましくは、１平方センチメートル当たり１から５ジュールのパルスエネルギー密度が金属インクの層に与えられる。熱による光化学処理及び向上された焼結を防止するために、光源は、金属インク（材料及び粒度による）によって吸収され得る光スペクトルを生成することが好ましい。例えば、平均粒度が４０ｎｍの銀インクについて、最適な吸収は、４００から４５０ｎｍの波長範囲にある。所望の特性は、例えば、高エネルギーフラッシュランプを用いて実現され得る。マイクロピラーのパターンは、単一の光フラッシュを用いて焼結されることが好ましい。
【００１３】
キャリアを透明にすることにより、金属インクの層を透過する光はキャリアにおいて吸収されず、吸収された場合にはキャリアの加熱をもたらす。キャリアの加熱が防止されることで、金属インクは、投射された光パターンを介する代わりにキャリアを介して間接的に焼結されることが防止され得る。特に、金属インクの横方向加熱は、キャリアが徐々に加熱された場合に起こり得る。例えば、キャリアは、光源からの光に対して比較的に低い吸収係数を有してもよく、例えば、１メートル当たり０．１未満、１メートル当たり０．０１未満、又は、１メートル当たり０．００１未満さえでもよい。代替的には、又は、追加的には、台は、キャリアから熱を引き出すためにキャリアと熱接触されるヒートシンクとして機能するよう構成され得る。例えば、台の熱伝導率は、キャリアの熱伝導率の１０倍より高く、好ましくは２０倍より高く、好ましくは３０倍より高く、又は、それ以上例えば、４０から１００倍でもよい。例えば、ガラス製キャリアが０．９Ｗ／ｍ／Ｋの熱伝導率を有し、鋼製台が３６Ｗ／ｍ／Ｋの熱伝導率を有してもよい。キャリアの比較的低い熱伝導率は、インクの焼結を妨げ得る、金属インクの層からの熱の引き出しを防止することを補助してもよい。更に、金属インクの層の焼結部分から非焼結部分への熱の横方向伝導を防止して、パターン解像度を改善し得る。従って、１０Ｗ／ｍ／Ｋ未満、好ましくは５Ｗ／ｍ／Ｋ未満、２Ｗ／ｍ／Ｋ未満、又は、それ未満、例えば、０．１から１Ｗ／ｍ／Ｋの熱伝導率のキャリアを設けることが好ましい。金属インクの熱伝導率（コーティング及び乾燥後）は、０．１から１Ｗ／ｍ／Ｋの範囲にある。焼結後、金属粒子は統合され、粒子の焼結又は統合のレベル及び材料のタイプにより、熱伝導率が増加される。正しい焼結には、コーティング後の金属インクは正しく乾燥されなくてはならない（略無溶媒状態）。
【００１４】
有利には、固定のマスクパターンを有する静的マスクは、マイクロピラーアレイの多数の繰り返される層を形成するために使用され得る。光学素子を間に設けることなく金属インクの層の真上にマスクが配置されることで、光学的構成要素による損失が最小化され得る。金属インクの後続する層それぞれが照射される前に、台をマスクに対して離れるよう移動させることで、距離が固定され得る。最適な解像度を提供するために、マスクとパターン化されるべき金属インクの上層との間の距離は、０．２ミリメートル未満、好ましくは、０．１ミリメートル未満、例えば、１０から１００マイクロメートル又はそれ未満であることが好ましい。マイクロピラーアレイの後続する層それぞれについて堆積部と照射部との間で台を往復させることで、更なる層が上部に迅速に堆積される間マスクは上部のインク層から小さい距離で静止したままにされ得る。例えば、層は、層の厚さを制御するために流出開口部を有するコーティングヘッドによって堆積され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本開示の装置、システム、及び、方法の上記及び他の特徴、態様、及び、利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び、添付の図面からより良く理解されるであろう。
【図１Ａ−１Ｃ】図１Ａから図１Ｃは、マイクロピラーアレイを製造する実施形態を概略的に示す。
【図２Ａ−２Ｃ】図２Ａから図２Ｃは、マイクロピラーアレイを製造する実施形態の更なるステップを概略的に示す。
