くし形パターン電極上に置かれた溶融状態フィルムの形状変化
山形大工 ○水落優， 杉本昌隆， 谷口貴志， 小山清人

Surface profile change of melting polymer film on interdigitated array electrodeY. Mizuochi , M. Sugimoto, T. Taniguchi, and K. Koyama
Department of Polymer Science and Engineering, Yamagata University
ABSTRACT: In this study, we investigated changeof surface profile of a melted polymer film on aninterdigitated array pattern electrode by applying
an electric field. We found that the surface of

insulator electrodedielectric liquidEline of electric force

polymer film rises on between anode and cathode,and the magnitude of surface deformation isproportional to 1.48 power of the applied voltage.
１．はじめに誘電率差のある非相溶液体のブレンドに電場を印加した場合，電気力線が誘電率の高い物
質を通ろうとする力に起因して液体の相分離構造の変化が起こり，分散相が電極間を架橋した円柱構造が形成される[1]．
現在までに，このような液体の構造形成を材料の成形に応用する研究が行われており，本研究室では硬化性の樹脂を液体に分散させ，電場印加することで，円柱構造を固定することに成功した[2]．また，Russell らは，電極板間に高分子フィルムを積層させ，電場によって電極を架橋する円柱構造の作製を行った[3]．このような方法による成形は微細な構造を作ることを可能にする技術であり，新しい機能性をもつ材料開発に応用できると考えられる．
電場による液体の構造形成は，印加される電場の方向に依存するため，他の電場の印加の様式により様々な形状変化を与えることができると考えられる．そこで，電場による材料の成形の新たなアプローチとして，平面パターン電極の上で液体フィルムを変形させることを考えた．電場による界面の変形は，誘電率差に応+-+-+-Fig. 1 Change of surface profile of dielectric liquidon patterned electrode by applying an electric field.

じ て 作 用 する マ ク ス ウェ ル 応 力 （ f=∆εE 2 /2，∆ε：誘電率差，E：電場強度）によるものだと考えられる．Fig.1 のように，正・負電極を平行に並べた場合，フィルムは電場強度が強い
正・負の電極間で，盛り上がるように変形すると予想される．本研究では，くし形パターン電極上で，溶融状態の高分子フィルムに電場を印加した場合，どのような形状変化を示すか調査した．
２．実験方法
実験方法の概略図を Fig. 2 に示す．くし形電極は，カプトンフィルムにネガ・パターンの形状にテープを貼り，上から金蒸着を行い，テープをはがして作製した．電極幅は 1 mm，電極間は 0.5 mm である．
試料は ポリスチレン，分子量 Mw=90,000，ゼロせん断粘度 2600 Pa・s (170℃)を用いた．
フィルムは電極の両脇にレール状にカプトンテープを重ねてはり，電極上で試料を溶融させ，スライドガラスで押しつぶして作製した．
雰囲気温度 170 ℃で加熱し，試料が溶融した状態で直流電場を印加した．10 分間電場を印加し，試料を変形させ，電場印加したまま室kapton tapePS1mm
electrodeV

kapton sheetedge

cross section
sample＋－＋－1mm
Fig.3 Optical micrograph of cross section
V=4 kV, Initial thickness: 330 µm Scale bar: 1 mm,Image is magnified two times in vertical direction.

epoxy

Fig. 2 Schema of our experimental methodology

温まで徐冷し，固化させた．
試料の変形は固化した試料の断面から観察した．試料を電極ごとエポキシ系接着剤で包んで固め，カッターで押し切り，断面を Leica 社
製透過型光学顕微鏡で観察した．

103
Change of height (µm)

optical microscope

21
102

101
10-1３．結果・考察
顕微鏡によって得られたフィルムの断面の100
101
V (kV)
Fig.4 Variation of surface profile by changing
an applied voltage (V). h=340 µm分をつなげた顕微鏡像であり，下の線画はフィルム界面と電極基盤の輪郭図である．矢印は基盤表面に金電極がある部分を示しており，隣り合う正・負の電極間上でフィルムが隆起していることが確認できた．
同様の実験系で形成させる膜厚(h)を 340µmに固定し，印加電圧(V)を変化させて実験を行Change of height (µm)

様子を Fig.3 に示す．写真は別々に撮影した部
16012080400

鏡像から，隣り合う山と谷の高低差を測定した

200 400 600 800 1000h (µm)
Fig.5 Variation of surface profile by changing
the initial film thickness (h). V=3 kV DC

結果を Fig.4 に示す．電場によって界面に働くるため形成される凹凸が小さくなるのだと考マクスウェル応力は電場強度の 2 乗に比例するえられる．

った．各印加電圧で変形させたフィルムの顕微0力であるため，高低差は電圧の 2 乗で変化する

パターン電極上でのフィルムの変形を制御と予想した．しかし，プロットを最小 2 乗法でする場合，変形していく界面にかかる電場強度累乗近似したところ，高低差が電圧の 1.48 乗がどのように変化していくかを知ることが重に比例する結果が得られた．これは電場強度が要となる．

膜厚方向で変化していることや表面張力の影

４．参考文献響が考えられる．

[1] H. Kimura, K. Aikawa, Y. Masubuchi, J. Takimoto,

同様に電圧を固定し，形成させる膜厚を変化

K. Koyama and T. Uemara “Positive” and “Negative”

させたときの高低差の変化を Fig.5 に示す．膜Electro-Rheological Effect of Liquid Blends”

厚が 220 µm のとき高低差が最大になり，さらJ. Non-Newtonian Fluid Mech. 76, 199-211 (1998)に薄くすると高低差は減少した．これは電場強[2] 加々谷智

度は強い基盤表面で最も強くなり，膜厚が薄く，[3] Schaffer, E., Thurn-Albrecht, T., Russell, T. P. &界面が基盤に近い場合，界面を変形させる力はSteiner, U. “Electrically induced structure formation

大きくなるが，変形する PS の量自体も減少すand pattern transfer.” Nature 403, 874-877 (2000)

山形大工

学士学位論文（2005）