レーザ加工複合型マイクロインプリンティングプロセスの開発
九州大学 機械工学部門
准教授 津守 不二夫（平成 26 年度一般研究開発助成 AF-2014029）
キーワード：インプリント加工，レーザ加工，マイクロ流路

１．研究の目的と背景に，さらに，インプリント加工を用いることでこれまでにセラミックス部品の多くは粉末材料を成形後，焼き固めない３次元的な流路構造を作ることも可能となった．このる（焼結する）ことにより作製されている．高い耐熱性・レーザを利用した具体的な手法および結果については第耐化学薬品性を有し，また素材によっては高い生体適合性

３節に詳述する．まずは次章でセラミックスへの微細プレも有しているため様々な応用が可能である．しかしながら，ス加工技術（マイクロパウダーインプリントプロセス）にセラミックス材料は脆く，加工が困難であるため，薄膜材ついて説明する．

料の基板上での製膜・利用という一部の状況以外にはμTAS（Micro Total Analysis Systems）等の微小チップデ２．マイクロパウダーインプリントプロセス

バイスへの応用は限られたものとなっている．このようなインプリントプロセスは，いわゆる熱可塑性樹脂に対すセラミックス材料を微細加工分野に応用することができるホットエンボス加工である．微細なモールドパターンをれば，これまでの樹脂やシリコンを用いたマイクロデバイ用い，加熱と同時に加圧を加えることにより微細加工を施スとは違った魅力を引き出すことが可能となる．本報告です．本研究で紹介する例においては，用いたセラミックス

は，セラミックス粉末材料と樹脂材料とを混錬した材料を材料はアルミナとＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）出発材料とし，セラミックスシートに容易に微細なパターである．両者ともナノ粉末材料であり，マイクロメートルンを生成する手法を開発する．

オーダーのモールドパターンに比べ粒子は十分に小さい．

ベースとなる成形プロセス（インプリント加工）は，加そのため，樹脂と粉末を混合したコンパウンド材料を出発

熱・加圧により微細金型（モールド）のパターンを素材に材料として十分な転写加工を行うことができる．著者はこ転写する，いたってシンプルなプロセスである．純粋な樹の技術を提唱し，既にいくつかの報告を行っており 3-6)，

脂材料に対しては，ナノレベルの微細構造まで表面に転写

本研究のベースとした．

できるため，ナノインプリントプロセスとも呼ばれている．

このプロセスの流れを図１に示す．まず，材料であるが，この技術は１９９０年代に S. Chou により提唱され 1, 2)，

上記のセラミックス粉末に加え，ここでは樹脂材料としてその高い解像度と低いコスト，そして，半導体プロセスへ水溶性のＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を用いている．の応用が検討されるに至り，急速に知名度を高めた．現在成形性を調節するため，さらにグリセリンやポリエチレンでは無反射構造（モスアイ効果）や自己清浄性超撥水性表グリコールを添加する場合もある．これらの材料は水溶性面といった，大面積ナノパターニング技術として利用されであるため，有機溶媒を用いることなく水を用いたスラリつつある．

ー（泥漿）の調整が可能である．ナノ粉末材料を水溶液にナノインプリントプロセスは純粋に樹脂のためのプロ十分に分散させるためには，超音波やビーズミル装置を用セスであるが，セラミックスナノ粉末材料を用いることにいた凝集塊の分解を行う．得られたスラリーを塗工装置により，この技術をセラミックスにも適用することができる．
成形性の良い樹脂材料と混合したセラミックス粉末のコンパウンド材料はインプリントプロセスに十分な成形性を有し，また，加熱プロセスを通じて樹脂を除去し，緻密なセラミックシートを作製することができる．本研究では，これまでのセラミックスへのインプリントプロセスだけではなく，レーザ加工を組み合わせることを提案し実現してきた．
特に，微細流路構造は本研究のオリジナルである．μTAS
分野では樹脂シート材料内部に２次元の流路パターンを施したチップが利用されている．ただし，このような樹脂チップは利用可能な温度域が狭く，化学的な安定性から有機溶媒等の試薬には対応できない．セラミックス構造内部へ微細流路を構築することで問題は回避可能である．２次
元的な流路構造をレーザ加工プロセスで実現するととも

図１ マイクロパウダーインプリントプロセスの流れ．
単純なホットエンボス加工と粉末冶金プロセスの結合であるが，高解像度である点，材料自由度の高い点，といった長所を有している．

