JP7760928B2 - 接着構造体 - Google Patents

Description

本発明は、接着構造体に関する。

接着構造体として、基体と、この基体の表面に設けられた複数の突起とを有するものが知られている。特許文献１には、先端が半径３００ｎｍ以下の球面であり、長手方向に対する垂直断面の半径が５００ｎｍ以下である突起を備えた接着構造体が開示されている。このナノレベルの突起を備えた接着構造体は、突起が、被接着物の表面の凹凸にナノレベルで入り込み、強力な接着力を発揮することができるとされている。

国際公開第２００７／０３２１６４号公報

接着構造体は、種々の環境下で安定して被接着物を接着保持することができ、かつ被接着物を汚染しにくいものであることが好ましい。しかしながら、特許文献１に記載されている接着構造体は、樹脂材料で形成されている。樹脂材料は、熱によって分解あるいは変質することによって、接着強度が低下するおそれがある。また、樹脂材料は、分解生成物によって被接着物を汚染するおそれがある。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、熱による分解や変質が起こりにくく、かつ接着強度が高い接着構造体を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の接着構造体は、被接着物を接着保持する接着構造体であって、基体と、前記基体の少なくとも一部の表面に設けられた三角波状突起部とを有し、無機物からなり、前記三角波状突起部のピッチが１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内にあって、前記三角波状突起部の高さが１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内にある。

本発明の接着構造体によれば、基体と、基体の少なくとも一部の表面に設けられた三角波状突起部とを有し、無機物からなるので、熱による分解や変質が起こりにくく、被接着物を汚染しにくい。また、三角波状突起部の平均ピッチが１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内にあって、三角波状突起部の平均高さが１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内にあるので、表面弾性率が高く、被接着物で加圧したときに三角波状突起部の変形量が大きい。このため、本実施形態の接着構造体は接着強度が高く、種々の環境下で安定して被接着物を接着保持することができる。

ここで、本発明の接着構造体においては、前記三角波状突起部の前記ピッチに対する前記高さの比が、０．８以上２．０以下の範囲内にある構成とされていてもよい。
この場合、被接着物に対する三角波状突起部の接着力が高くなると共に、被接着物が三角波状突起部から離脱したときには、三角波状突起部の接着力が回復しやすくなる。

また、本発明の接着構造体においては、前記三角波状突起部の前記ピッチが５００ｎｍ以下である構成とされていてもよい。
この場合、三角波状突起部のピッチが狭くなることによって、被接着物の表面形状に沿って三角波状突起部が変形しやすくなるので、より接着力が向上する。

また、本発明の接着構造体においては、前記無機物が金属である構成とされていてもよい。
この場合、三角波状突起部の表面弾性率がより高くなるので、変形後の復元力が向上し繰返し性が向上する。

また、本発明の接着構造体においては、前記金属が銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ＮｉＰ合金のいずれかを含むである構成とされていてもよい。
この場合、三角波状突起部の表面弾性率がさらに高くなるので、接着力がさらに高くなる。

また、本発明の接着構造体においては、ナノインデンターを用いて、前記三角波状突起部に直径４０μｍの球状圧子を押込み深さが１０ｎｍまたは２０ｎｍの少なくとも一方となる条件で押込んだときの接着力が３５Ｎ／ｃｍ^２以上である構成とされていてもよい。
この場合、接着強度が高いので、熱による分解や変質が起こりにくく、かつ接着強度が高い接着構造体として好適に利用することができる。

本発明によれば、熱による分解や変質が起こりにくく、かつ接着強度が高い接着構造体を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る接着構造体の斜視図である。 図１のII－II線断面図である。 図１に示す接着構造体の平面図である。 本発明の一実施形態に係る接着構造体の三角波状突起部のフォーカスカーブである。 本発明の一実施形態に係る接着構造体の三角波状突起部にナノインデンターの探針を押し込める前の状態（図４のＡ）を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る接着構造体の三角波状突起部にナノインデンターの探針を押し込めた状態（図４のＢ）を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る接着構造体の三角波状突起部に押し込めたナノインデンターの探針を引き上げた状態（図４のＣ）を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る接着構造体の三角波状突起部に押し込めたナノインデンターの探針を接着構造体から離脱させた状態（図４のＤ）を示す概念図である。

