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特集

Additive Manufacturing 技術の現在Ⅱ

特セラミック構造体の光造形と電磁波制御デバイスの創製

集

桐原 聡秀
シ系・イミド系など，さまざまな種類が市販されているが，1．はじめに重合硬化時の収縮率をはじめ，硬化物の強度や耐熱性などから，適切なものが選択される。

光造形法は，高分子製の複雑構造を高速に作製できる，造形プロセスを模式的に表し図1に示す。光硬化性樹脂のアディティブ・マニュファクチャリング（AM：Additive Manufactur-

液面に紫外線レーザを照射すると，微小な硬化領域が形成ing）の一種である 。従来は，工業製品の試作モデルの成型される。レーザスポットを移動させると，軌跡に沿って線状に用いられたが，著者らの研究グループでは，液体樹脂に金の硬化物が形成される。レーザ走査による描画を進め，隣り属やセラミックスの微粒子を分散し，ペースト状の原料素材合わせに線状硬化物を次々に形成すれば，任意形状の薄い 2を用いることで，実用材料の自由な造形技術として確立した。

次元断面の硬化層が形成される。レーザ走査による描画パ

本稿では，デンドライト状のマイクロ構造を造形し，エネターンは前述のスライス演算で得られた，断面データをもと1）ルギーならびにマテリアルの流れ制御をめざした一連の研究に作成される。

から，電磁波としてテラヘルツ波を制御する，フォトニック結晶の開発事例を紹介する。分子振動と電磁波振動を同期させる，テラヘルツ共振器の試作についても詳細を述べる。

2．光造形法の原理
光造形における一連のプロセスは，設計からはじまり造形を経て，その後の熱処理に至り完了する。
設計においてははじめに，各種ソフトウェアを用いて，図1所望のグラフィック（3D モデルデータ）を作成する。つぎに，

光造形法の基本原理

スライス処理と呼ばれる数値演算を施し，断面データの集ステージ上に第1層を形成した後にステージを一段下げ，合体（出力用 3D データ）へと変換する。コンピュータ上で構第 2 層を形成すると同時に第 1 層と接合させる。このような造体を輪切りにするイメージである。

積層工程を順次繰り返せば，高分子材料で構成される3次元実際の造形プロセスに際して，原料として用いられるの構造が未硬化の液体樹脂中に形成される。構造体の寸法精が光硬化性樹脂である。紫外線を照射することで開始剤が度は，紫外線レーザのビーム径や高分子層の積層間隔によっ反応し，モノマー重合を経てポリマーが形成されて液体樹て決定される。現在の光造形法では，波長が 350 nm 程度の脂が固体へと変化する。アクリル系・ウレタン系・エポキ

紫外線レーザを用いて，ビーム径を50〜100μm程度に絞り，2020 年 2 月 3 日受理

第 84 巻積層間隔を50〜100μm程度に設定するのが一般的である。

Stereolithographic Additive Manufacturing ofCeramic Components for Electromagnetic Wave
Modulation
Soshu KIRIHARA
1999 年 茨城大学大学院理工学研究科物質科学専攻博士後期課程修了 博士（工学）
現 在 大阪大学 接合科学研究所 教授
連絡先；〒 567-0047 大阪府茨木市美穂ヶ丘11-1
E-mail kirihara@jwri.osaka-u.ac.jp

第 5 号（2020）

普及当初の段階において光造形法は，電気製品などの試作品を高速成型し商品開発を効率化する目的で広く用いられてきた。しかしながら，光硬化性の液体樹脂に金属やセラミックスの粉体粒子を混合し，高分子ベースの複合材料を成型することで，実用的な製品を作製する動きも生まれた 2）。最
近では，液体樹脂に金属やセラミック粒子を分散し，複合材料部材の作製手法としても，広く用いられるようになった。
（3）