【図３Ａ−３Ｂ】図３Ａ及び図３Ｂは、マイクロピラーアレイを製造するシステムを概略的に示す。
【図４】図４は、マイクロピラーアレイを製造する実施形態の等角図を概略的に示す。
【図５】図５は、マイクロピラーアレイの実施形態を概略的に示す。
【図６Ａ】図６Ａは、フラッシュパルスの測定されたパルス形状を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、フラッシュ露光の温度プロフィールのシミュレーションを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
特に定義されない限り、本願で使用される全ての用語（技術的用語及び科学的用語を含む）は、説明及び図面との関連で読まれると、本発明が属する技術の当業者によって一般的に理解される意味と同じ意味を有する。更に、一般的に用いられる辞書に定義されるような用語が当該技術の文脈におけるその意味と一貫した意味を有すると解釈されるべきであり、本願に明確に定義しない限り理想的な又は形式的過ぎる意義で解釈されてはならないことが更に理解されるであろう。幾つかの場合では、周知の装置及び方法の詳細な説明は、本システム及び方法の説明を不明瞭にしないよう省略されてもよい。特定の実施形態を説明するために使用される専門用語は、本発明を制限することを意図しない。本願で使用するように、単数形の冠詞は、文脈で特に明確に示さない限り、複数形も含むことが意図される。「及び／又は」といった用語は、関連付けられる列挙項目のうちの一つ以上の項目の任意の及び全ての組み合わせを含む。「備える」及び／又は「備えている」といった用語が、説明した特徴の存在を特定するが、一つ以上の他の特徴の存在又は追加を除外するものではないことは理解されるであろう。更に、方法の特定のステップが別のステップに後続するとされた場合、特に記載がない限り、該他のステップに直ぐに後続してもよく、又は、一つ以上の中間ステップが特定のステップを行う前に行われてもよいことは理解されるであろう。同様にして構造間又は構成要素間の接続が説明されると、該接続は特に記載がない限り、直接的に又は中間構造或いは構成要素を介して確立されてもよい。全ての公報、特許出願、特許、及び、本願に記載する他の参照は、全体的に参照されることにより組み込まれ得る。矛盾する場合、定義を含む本明細書が優先される。
【００１７】
本発明は、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照して、以下により完全に説明する。しかしながら、本発明は、多数の異なる形態で具体化されてもよく、記載する実施形態に制限されると解釈されてはならない。これら実施形態は、むしろ、本開示が詳細で完全なものであり、発明の範囲が当業者に完全に伝わるよう提供される。模範的な実施形態の説明は、明細書全体の一部として考えられる添付の図面と関連して読まれることが意図される。図中、システム、構成要素、層、及び、領域の絶対的及び相対的サイズは明瞭化のため誇張されてもよい。実施形態は、本発明の理想化された可能性のある実施形態及び中間構造の概略及び／又は断面図を参照して説明されてもよい。説明及び図面にわたって、同様の番号は同様の素子を示す。相対語並びにその派生語は、そのとき説明される、又は、説明時に図面に示される方向付けを示すと考えられるべきである。これら相対語は、説明の便宜上、提供され、特に記載がない限り、システムが特定の方向付けで構成されるか動作されることを必要としない。
【００１８】
図１Ａから図１Ｃは、マイクロピラーアレイを製造する実施形態を概略的に示す。
【００１９】
