マイクロスケールの微細構造金型による機能表面加工
東京電機大学 工学部機械工学科教授 松村 隆
(平成 21 年度一般研究開発助成 AF－2009018)
キーワード:機能表面，集束イオンビーム，インクリメンタルフォーミング，プラスチック成形

1. 緒言
表面の微細構造により，その表面と接触する物質との物理的および化学的性質を制御する機能表面は，今日，多くToolの工業製品に応用されている 1)．現在，機能表面の多くは，めっき，蒸着，コーティング等の処理により表面の材質を変化させ，一様で単一な機能を発現させている．しかし，薄膜の剥離や摩耗により，機能性が劣化することが問題となっている場合がある．一方，最近では，単一な表面でも複数の機能やその強度の制御が要求されている場合も少Toolなくない．このような機能表面を製造するには，異物質を表面に付与する方法では困難である．そこで，表面に微細

Aluminum plate(a) FIB スパッタリング

構造を成形し，機能を制御する技術に関心が高まっている．
表面機能の一つであるぬれ性は，材料の表面エネルギに(b) インクリメンタルスタンピング

Aluminum plate

依存し，固体表面における液体の流れや異物質との付着等に関連付けられている 2)．ぬれ性は固体表面の材料のみならず，表面の微細構造によっても変化することが知られており，Wenzel はそのモデル化を試みた 3)．また，Cassie らは撥水性に関して別のモデルを提案しており 4)，Patankar
は，それらのモデルを表面エネルギの観点から議論した 5)．

Plastic plate

これらの知見に基づき，Onda らや Bico らは表面の微細構(c) プラスチック成形造を加工し，撥水性の高い表面を示している 6), 7)．これらの微細構造の加工は，いずれもエッチング等の化学的処理によるものであるため，加工に対する自由度は低い．そのため，このような微細構造を数値制御によって機械的に加工できれば，表面機能に対する制御性が高まる 8)．
以上の背景を踏まえ，本研究では表面機能としてぬれ性と付着性を対象とし，表面の微細構造を機械的に加工して，図 1 微細構造の加工プロセスすることは時間的に困難である．そこで，図 1 の工程により広い領域に微細構造を効率的に加工する．この加工法は以下のプロセスから構成されている．
(1) 集束イオンビーム (Focused Ion Beam)によって，工具先端に微細構造を加工する．以後，この工具をストラそれらの機能を任意に制御することを目的としている．まず，表面の微細構造に対する機械的加工法について述べる．
次に，微細構造を有する表面におけるぬれ性の変化を調べ，クチャ工具と呼ぶ．
(2) 図 2 のインクリメンタルスタンピング加工機によって，Cassie のモデルとの関連づけを試みた．また，乳酸菌の付着に対する微細構造の影響を調べ，その理論的な背景をCFD 解析によって示した．

定間隔で移動させながら，反転した微細構造を金属板に押し込んで金型を加工する．同機は，機械上部にストラクチャ工具を固定し，被削材を固定したテーブルの上昇，下降，移動を繰り返しながら金型を製作する．

２. 表面微細構造の機械加工法
2.1

数値制御(Numerical Control)でストラクチャ工具を一各軸はステッピングモータで駆動し，位置決め分解能加工工程は X，Y 軸が 25µm，Z 軸が 2.5µm である．また，テ集束イオンビームによるスパッタリングでは，加工速度がきわめて遅いため，大きな表面に対して微細構造を加工

ー 91 ーーブル下部には圧電型動力計が取り付けられており，工具の接触と加工時の荷重を監視する．

Cross beam
Clamping device
Structured tool

Structured tool

Machining area

Workpiece

60µm

X axis(a) 加工領域(b) 微細構造
図 4 ストラクチャ工具

Workpiece
Y axisZ axis
Piezoelectric dynamometer
図 2 インクリメンタルスタンピング加工機

200µm

200µm

(a) 微細構造部
Depth of structure µm

40Structured tool

3020100-40(a) プラスチック成形機(試料作製用埋込み機)
Metal plate

Metal mold-30-20-10010Position µm

203040(b) 微細構造部の加工精度
図 5 インクリメンタルスタンピングによる微細構造金型

Screwを残してプレートを取り外す．次に，金型と同形状の中空部を有する離型装置により，中空部内面をガイドとして，ねじ機構により金型をひき抜く．

Supporting plate
Molded plastic plate

2.2

Structuredarea

図 4 は，集束イオンビームにより 140µm の領域に直径18µm，高さ 18µm の微細円柱をピッチ 60µm の間隔で成形

Metal plate

Metal plate

微細構造の加工事例したストラクチャ工具の事例である．同図(a)のように超硬Molded plastic plate

合金工具の先端部を研削してスタンピング領域を限定し，Molded plastic

集 束 イ オ ン ビ ー ム で ， Ga イ オ ン を ド ー ズ 量 2.0×1014(b) 離型装置
図 3 プラスチック成形

ions/cm2 で照射する．粗工程では，プローブ電流 14nA で 8時間，仕上げ工程では 5.2nA で 8.5 時間照射し，同図(b)の(3) 製作した金型を用いたプラスチック成形により，ストように 9 本の微細円柱の周りをスパッタリングする．