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樹脂に対する粉体粒子の分散性を向上させるために，粒透過ピークを示す局在モードが形成される。電磁波の空間子径や形状の最適化をはじめ界面活性剤の導入など，物理的な伝搬を自在に操り，同時に波長選択も可能にする，様々的および化学的なアプローチが数多くなされている。金属やなデバイスの開発が実現できる。

特集

セラミック粒子が分散した高分子部材の造形において，分散近年では，テラヘルツ領域における電磁波の利用が盛ん量を増加しようとする背景には，加熱処理により，樹脂成分に叫ばれ，マイクロ構造を有するフォトニック結晶の開発を焼失させると同時に，粉体粒子の焼結を進め，フルメタルが進められるようになった。テラヘルツ波はおよそ 0.1 〜もしくはフルセラミックスの構造体を得たいという目標があ10 THz の周波数帯に分類される電磁波であり，電波と光る。しかしながら，粒子分散量が 30 vol%を超えると，素材の境界領域に位置している。糖類やタンパク質などの分子の流動性は極端に減少し，高い粘性を示すペースト状の混合運動と同期することが知られており，飲料水や食物に混入液となるため，従来の光造形装置では取り扱いが困難になる。

した有害化合物の検出など，様々な物質の計測や分析への応用が期待されている 5）。

著者らの研究グループでは，光硬化性樹脂へセラミック系のナノ微粒子を 40 vol% 以上分散させると，チクソ性とフォトニック結晶を用いて，テラヘルツ波の波長選択や呼ばれる特殊な流体特性が現れることに注目した。この伝播制御を実現するためには，あらゆる方向から入射するペースト素材は，外力がなく静止した状態では流動性が低波を，もらすことなく完全反射する必要がある。すなわち，下して固化するが，外部から力をかけると途端に滑らかな全結晶方位にわたって，共通する周波数帯にバンドギャッ流動性を示しはじめる。

プが形成できる完全な結晶構造が求められる。これを実現する理想的なフォトニック結晶として提唱されているの微粒子を高濃度に分散した樹脂ペーストへ，圧搾空気圧が，図 3 に示すダイヤモンド格子構造である 6）。

を印加してノズルから平板上に供給し，図 2 のごとく，流動性のある状態でナイフエッジにより平らに塗りならすと，その後は樹脂に外力が加わらないので，薄膜状に固化し流れ去ることはない。紫外線描画により硬化層を形成し，繰り返し積み重ねることで，金属ならびにセラミックス粒子が高濃度に分散した，高分子材料の構造体が得られる。これを前駆体として，大気中での脱脂および焼結処理を施せば，フルメタルならびにフルセラミック構造体へと転換できる3）。

図3

ダイヤモンド型フォトニック結晶

著者らの研究グループでは，ダイヤモンド型フォトニッ
ク結晶の光造形を進めている 7）。これまでに，ミリメータからマイクロメータオーダのダイヤモンド格子構造を形成することで，マイクロ波やテラヘルツ波に対するバンドギャップの形成を実現させてきた。前述のようにダイヤモンド構造は，誘電体格子の等方的な周期配列により，完全バンドギャップを形成するため，意図的な欠陥導入による電磁波の閉じ込めが可能になり，高い品質係数や低損失の図2微小共振器として利用できる。

微粒子ペースト光造形法の原理

これまでに，誘電体セラミックス製のダイヤモンド型フォ3．フォトニック結晶

トニック結晶を光造形し，意図的な欠陥導入による，テラヘルツ波の共振制御にも成功している。実際に，テラヘル誘電体を周期的に配列した人工構造体は，擬似的な格子ツ波の制御デバイスとして完成させるには，格子構造へエ定数に見合った波長の電磁波をブラッグ回折し，透過スペネルギー共振器となる構造欠陥を導入し，電磁波との相互クトルの特定帯域に反射領域としてバンドギャップを形成作用を期待する物質を空洞内部に注入しなければならない。

する 。電磁波を本質的に制御し得る人工格子として，フォ4）

4．テラヘルツ共振器

トニック結晶と呼ばれている。規則的な周期配列に意図的な構造欠陥を導入すれば，その空洞寸法に見合った電磁波マイクロ光造形法により作製した，アルミナ製ダイヤモ長のみが共振し伝搬を許されるため，バンドギャップ中に218（4）