図１Ａに示すように、キャリア１１には、金属インク２０ｉの層が設けられる。実施形態では、キャリアは別個の台１２によって保持される。代替的には、キャリア及び台は、単体として一体化され得る。金属インク２０ｉの層を照射する高エネルギー光源１４が設けられる。光源１４の光Ｌは、キャリア１１と光源との間のマスク１３を介してパターン化される。マスク１３は、金属インク２０ｉ上にマイクロピラーアレイの断面の照射された画像を通すよう構成される。これにより、図１Ｂに示すように、金属インク２０ｉのパターン化された焼結が生じ、金属インク２０ｉの層においてマイクロピラーアレイ２０の第一のサブセクション層２１が形成される。図１Ｃに示すように、金属インク２０ｉの更なる層は、マイクロピラーアレイ２０の第一のサブセクション層２１の上部に適用される。この更なる層は、再び、マスク１３を介して照射され、上部にマイクロピラーアレイの第二のサブセクション層２１が形成される。この処理は、ピラーの高さを増加するために続けられてもよい。
【００２０】
一実施形態では、マスク１３は、マイクロピラーアレイ２０の断面の固定マスクパターン１３ｐを有する静的マスクである。一実施形態では、マスク１３は、光学素子を間に設けることなく金属インク２０ｉの層の上に配置される。
【００２１】
一実施形態では、キャリア１１は光源１４の光Ｌに対して透過的である。一実施形態では、台１２は、キャリア１１と熱接触するヒートシンクとして機能し、キャリア１１の加熱による金属インク２０ｉの焼結を防止するようキャリア１１から熱を引き出すよう構成される。一実施形態では、台の熱伝導率はキャリアの熱伝導率の１０倍より大きい。
【００２２】
図２Ａから図２Ｃは、マイクロピラーアレイを製造する実施形態の更なるステップを概略的に示す。
【００２３】
一実施形態では、図２Ａに示すように、該方法は、マイクロピラーアレイ２０の複数のサブセクション層２１、２２、２３、２４を構築した後に光源１４とキャリア１１との間のマスク１３を除去することを含む。本実施形態では、金属インク２０ｉの更なる層は、複数のサブセクション層２１、２２、２３、２４のうちの最後に形成されたサブセクション層２４の上に設けられる。更に、パターン化されていない光Ｌ（マスク１３が設けられない）は、金属インク２０ｉの更なる層に照射され、最後に形成されたサブセクション層２４上に金属インク２０ｉにおけるマイクロピラーアレイ２０の連続的なベースセクション２９が形成される。従って、ベースセクション２９は、アレイ２０のピラー２０ｐを接続する金属箔を形成してもよい。
【００２４】
開示しない一実施形態では、該方法は、直接的なキャリアへの一層以上の金属インク層のブランケット又はパターン化されていない光の焼結から始まり、ピラーのパターン化された焼結に進む。この場合、最後のステップにどのパターン化されていない光の焼結も行われる必要がない。任意には、キャリアは、金属インクの第一の層を適用する前に接着／剥離層を有してもよい。別の実施形態では、任意には、焼結された構造は、キャリアに恒久的に取り付けられてもよい。このようにして、最終的に、エッチングが行われた後、ピラーはキャリア上に直立され、キャリアは最終構造の一体部分となる。この場合、剥離層の必要はないが、接着層はまだ有用となり得る。
【００２５】
一実施形態では、キャリア１１は、犠牲層（図示せず）を有し、金属インク２０ｉの第一の層はキャリア１１の犠牲層上に堆積され、キャリア１１からのマイクロピラーアレイ２０は犠牲層を崩壊することで製造後に剥離される。例えば、第一の金属インク層とキャリアのガラス板との間の犠牲接着／剥離層（懐中電灯で硬化可能）がある。このような接着／剥離層により、完全な処理後に最終的なピラー構造が簡単に剥離され得る。例えば、接着／剥離層はパターン化される必要はなく、全体的にコーティングされて硬化されてもよい。
【００２６】
一実施形態では、図２Ｂに示すように、該方法は、金属インク２０ｉの非焼結部分２０１をエッチングして、間隔が空けられた空間的に離間されたピラー２０ｐのアレイを提供することを含む。該実施形態は図２Ａの処理によって得られた箔２９と組み合わせて示される1方で、例えば、ピラーがまだキャリア１１に接続されている場合に、エッチングも適用され得る。
【００２７】
一実施形態では、図２Ｂに示すように、該方法は、マイクロピラーアレイ２０を電気めっきすることを含む。該実施形態は図２Ａの処理によって得られた箔２９と組み合わせて示される一方で、例えば、ピラーがまだキャリア１１に接続されている場合に、電気めっきも適用され得る。