以下に、本発明の実施形態である接着構造体について、添付した図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る接着構造体の斜視図である。図２は、図１のII－II線断面図であり、図３は、図１に示す接着構造体の平面図である。
図１～３に示すように、本実施形態に係る接着構造体１は、基体２と、基体２の一方の表面に設けられた三角波状突起部３とを有する。基体２と三角波状突起部３とは一体となっている。三角波状突起部３は、加圧状態で変形し、加圧状態から解放されたときに元の形状に復元する性質を有する。

接着構造体１は、無機物からなる。無機物としては、限定されるものではないが、金属、セラミック、ガラスを用いることができる。無機物は、融点が１００℃以上、分解温度が１００℃以上であることが好ましく、融点が３００℃以上で、分解温度が３００℃以上であることが好ましく、融点が５００℃以上で、分解温度が５００℃以上であることが好ましい。金属は、金属単体であってもよいし、合金であってもよい。合金は、複数の金属元素からなるもの及び金属元素と非金属元素からなるものを含む。金属単体の例としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、銅を挙げることができる。合金の例としては、アルミニウム合金、ＮｉＰ、ステンレス鋼、銅合金を挙げることができる。セラミックとしては、酸化物、窒化物、炭化物を用いることができる。セラミックの例としては、アルミナを挙げることができる。接着構造体１を構成する無機物は、金属であることが好ましく、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ＮｉＰ合金のいずれかを含むことがより好ましい。

基体２は、板状とされている。基体２のサイズは特に制限はない。基体２の厚さは、例えば、１０μｍ以上１０ｃｍ以下の範囲内である。

三角波状突起部３は、複数個の長尺状の突起４が長手方向に沿って配列した構成とされている。突起４の断面形状は、三角形状とされている。突起４の断面形状は、二等辺三角形であることが好ましい。突起４の底角（図２のθ）は、６０度以上であることが好ましく、６０度以上８０度以下の範囲内にあることが好ましい。

三角波状突起部３の平均ピッチは、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内にあり、好ましくは５００ｎｍ以下である。三角波状突起部３の平均ピッチは、三角波状突起部３の隣り合う突起４の頂部４ａの間の距離（図２及び図３中のＰ）の平均値である。三角波状突起部３の平均ピッチは、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で撮影された接着構造体１の断面ＳＥＭ写真から測定することができる。

三角波状突起部３の平均高さは、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内にあり、好ましくは５００ｎｍ以下である。三角波状突起部３の平均高さは、三角波状突起部３の突起４の谷部４ｂの間を底辺とした突起４の高さ（図２中のＨ）の平均である。三角波状突起部３の平均高さは、ＳＥＭで撮影された接着構造体１の断面ＳＥＭ写真から測定することができる。

三角波状突起部３の平均ピッチに対する平均高さの比（平均高さ／平均ピッチ）は、好ましくは０．８以上２．０以下の範囲内にあり、より好ましくは１．０以上１．５以下の範囲内にある。平均高さ／平均ピッチが０．８以上であることによって、突起４が被接着物に沿って変形しやすくなり、被接着物に対する形状の追従性が高くなる。三角波状突起部３は被接着物に対する形状の追従性が高い突起４が周期的に配置されているので、三角波状突起部３を被接着物で加圧したときは、三角波状突起部３の変形量が大きく、被接着物と三角波状突起部３との接触面積が大きくなる。このため、被接着物に対する三角波状突起部３の接着力は高くなる。また、平均高さ／平均ピッチが２．０以下であることによって、被接着物が三角波状突起部３から離脱したときには、突起４が元の形状に復元しやすく、三角波状突起部３の接着力が回復しやすくなる。このため、三角波状突起部３は長期間にわたって繰返し利用することができる。

接着構造体１の三角波状突起部３の接着力は、ナノインデンターを用いて、フォーカスカーブを作成することによって求めることができる。
図４は、ナノインデンターを用いて測定した接着構造体１の三角波状突起部３のフォーカスカーブである。図５は、接着構造体１の三角波状突起部３にナノインデンターの探針１０を押し込める前の状態（図４のＡ）を示す概念図である。図６は、接着構造体１の三角波状突起部３にナノインデンターの探針１０を押し込めた状態（図４のＢ）を示す概念図であり、図７は、接着構造体１の三角波状突起部３に押し込めたナノインデンターの探針１０を引き上げた状態（図４のＣ）を示す概念図であり、図８は、接着構造体１の三角波状突起部３に押し込めたナノインデンターの探針１０を接着構造体１から離脱させた状態（図５のＤ）を示す概念図である。