ラクチャ工具と同様の微細構造をプラスチックに転

図 5 は，インクリメンタルスタンピングで，アルミニウ写する．ここでは，図 3(a)に示す走査型顕微鏡などのム合金板の一辺 2mm の領域に微細構造を加工した金型で試料作成用埋込み機を使用し，温度 180℃，圧力ある．同図は，図 4 のストラクチャ工具を用いて加工した180KPa，加熱時間 20 分，冷却時間 20 分の条件で成ものであり，反転した微細構造になっている．また，加工形した．なお，離型時のプラスチックに対する曲げに時は潤滑剤として灯油を用い，摩擦による形状精度の劣化よって微細構造が破損するため，図 3(b)のように離型と材料の付着を抑制している．図 5(b)はストラクチャ工具する．まず，金型外周部にプラスチックが充填されなの突起部と金型の押込み部の形状を比較したものである．

いように補助プレートをつけて成形し，成形後に金型金型のストラクチャ部は，押込み時の弾性変形により，若ー 92 ー

200µm

200µm60µm(a) 微細構造部(a) ストラクチャ工具

Structure height µm

4030

Structured plate

Pitch, 15µmi h

Metal moldPitch, 30µmi h

20100-40-30-20-10010Position µm

2030Pitch, 12µmi h

40100µm

Pitch, 20µmi h

100µm(b) 微細構造金型(b) 微細構造部の加工精度
図 6 プラスチック成形による表面の微細構造
Pitch, 15µm

Structured tool

Pitch, 30µm

Workpiece

Pitch, 12µm
Workpiece60µm(a) フルピッチ
Structured toolPitch, 20µm60µm(b) プラスチック成形による微細構造
図 8 異種微細構造の連続成形加工

Workpiece2.3

微細構造の連続制御

一般に異種微細構造を加工するためには，異なったスト

Workpiece

ラクチャ工具を用意し，工具を交換しながら加工すること(b) 1/2 ピッチ
Structured toolになる．しかしながら，工具製作に時間がかかるだけでなく，工具交換に伴う加工部位の位置決めが困難となる．そこで，図 7 のように隣接する突起の間隔が大きいストラク

Workpiece

チャ工具を製作し，インクリメンタルスタンピングにおける工具の移動ピッチを変化させて微細構造を制御する．この方法であれば，一つのストラクチャ工具で配列の異なるWorkpiece

微細構造を効率良く加工でき，工具交換や位置決めの作業(c) 1/4 ピッチ
図 7 微細構造のピッチ制御が必要ない．また，撥水性は突起の間隔に依存するため，インクリメンタルスタンピングにおける工具の移動ピッチを変化させることで，表面の撥水性を制御できる．

干，誤差が生じているが，突起高さ 18µm のストラクチャ

図 8 にその加工事例を示す．同図(a)に示す一辺 6.3µm，工具の反転形状とほぼ同様のプロファイルとなり，高精度高さ 10µm の突起を間隔 60µm で配置したストラクチャ工な押込みが確認できる．

具を用い，インクリメンタルスタンピングでアルミニウム

図 6 はプラスチック成形した微細構造であり，同図(b)合金板に同図(b)のように金型を製作した．ここでは，加工は使用した金型と成形したプラスチック表面の微細形状領域を 4 つに分け，それぞれをピッチ 30µm，20µm，15µm，とを比較したものである．プラスチック上の微細構造も金12µm で加工している．同図(c)は製作した金型によってポ型と同様であり，十分に高い精度が得られている．

リエチレン樹脂に微細構造を転写したものである．

ー 93 ー160.0°

Water droplet(Liquid phase)
θrC

154.8°

Vapor phase(a) 縦横方向からの観察 (b) 対角方向からの観察
図 12 等方性形状異方性配列の水滴形状

図 9 微細構造部におけるぬれ性モデル

80°

57.8°

96.0°
(a) 平面(b) 微細構造表面
図 13 金属蒸着膜表面の水滴形状
ただしφs は表面全体の面積に対する突起先端部分の面積

図 10 平面における水滴形状の割合である．またθe は図 10 に示すように平坦な面における液体の接触角であり，ポリエチレン樹脂における水の接触角では 96°である．
3.2