【００２８】
一態様によると、本願記載の方法及びシステムは、電池を構築するために使用される。例えば、一方法は、本願に記載するようにマイクロピラーアレイ２０を構築し、マイクロピラーアレイ２０を電池に電極の一部として一体化することを含む。従って、例えば、一つ以上の電極の一部として、本願に記載する一体化されたマイクロピラー構造を有する電池が得られる。
【００２９】
図３Ａ及び図３Ｂは、例えば、本願に記載する方法を実行することで、マイクロピラーアレイ２０を製造するシステム１００を概略的に示す。
【００３０】
本実施形態によるシステム１００は、キャリア１１を保持するよう構成される台１２を有する。システムは、更に、金属インク２０ｉの供給部１５ｓを含む堆積手段１５を有する。堆積手段１５は、キャリア１１上に金属インク２０ｉの層を設けるよう構成される。システム１００は、金属インク２０ｉを焼結することができる光Ｌを供給するよう構成される光源１４を有する。システムは、光源１４とキャリア１１との間にマスク１３を有する。マスク１３は、マイクロピラーアレイ２０の断面画像に応じて光Ｌをパターン化するよう構成されるマスクパターンを有する。光源１４及びマスク１３は、金属インク２０ｉの層にパターン化された光を衝突させるよう構成され、それにより、金属インク２０ｉのパターン化された焼結が生じ、金属インク２０ｉにおいてマイクロピラーアレイ２０のサブセクション層が形成される。システムは、堆積手段１５、光源１４、及び台１２を制御してマイクロピラーアレイ２０を製造するよう配置されプログラミングされる制御部３０を有する。
【００３１】
一実施形態では、制御部は、プログラム命令の影響下でシステムの部品を制御するよう構成される。プログラム命令は、例えば、コンピュータ読み取り可能記憶媒体で具体化され得る。プログラム命令は、ソフトウェア又はハードウェア、例えば、プログラム可能な又は専用の回路に含まれてもよい。典型的には、記憶媒体は、制御部に動作可能に連結されてもよい。例えば、記憶媒体は、メモリ又は他の記憶媒体、例えば、制御部にアクセス可能なハードディスクでもよい。記憶媒体は、例えば、ＲＡＭ又はＲＯＭ等、制御部の一部として部分的に又は完全に一体化され得る。記憶媒体は、制御部とは別個でもよい。
【００３２】
一実施形態では、制御部によって実行されると、プログラム命令は制御部に堆積手段、可能性としては台等のシステムの部品を制御させ、マイクロピラーアレイ２０の先に形成されたサブセクション層２１上に金属インク２０ｉの更なる層を設けさせる。更なる実施形態では、制御部によって実行されると、プログラム命令は、堆積手段を制御して金属インクの更なる層を堆積する前に、制御部に台を、例えば、堆積手段に隣接する堆積領域に位置決めさせる。別の又は更なる実施形態では、制御部によって実行されると、プログラム命令は、制御部に光源、及び、可能性として台及び／又はマスク等のシステムの部品を制御させ、金属インク２０ｉの更なる層にパターン化された光Ｌを供給させ、先に形成されたサブセクション層２１上に金属インク２０ｉにおけるマイクロピラーアレイ２０の更なるサブセクション層２２を形成させる。更なる実施形態では、制御部によって実行されると、プログラム命令は、光源を制御して投射領域にパターン化された光を投射する前に、制御部にパターン化された光の投射領域に台を位置決めさせる。一実施形態では、システムは、堆積領域と投射領域との間で移動するよう構成される往復台を有する。一実施形態では、制御部によって実行されると、プログラム命令は、マイクロピラーアレイが複数のサブセクション層を有して形成されるまで、制御部に金属インクの更なる層を設け、更なるサブセクション層を形成する前述のステップを繰り返し実行させる。
【００３３】