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ンド型フォトニック結晶を図 4 に示す。誘電体ロッドにセル構造を光造形し，電磁波と物質をミキシングするテラよって微細格子が精密に実現されている。焼成後の格子定ヘルツ波デバイスを試作した。
テラヘルツ共振器の電磁波透過特性を図 6 に示す。周波比は1.5である。アルミナ格子の焼結密度は97.5%であり，数 0.32 〜 0.57 THz の領域には，電磁波の禁止帯であるフォ比誘電率は 10 であることが分かった。

トニックバンドギャップの形成が確認できる。さらに，周波数0.41，0.43 THzに見られるモードA，Bの透過ピークは，25% 程度の収縮を示し，XYZ 軸方向それぞれに対してもそれぞれ蒸留水ならびにエタノールが注入された溶液セル異方性が見られたが，これらの変形挙動を見込んで再設計に対する，電磁波の共振と多重反射を経た，局在モードのすることで，最終的にはアルミナ製ダイヤモンド構造にお形成を示している。これら局在ピークの発現位置は，電磁ける，ユニットセルの等方性が実現できた。

気シミュレーションとも良い一致を示した。

図4

光造形された誘電体フォトニック結晶

テラヘルツ波分光装置により，結晶方位 <100>，<110>，<111> 方向に対する電磁波の透過スペクトルを測定したところ，周波数 0.375 〜 0.525 THz 付近において透過率の減衰が
図6

観察され，フォトニックバンドギャップの形成が確認されフォトニックバンドギャップと局在モードた。理論計算によって得られた電磁バンド解析と比較したと5．おわりにころ，実験値と理論値の良い一致が得られており，あらゆる結晶方位に共通な完全バンドギャップの形成も見られた。
テラヘルツ波と物質の効率的なミキシングを実現するた

光造形法の基礎的原理から応用的発展について解説する

めに，構造欠陥を導入した図 5 に示すとして空洞共振器をともに，微粒子を分散した樹脂ペーストの活用を経た，実用設計しフォトニック結晶への導入を検討した。電磁波の透材料の成型プロセスについて詳細を述べた。電磁波を回折過方向に対して，幅 200 μm の空洞を厚さ 100 μm の平板させる人工格子として，誘電体セラミック製のフォトニックで挟み込む形で，アクリル系の光硬化性樹脂を素材とした結晶を光造形する研究事例では，ブラッグ反射によるバンドギャップの形成と，意図的な欠陥導入による局在モードの形アパチャー成について紹介した。
光造形法は計算機支援による自由成型技術であり，構造フォトニック結晶により機能を創出する新しいものづくりを実現させる。ナ
ノ微粒子の種類を検討すれば，多様な素材を用いた造形がテラヘルツ波可能になるため，全く異なる新分野への貢献についても，大いに期待が持てると考えている。
参考文献

ガラス板

1）Marutani, Y. and T. Kamitani：J. Photopolym. Sci. Technol., 10, 187-192（1997）
2）Kirihara, S. et al.：Solid State Commun., 124, 135-139（2002）
3）Kirihara, S., T. Niki and M. Kaneko：Ferroelectrics, 387, 102-111（2009）4）Yablonovitch, E.：Phys. Rev. Lett., 58, 2059-2062（1987）
5）Hoshi, N. et al.：IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 46, 834-838（1998）
6）Shen, Y.：Int. J. Pharm., 417, 48-60（2011）
7）Kirihara, S. and Y. Miyamoto：Int. J. Appl. Ceram. Technol., 6, 41-44（2009）

アクリル枠水溶液

図5
第 84 巻

テラヘルツ共振器の構造模式図

第 5 号（2020）（5）

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集

光造形サンプルに脱脂および焼結処理を施すと寸法変化

特数は 375 μm であり，直径と長さの比率であるアスペクト