固体表面の微細構造の形状と配置

微細構造の突起形状と配置における等方性と異方性が，20µm

水滴のぬれ性に及ぼす影響を調べた．図 11 はポリエチレ20µm

ン樹脂に微細構造を作成した例である．同図(a)は，一辺(a) 異方性形状異方性配列 (b) 等方性形状異方性配列

6µm，高さ 10µm，突起間隔 20µm の正方形突起を格子状に配列した微細構造である．これは突起および配置の対角方向と縦横方向の大きさと距離が異なり，両者に対して異方性のある構造となっている．同図(b)は，直径 6µm，高さ 10µm，突起間隔 20µm の円形突起を格子状に配列した微細構造であり，形状に対しては等方的であるが，配置に対して異方性を有している．同図(c)は，直径 6µm，高さ10µm，突起間隔 20µm の円形突起を六方向に配置した構造20µmであり，形状および配置に対して等方性がある．

(c) 等方性形状等方性配列
図 11 微細構造の形状と配列

3.3

図 12 はポリエチレン樹脂で，配列異方性のある微細構

３．固体表面の微細構造によるぬれ性の変化
3.1

造の表面における水滴形状である．同図は，正方配列の縦撥水性に関するモデル

Cassie-Baxter のモデルによれば，微細構造に液体を滴下すると，図 9 にようにそれぞれの突起の隙間に空気が入り込み，液体と固体の接触が限定されると撥水性が大きくなる．一般に，ぬれ性は液適法により液体と固体の接触角で定量的に評価されており，このモデルによれば，微細構造を有する表面の見かけ上の接触角は，以下の式で表される．
cos θCr= φ s cos θ e + φ s − 1

微細構造がぬれ性に及ぼす影響(1)

横方向と対角方向から観察した場合を比較したものであり，突起間の距離の違いによって接触角が異なる
図 13(a)は平坦なポリエチレン樹脂に金を 1000Å蒸着させた表面の水滴形状である．表面は撥水性から親水性に変化し，接触角は 80°となっている．同図(b)は金薄膜を有する図 11(c)の微細構造に対して，水滴形状を示したものである．図 13(a)と比較すると，さらに接触角の減少し微細構造によって接触角が変化していることが確認できる．

ー 94 ーContact angle deg

165
Cassie-Baxter model
Cylindrical, hexagonal
Cylindrical, orthogonal
Rectangular, orthogonal

160
155150145140
13500.10.20.3
Solid fraction φs0.4(a) 平面
図 150.5(b) 微細構造表面
乳酸菌(LG21)の付着量(a) プラスチックの微細構造表面

Contact angle deg

110
Cylindrical,hexagonal
Cylindrical,orthogonalside obsevarion
Cylindrical,orthogonal
diagonal observation

100908070(a) 平面(b) 微細構造表面
図 16 金属蒸着膜表面の液滴形状

6050

160°

92°

00.1

0.20.3
Solid fraction φs0.40.55µm

108µm

Liquid-vapor
interface(b) 金属蒸着膜上の微細構造表面
図 14 微細構造表面のφs と接触角の関係

図 14 は接触角とφs の関係を示したものである．ポリエ

Solidcontact with

チレン樹脂に対する水のぬれ性は撥水性を示し，その傾向

27µm18µm

Solidcontactwith friction on54µm
2290µm27µm

は Cassie-Baxter のモデルと同様に，φs の減少に伴い接触角が増加する．さらに突起の形状および配置が等方的な場合

54µm
Inlet
22
Fluid velocity=0.1m/sは，モデルに最も近い特性を示している．また，接触角に18µm

OutletPressure=0

対する突起形状の影響は大きくないが，配列における異方性は，φs に対する接触角の変化率を変わる効果がある．一方，ポリエチレン樹脂に金薄膜を蒸着すると，同図(b)のよ

図 17 平坦部と微細構造部の CFD における解析モデル

うにφs の減少に伴い接触角が減少し，微細構造によって，より親水性が大きくなる．
Flat surface４．固体表面の微細構造による付着性制御
4.1 付着試験
乳酸菌 LG21 を 0.2%に希釈した溶液を，平面および間隔30µm のピラーで構成される微細構造表面に流して付着性Pillarを比較した．図 15 は試験後に表面を乾燥させ，レーザ顕