一実施形態（図示せず）では、制御部３０は、マイクロピラーアレイ２０の複数のサブセクション層２１、２２、２３、２４を構築した後に光源１４とキャリア１１との間のマスク１３を除去し、複数のサブセクション層２１、２２、２３、２４のうちの最後に形成されたサブセクション層２４上に金属インク２０ｉの更なる層を設け、金属インク２０ｉの更なる層上にパターン化されていない光Ｌを供給して最後に形成されたサブセクション層２４上に金属インク２０ｉにおけるマイクロピラーアレイ２０の連続的なベースセクション２９を形成するよう配置されプログラミングされ、ベースセクション２９はアレイ２０のピラー２０ｐを接続する金属箔を形成する。
【００３４】
一実施形態では、システム１００は、金属インク２０ｉの非焼結部分２０ｌをエッチングして、間隔が空けられた空間的に離間されたピラー２０ｐのアレイを提供するエッチング手段（例えば、図２Ｂにおける参照番号４０）を更に有する。
【００３５】
一実施形態では、システム１００は、マイクロピラー２０ｐの界面を滑らかにするよう、金属インク２０ｉの焼結部分２０ｓに電気めっきを行う電気めっき手段（例えば、図２Ｃにおける参照番号５０）を更に有する。
【００３６】
一実施形態では、制御部３０は、マスク１３と、照射されるべき金属インク２０ｉの後続する層それぞれとの間の距離ｄを固定するために、金属インク２０ｉの後続する層それぞれを照射する前にマスク１３に対して離れるよう台１２を移動するようプログラミングされる。一実施形態では、制御部３０は、マスク１３と、パターン化されるべき金属インク２０ｉの上層との間の固定距離ｄを維持するよう構成され、例えば、距離ｄは０．１ミリメートル未満である。
【００３７】
一実施形態では、システム１００は、堆積手段１５を含む堆積部Ａ１と、マスク１３及び光源１４を有する照射部Ａ２を有する。図３Ａ及び図３Ｂに示す実施形態では、制御部３０は、マイクロピラーアレイ２０の後続する層２１、２２それぞれに対して堆積部Ａ１と照射部Ａ２との間で台１２を往復移動させるようプログラミングされる。
【００３８】
一実施形態では、堆積手段１５は、流出開口部１５ｏを含むコーティングヘッド１５ｈを有し、制御部３０は、金属インク２０ｉの層を堆積するよう流出開口部１５ｏに対して台１２を移動するようプログラミングされる。一実施形態では、堆積手段は、層２０ｉの制御された適用に対してスロットダイコーティングシステムを有する。更に、他の堆積方法が使用されてもよい。代替的には、又は、追加的には、キャリア１１は、堆積手段として機能する金属インクを有する大だるに浸されてもよい。例えば、キャリアは、後続する層それぞれについて大だるに降ろされてもよい。
【００３９】
一実施形態では、光源は金属インク２０ｉを焼結することができる光フラッシュＬを供給するよう構成される高エネルギーフラッシュランプ１４である。一実施形態では、光源は２０から１００マイクロ秒μｓのパルス長を有する光フラッシュＬを供給するよう構成される。一実施形態では、光源は、１センチメートル当たり０．５から５ジュールＪ／ｃｍ２の金属インク２０ｉの層におけるパルスエネルギー密度を有する光フラッシュＬを供給するよう構成される。一実施形態では、光源は、１センチメートル当たり１０から１００キロワットｋＷ／ｃｍ２の金属インク２０ｉの層におけるパルス電力密度を有する光フラッシュＬを供給するよう構成される。一実施形態では、光源は、主に赤外波長範囲が７００ｎｍより長いスペクトルを有する光フラッシュＬを供給するよう構成される。フラッシュランプは、本方法及びシステムには好ましい光源であるが、代替的には又は追加的にはレーザーが使用されてもよい。
【００４０】
図４は、キャリア１１上にマイクロピラーアレイ２０を製造する実施形態の等角図を概略的に示す。実施形態では、光Ｌは、マスクパターン１３ｐを有するマスク１３を介して金属インク２０ｉの上層に投射される。図示するように、マスクパターン１３ｐは、作成されるべきピラー２０ｐの断面パターンに対応する。一実施形態では、マスクによって投射される断面画像は、アレイ２０を形成するマイクロピラー２０ｐに対応する複数の断面形状を有し、断面形状それぞれは１から１００マイクロメートルの範囲の直径を有する。
【００４１】