図５に示すように、接着構造体１と探針１０とが離れている状態では、接着構造体１の三角波状突起部３と探針１０との間に荷重は負荷されない（図４のＡ）。なお、本実施形態では、探針１０は、直径４０μｍの球状圧子を用いた。

フォーカスカーブの作成では、先ず、探針１０を接着構造体１の三角波状突起部３に所定の荷重で押込む。探針１０の押込みの条件は、探針１０の形状によって異なる。探針１０が直径４０μｍの球状圧子である場合は、荷重が２０μＮ以上１００μＮ以下の範囲内で、押込み速度が１０ｎｍ／秒以上２０ｎｍ／秒以下の範囲内となる条件で行う。探針１０の押込みによって、接着構造体１の三角波状突起部３が探針１０の形状に沿って変形する。探針１０の押込み深さが深くなるに伴って、三角波状突起部３の変形量が大きくなる。そして、図６に示すように、探針１０を所定の深さにまで押込んだ状態で、探針１０の押込みを停止する（図４のＢ）。なお、本実施形態では、探針１０の押込み深さは、１０ｎｍ又は２０ｎｍとした。

次いで、探針１０を三角波状突起部３に所定の荷重で押込んだ状態で所定の時間保持した後、三角波状突起部３から探針１０を引き上げる。探針１０の引き上げの条件は、探針１０の形状によって異なる。探針１０が直径４０μｍの球状圧子である場合は、引き上げ速度が１０ｎｍ／秒以上２０ｎｍ／秒以下の範囲内となる条件で行う 。探針１０を引き上げることにより、三角波状突起部３に負荷される荷重が低下して、三角波状突起部３が元の形状に戻っていく。さらに、探針１０を引き上げると、荷重を取り除いても探針１０と三角波状突起部３とが離れず接着力が負の荷重として観測される。さらに、探針１０を引き上げると、探針１０が三角波状突起部３から離脱して三角波状突起部３に負荷される荷重がゼロになる。そして、図７に示すように、探針１０と三角波状突起部３とが完全に離脱する（図４のＤ）。この負の荷重が観測されてから探針１０が三角波状突起部３から離脱するまでの間の負の極大値（図４のＣ、単位：Ｎ）を、探針１０を押込んだときの探針１０と三角波状突起部３との接触面積（ｃｍ^２）で除した値が三角波状突起部３の接着力である。三角波状突起部３の接着力は、探針１０の形状や探針１０の押込み深さに変動する。本実施形態の接着構造体１は、押込み深さが１０ｎｍまたは２０ｎｍの少なくとも一方において、接着力が３５Ｎ／ｃｍ^２以上であることが好ましい。

本実施形態の接着構造体１は、例えば、研磨工程、切削工程、エッチング工程を含む方法によっても製造することができる。
研磨工程では、原料の無機材料基材の表面を研磨する。無機材料基材の研磨は、例えば、グラインダー研磨、耐水紙による研磨、バフ研磨を用いることができる。研磨後の無機材料基材の表面は、例えば、表面粗さＲａで０．０２μｍ以下であることが好ましい。

切削工程では、研磨工程で研磨した無機材料基材の表面を切削加工して、三角波状突起部を形成する。切削加工方法は、特に制限はなく、種々の方法を選択することができる。切削加工方法としては、例えば、刃具を周期的に上下に移動させながら刃具を刃面に対して直交する方向に移動させて溝を形成する方法（ＮＰ法：ナノペッキング法）、刃具を上下に移動させずに直線的に移動させて溝を形成する方法（従来法）を用いる方法を用いることができる。

ＮＰ法において、加工装置としては、刃具と刃具を超音波振動させる超音波振動装置とを有する加工装置を用いることができる。刃具の刃面の形状は特に制限はなく、例えば、三角形や四角形とすることができる。ＮＰ法では、例えば、刃具を超音波振動させながら無機材料基材の表面に斜めに押入し、次いで、刃具を周期的に上下に動かしながら、刃具を刃面に対して直交する方向に移動させる。これによって、無機材料基材の表面に刃具の移動方向と直交する方向に延びる逆三角形状の複数個の溝を有する三角波形状の突起部が形成される。