より基板上に薄く塗布し，水分を乾燥・除去することでシート状のコンパウンド材料を準備できる．
得られたシートは所望のパターンを持つモールド上に重ね，ヒーターを設置したプレス装置により加圧し，パターンを転写する．転写パターンが得られたシートは炉内で加熱されることにより樹脂成分が分解除去される．さらに引き続きセラミックスの焼成温度まで加熱し，その温度で保持することにより，セラミックスのナノ粒子同士が拡散により結合していき，パターンを有する緻密なセラミック
ス焼結体シートを得ることができる．図２はこのプロセスで得られたラインアンドスペースパターンである．シング
ルマイクロメートルオーダーの良好なパターニングが確認できる．

図３ マイクロ流路を組み込むためのレーザプロセ
ス複合加工の流れ．
る．これは前節で用いたものと同じ材料である．このシートの上に犠牲層となる樹脂シートを重ね合わせる．犠牲層となる樹脂はインプリント加工時に変形できるものを選択しておく．ここではポリイミドシートを犠牲層とした．
次に，この犠牲層にレーザ加工を施す．図の例では単純な平行流路パターンを形成するよう平行にスリット加工を行っている．レーザ加工後，同じ素材のコンパウンドシー
図２ マイクロパウダーインプリントプロセスを用いたセラミック微細パターニング例．

トを上に重ね，そのままインプリント加工を行う．この際，上下のコンパウンドシートは犠牲層の間に流れ込み一体化する．また，図では波形状のモールドパターンを転写しこのような単純なパターニングだけでもいろいろな応用例が考えられる．例えば，個体酸化物形燃料電池（ＳＯているが，この形状に沿って流路となる犠牲層が変形することを期待している．

ＦＣ）は全セラミックス燃料電池である．この電解質部分

最終的には，これまでのプロセスと同様に加熱・焼成の片面に微細パターンを施すことで，燃料電池の性能が向を行うが，セラミックスの焼結温度に至るまでに，コンパ上することを報告している 7-11)．さらには，粗い表面構造

ウンドシートの樹脂成分と同じく犠牲層も完全に熱分と微細な表面構造を同時に作りこみ超撥水表面を生成し解・除去される．図４は典型的な加熱プロセスパターンでた報告もある 12, 13)．いずれも有用性を示すものであるが，ある．アルミナの焼結温度は 1300 ℃程度であるが，焼結表面構造の凹凸のみしか構造の制御を行うことができな
い．次の節ではレーザ加工による犠牲樹脂層の加工を追加することで，大幅に得られるセラミックシート部品の自由度を高める手法について述べる．

３．レーザ加工との複合および流路構造
セラミックス構造内にマイクロ流路を生成するために，２枚のセラミックスコンパウンドシートの間に犠牲層となる樹脂流路パターンを挟み込む手法を開発した．犠牲層は純粋な樹脂材料であり，セラミックスの焼結過程により完全に分解される．犠牲層の樹脂にレーザ加工を施しておけば，所望のパターンの流路が得られるという方法である．
図３に開発したプロセスの流れを示す．まず，樹脂とセラミックス粒子を混錬したコンパウンドシートを用意す

図４ 提案するプロセスで利用する典型的なヒートパターン．焼結温度以外に，樹脂を分解するための保持時間が設定されている．

温度以外においても 200 ℃や 450 ℃といった温度で保持を行う箇所が存在する．これは，分解した樹脂がガス化する際に，ナノセラミックス粒子間から破壊なく焼結体外部に排出できるように十分な時間をおく必要があるためである．このようにして表面のパターンと内部流路を共存させたシートを作製することができる．さらに，この圧縮プロセス時にモールドを用いたインプリント加工を行うことで，モールドパターンに沿った，波状に平面外に変形した流路パターンを得ることができる 14,15)．
図５に得られたセラミックス構造体の断層画像（Ｘ線ＣＴ像）を示す．これは同じサンプルをいくつかの視点から観察したものである．この像は，材料と空間部との境界のみを示しており，表面（上面）に波状のパターンを有し，内部に波形状に沿った約２０μｍの太さの流路が平行に設置できていることが確認できる．