図５は、複数のマイクロピラー２０ｐを有するマイクロピラーアレイ２０の実施形態を概略的に示す。マイクロピラー２０ｐは、融合された金属粒子のマトリクスの重合粒子を有する焼結された金属インクの周期的な層状構造よりなる。一実施形態では、アレイ２０のマイクロピラー２０ｐは、形状の直径Ｄ１の１．５から５倍のピッチ周期Ｄ３で周期的に配置される。一実施形態では、ピラー２０ｐは、ピラー２０ｐの高さＤ２とピラー２０ｐの直径Ｄ１との比Ｄ２：Ｄ１を有し、Ｄ２：Ｄ１は２０から２００の範囲にある。一実施形態では、ピラー２０ｐは、３０層を超えるサブセクション層２１、２２、２３、２４を有する。当然のことながら、ピラーは略円形の断面形状を有して示されているが、ピラーは他の断面形状、例えば、正方形、長方形等を有してもよい。直径Ｄ１は、例えば、長さＤ２を横断するピラーの最広断面を一般的に参照してもよい。
【００４２】
一実施形態では、複数のマイクロピラー２０ｐは、マイクロピラー２０ｐを接続する箔２９上に配置され、箔２９はマイクロピラー２０ｐと同じ焼結された金属インクより形成される。一実施形態では、マイクロピラー２０ｐは、電気めっきによって得ることができる滑らかな外部金属層によって包まれる。一実施形態では、金属インクは、液体ポリマーマトリックス（Ｐｏｌ）における金属粒子の懸濁液を有し得る。一実施形態では、金属インクは銀（Ａｇ）粒子を有し得る。例えば、小さい差し込み図は、重合材料が間に設けられた（暗色）融合された銀粒子（明色）の顕微鏡画像を示す。実施形態では、図示するように、融合された金属粒子（インクから生ずる）は、まだ約３０から２００ｎｍの識別可能な粒度（直径）をまだ有する。
【００４３】
図６Ａは、例えば、本願で使用される、高エネルギーフラッシュランプによって生成されるフラッシュパルスの測定された典型的なパルス形状を示す。
【００４４】
図６Ｂは、フラッシュ露光の温度プロフィールのシミュレーションを示す。
【００４５】
シミュレーションでは、１５ミクロンのピッチの５ミクロンの孔開口部を有するマスクにより６５μｓのパルス幅が使用される。シミュレーションは、１．２５ミクロンの厚さの一層の金属インクに対して行われる。シミュレーションで使用されるインク特性は、実験的測定から導出され、次に列挙される通りである：Ａｇ粒度：５０ｎｍ、密度：７０００ｋｇ／ｍ３、熱容量：４００Ｊ／ｋｇＫ、熱伝導率：０．３５Ｗ／ｍＫ（粒子が統合すると急速に増加する）。シミュレーションのように層における予想温度は２５０℃である。同時に、匹敵する条件では、３倍の体抵抗の焼結された層が得られることが実験的に検証された（図５の差し込み図参照）。
【００４６】
全体的に、実現可能なスポット直径、間隔、及び、硬化層厚さは、互いと関連していることが分かった。層の厚さが厚い程、より多くの電力を焼結のために層に与えなくてはならない。より高い電力は、スポットの解像度及び間隔に影響を与えるより多くの熱影響ゾーンを意味する。基板の熱伝導率に依存して、要求されるパルス長が決定される。ガラス基板は、本処理を行うに不可欠となる熱緩衝層としてガラスが機能するため、再現可能な結果を実現するためにテーブルによって冷却されることが好ましい。一旦、一層が硬化されると、テーブル又は台は降下され、後続する層が形成され得る。コーティング−硬化−降下のサイクルにより、所望のピラー高さが達成され得る。基板として解放された後の最終的なピラー構造は、電池層を堆積するよう滑らかな表面を得るために電気めっきされ得る。
【００４７】
このようにして形成されるピラーの解像度及び高さは、金属インク特性（熱伝導率、粒度、ポリマー含有量等）、基板／キャリア特性（熱伝導率、分解温度、反射率等）、フラッシュユニットパラメータ（ピーク電力、発光スペクトル、パルス幅、マスク解像度、マスク−基板距離等）を含む多数のパラメータによって決定される。
【００４８】
設計上、更に、以下のうちの1つ以上が考慮されるのが好ましい。
−低熱伝導率のキャリアを用いる、さもなければ、インクは熱損失により焼結しないこともある
−下のテーブルはキャリアに対して良好なヒートシンクとして機能することが好ましい（熱くなった場合を考えて）