Velocity=0.0m/s

微鏡で乳酸菌の付着状況を観察したものである．同図の黒Structured surface

点が乳酸菌であり平面上には多くの付着が観察されるが，微細構造表面には，乳酸菌の付着は少ない．特にピラー間

図 18に乳酸菌の付着がないため，図 9 のようにピラー底部への平坦部と微細構造部の流速分布

4.2 ＣＦＤに基づく付着性抑制に対する考察液体の侵入がないと考えられる．
図 16 は両者の表面における乳酸菌の液滴形状を示した

微細構造が付着性を抑制する効果を流体力学的に検討ものである．微細構造を有する表面の水滴の接触角は大きするために，図 17 に示す解析モデルに基づき定常流れをく，付着性の抑制は微細構造の撥水性に起因することが確解析した．ただし，液体の物性値は，20℃の水のものを用認できる．

いている．ポリエチレン樹脂の固体表面が撥水性であることから，Cassie-Baxter のモデルに基づき，図 9 のように突ー 95 ー

起間は，気体と考え摩擦係数を 0 としている．また，流れ3)は同図の左から右に流れ，入口部での流速を 0.1m/s とした．

Water, Industrial and Engineering Chemistry, 28-8 (1936),

図 18 は平坦部と微細構造部における液体の流速分布を示したものである．平坦部における固体と液体との接触界

988-994.
4)

面では流速は 0m/s となるため， 表面近傍では乳酸菌が付着しやすい．一方，微細構造部では，固体と液体との接触

Cassie A.B.D., Baxter S.: Wettability of porous surfaces.
Trans. Faraday Soc., 40 (1944), 546-551.

5)は，突起上部のみであるため流速降下が小さい．そのため，Patanker N.A.: On the Modeling of Hydrophobic Contact
Angles on Rough Surfaces, Langmuir, 19 (2003),乳酸菌が付着する確率は小さくなる．以上のように，微細構造が液体の流れの場に及ぼす影響からも付着性が抑制

Wenzel R.L.: Resistance of Solid Surfaces to Wetting by1249-1253.
6)

されることがわかる．

OndaT.,

Shibuichi

S.,

SatohN.,

Tsujii

K.:

Super-Water-Repellent Fractal Surfaces, Langmuir, 12(1996), 2125-2127.

５．結論

7)

Letter, 47-2 (1999), 220-226.

(1) 表面にマイクロオーダの微細構造を高能率に加工するために，微細金型を用いたプラスチック成形法を提8)Aravindan S., Ohno T.: Engineering surface andによって微細構造を有するストラクチャ工具の製作

development of a new DNA micro array chip. Wear, 260

し，そのストラクチャ工具を用いたインクリメンタル(2006), 274-286.

スチック成形によって，微細構造を有する表面を高能率に精度良く加工できる．
(2) 間隔の広いストラクチャ工具を製作し，移動ピッチを制御することで，一つのストラクチャ工具で複数の微細構造を連続的に精度良く加工できる．
(3) 微細構造を有する表面によって，液体のぬれ性が変化する．ポリエチレン樹脂のような撥水性を有するぬれ性は，微細構造部の固体表面と液体との接触面積の割合が小さくなるほど，撥水性が大きくなる．一方，金属表面のように親水性の高い表面では，微細構造によって親水性が高くなる．
(4) 乳酸菌の微細構造を有する表面の付着性は，ぬれ性と関連付けられ，撥水性を有する材料では，表面への付着量が少ない．また，平坦部における液体の流れは，固体表面の近くで流速が低下し，乳酸菌が付着しやすい．一方，微細構造を有する表面では，流速降下が小さく，付着しにくい．

謝 辞
本研究は公益財団法人天田財団(天田金属加工機械技術振興財団)平成 21 年度一般研究開発助成にて実施したものである．ここに，記して謝意を表する．
参考文献Bruzzone A.A.G., Costa H.L., Lonardo P.M., Lucca D.A.:
Advances

inengineered

surfaces

forfunctionalperformance. CIRP Annals - Manufacturing Technology,57 (2008) ,750–769.
2)

Yoshino M., Matsumura T., Umehara N., Akagami Y.,

案した．金型は，集束イオンビームのスパッタリング

スタンピングにより製作する．その金型を用いたプラ

1)

Bico J., Marzolin C., Quere D.: Pearl Drops, Europhysics

Hartland S.: Surface and Interfacial Tension- Measurement,
Theory, and Application, (2004), Marcel Dekker, Inc.,New York, NY.

ー 96 ー