図６ マイクロチャネルの流体試験．微細流路にシリコンチューブを接続し，チューブを介し空気を送り込んだ例．矩形の焼結体サンプルの上辺の流路末端において送り込んだ空気が気泡となり現れている．
なくとも，流路が閉塞せず，かつ，漏れなく流体を搬送する機能が最低限必要である．図６はこの点を意識したフローテストの様子である．μTAS でよく行われるように，シリコンチューブを用い流体を送り込んだ．今回は得られたセラミック流路を水中に設置し空気を送り込むこととした．図の下半分にある白い矩形状部分が流路を含むセラミックスシートである．裏面下部よりシリコンチューブから空気が送り込まれ，上端部の流路開放部より気泡が発生していることが確認でき，流路に問題ないことが確認できる．
図５ レーザ複合加工により波型の微細流路を持つサンプルの X 線 CT 像．同じサンプルを，視点を変えて撮影した像である．20 μm 程度の流路が表面の波状凹凸パターンに沿って生成できていることが確認できる．
図に示した結果は波長 532 nm の緑色レーザを用いて犠牲層を加工したサンプルの例である．UV レーザを用い４．まとめマイクロインプリントプロセスについて紹介し，本研究により発展的に開発したレーザを用いた複合加工プロセスについて説明を行った．微細流路構造がセラミックスシート内に生成でき，また，インプリントプロセスと組み合わせることで，シート表面の波状の表面パターンに沿った内部流路を生成できることも示した．

ることにより，樹脂はさらに効果的に加工できる．同時にこのような構造は，例えば熱交換デバイスに応用が可能

微細加工性も向上する．このような工夫を加えることによである．表面積を有効に稼ぐことが可能である．また，複り，さらに微細な流路を有する構造も作製可能である．

数層の流路を用いることで，縦横の流路網に異なる流体をまた，今回は犠牲層樹脂にポリイミドシートを用いたが，流すことも可能である．セラミックスシートの焼結状態をインプリント成形加工時の加工性の異なる樹脂を用いる

敢えて緻密化しない程度にとどめることで，フィルターのと，当然ながら結果が変化する．具体的には波形状の流路ような機能を作りこむこともできる．

構造の振幅の変化や，流路自体の太さのむらの違いといっ

また，電解質や電極といった多層構造に適用することにた形で変化がみられるはずである．このような成形時の変より新型の固体酸化物形燃料電池に応用することを検討

形特性までを評価した構造設計が今後必要になる．

しているところである．犠牲層樹脂にあらかじめインプリ

また，得られた流路自体の特性の評価も重要である．少ント加工でパターニングを施しておくことにより，内部流路表面に，さらに細かいパターンを施すことも可能であり，従来法では不可能であった高機能な構造へと発展させることも可能であり，今後もプロセス開発およびアプリケーションの開発研究を進める予定である．

6) Y. Xu, F. Tsumori et al.: Proc. IEEE-NEMS, (2013)
887.
7) Y. Xu, F. Tsumori et al.: Micro & Nano Lett., 8 (2013)
571.
8) F. Tsumori et al.: Jpn. J. Appl. Phys., 53 (2014)

謝 辞
本研究の遂行にあたり，天田財団より研究助成（一般研究開発助成 AF-2014029）をいただいた，ここに謝意を表

06JK02.
9) F. Tsumori et al.: Proc. Int. Conf. Technol.
Plasticity, 81 (2014) 1433.

する．また，本研究に関わった学生諸君にも感謝したい．

10) F. Tsumori, K. Tokumaru et al.: J. Jpn. Soc. Powder

参考文献11) K. Tokumaru et al.: Jpn. J. Appl. Phys., 56 (2017)Powder Met., 63 (2016) 519.
1) S. Y. Chou et al.: J. Vac. Soc. Technol. B, 14 (1996)
4129.
2) S. Y. Chou et al.: Science, 272 (1996) 85.
3) Y. Xu, F. Tsumori et al.: J. Jpn. Soc. Powder PowderMet., 58 (2011) 673.
4) Y. Xu, F. Tsumori et al., Adv. Sci. Lett.: 12 (2012)
170.
5) F. Tsumori et al.: Proc. PM World Congress, P-T6-72(2013).

06GL04.
12) L. Shen, F. Tsumori et al.: Proc. Asia Workshop
Micro/Nano Form. Technol., (2014).
13) F. Tsumori et al.: Manufacturing Rev., 2 (2015) 10.
14) F. Tsumori, S. Hunt et al.: Jpn. J. Appl. Phys.,
54 (2015) 06FM03.
15) F. Tsumori, S. Hunt et al.: J. Jpn. Soc. Powder
Powder Met., 63 (2016) 511.