−マスクとコーティングされたインク（ポリマー又は溶媒マトリックスにおける）との間の隙間は、より高い解像度の構造を実現するために数十ミクロン未満であることが好ましい
−フラッシュランプは、同じ領域に亘って均質の流束量を与えることが好ましい
−非焼結インクを最終的に洗い流す又はエッチングする際、金属粒子がネック同士の連結だけを有するのではなく、焼結されたピラーの分解を回避するよう密に焼結される（融合される）ことに注意する。
【００４９】
明瞭性及び簡潔な説明目的のため、特徴は、同じ又は別個の実施形態の一部として本願では記載されるが、本発明の範囲が記載する特徴の全て又は幾つかの組み合わせを有する実施形態を含んでもよいことは理解されるであろう。例えば、図示する実施形態は、金属インクを用いてマイクロピラーアレイを形成すると示されているが、当業者には、同様の機能及び結果を実現する本開示の恩恵を有する変形例が予想されるであろう。例えば、電気的、光学的、及び／又は、構造的構成要素は、一つ以上の別の構成要素に組み合わされるか分けられてもよい。説明し図示する実施形態の様々な要素は、高アスペクト比のマイクロメートルサイズの構造を生産する等、ある利点を提供する。当然のことながら、上述の実施形態又は処理のいずれか一つが一つ以上の他の実施形態又は処理と組み合わさって、設計及び利点を探し、適合することにおける更なる改善を提供してもよいことは理解されるであろう。本開示が３Ｄ固体電池において使用することに特定の利点を提供し、一般的に、例えば、光吸収体、光結晶、及び／又は、触媒表面として高アスペクト比のマイクロメートルスケールの構造が使用される、全ての用途に適用され得ることは理解されるであろう。特定の方法又は機能を実施するよう配置され及び／又は構成されるべき装置又はシステムが開示される実施形態は、方法又は機能をそれ自体として及び／又は方法又はシステムの他の開示される実施形態と組み合わせて本質的に開示する。更に、方法の実施形態は、可能な場合には、方法又はシステムの他の開示される実施形態と組み合わせて、対応するハードウェアにおけるその実施を本質的に開示すると考えられる。更に、例えば、非一過性のコンピュータ読み取り可能記憶媒体にプログラム命令として具体化され得る方法は、このような実施形態に本質的に開示されると考えられる。
【００５０】
従って、上述の説明は、本システム及び／又は方法を例示的に示すに過ぎず、添付の特許請求の範囲をどの特定の実施形態又は実施形態の群に制限するものとして考えられてはならない。そのため、明細書及び図面は、例示的と考えられ、添付の特許請求の範囲を制限することを意図するものではない。特許請求の範囲を解釈する際、「備えている」といった用語は、所与の請求項に列挙される素子及び動作以外の他の素子及び動作の存在を除外せず、要素の前に置かれる冠詞は該要素が複数個存在することを除外せず、請求項のどの参照符号もその範囲を制限せず、幾つかの「手段」は、同じ又は異なるアイテム或いは実施される構造又は機能によって表わされてもよく、開示する装置又はその部分のいずれも、特に記載がない限り、一緒に組み合わされるか更なる部分に分離されてもよい。ある対策が相互に異なる請求項に記載されるといった事実は、これらの対策の組み合わせが有利に使用され得ないことを示さない。特に、請求項の全ての実用的な組み合わせが本質的に開示されていると考えられる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
2018503854.tif 000009
【図３Ｂ】
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【図４】
2018503854.tif 000011
【図５】
2018503854.tif 000012
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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