従来法において、加工装置としては、刃具と刃具を超音波振動させる超音波振動装置とを有する加工装置を用いることができる。刃具の刃面の形状は、三角形とする。従来法では、例えば、刃具を超音波振動させながら無機材料基材の表面に垂直に押入し、次いで、刃具を上下に移動しないように固定しながら、刃具を刃面に対して直交する方向に移動させる。これによって、無機材料基材の表面に刃具の移動方向と平行に延びる逆三角形状の溝が形成される。この操作を繰り返すことによって、無機材料基材の表面に刃具の移動方向と平行な方向に延びる逆三角形状の複数個の溝を有する三角波形状の突起部が形成される。
こうして、本実施形態の接着構造体１が製造される。

以上のような構成とされた本実施形態の接着構造体１によれば、基体２と、基体２の少なくとも一部の表面に設けられた三角波状突起部３とを有し、三角波状突起部３は無機物からなるので、熱による分解や変質が起こりにくく、被接着物を汚染しにくい。また、三角波状突起部３の平均ピッチが１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内にあって、三角波状突起部３の平均高さが１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内にあるので、三角波状突起部３の表面弾性率が高く、被接着物で加圧したときに突起部の変形量が大きい。このため、本実施形態の接着構造体１は、接着強度が高く、種々の環境下で安定して被接着物を接着保持することができる。

本実施形態の接着構造体１において、三角波状突起部のピッチが５００ｎｍ以下である場合は、三角波状突起部３のピッチが狭くなることによって、被接着物の表面形状に沿って三角波状突起部３が変形しやすくなるので、より接着力が向上する。また、三角波状突起部３を構成する無機物が金属である場合は、三角波状突起部３の表面弾性率がより高くなるので、変形後の復元力が向上し繰返し性が向上する。特に、三角波状突起部３を構成する無機物が銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ＮｉＰ合金のいずれかである場合は、三角波状突起部３の表面弾性率がより高くなるので、接着力が高くなる。また、本実施形態の接着構造体１において、探針１０として直径４０μｍの球状圧子を使用したナノインデンターを用いて、三角波状突起部３に探針１０を押込み深さが１０ｎｍまたは２０ｎｍの少なくとも一方となる条件で押込んだときの接着力が３５Ｎ／ｃｍ^２以上である場合は、接着強度が高いので、熱による分解や変質が起こりにくく、かつ接着強度が高い接着構造体として好適に利用できる。

本実施形態の接着構造体１において、三角波状突起部３の平均ピッチに対する平均高さの比（平均高さ／平均ピッチ）が０．８以上２．０以下の範囲内にある場合は、被接着物に対する三角波状突起部３の接着力が高くなると共に、被接着物が三角波状突起部３から離脱したときには、三角波状突起部３の接着力が回復しやすくなる。さらに、本実施形態の接着構造体１は、突起が三角波状であるので、接着力の平面異方性を持ちにくいという効果を有する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態の接着構造体１において、三角波状突起部３は、基体２の一方の表面（上面）の全面に設けられているが、三角波状突起部３の位置はこれに限定されるものではない。三角波状突起部３を基体２の両面に設けてもよい。また、三角波状突起部３を基体２の表面の一部に設けてもよい。

［本発明例１］
基材として金属アルミニウム基材（縦：３０ｍｍ、横：３０ｍｍ、板厚：３０ｍｍ）を用意した。用意した金属アルミニウム基材の表面を表面粗さＲａが０．０２μｍ以下となるまで研磨して、平滑面とした。

次に、研磨した金属アルミニウム基材の表面に、ＮＰ法を用いて三角波形状の突起部を形成した。加工装置としては、刃具と刃具を超音波楕円振動させる超音波振動装置とを有する加工装置を用いた。刃具を超音波振動させながら斜めに押入し、次いで、刃具を超音波楕円振動させながら、刃面に対して直交する方向に１０００ｎｍ移動させる間に、刃先が上下方向に１０００ｎｍ移動する周期で動かすことによって、金属アルミニウム基材の表面に刃具の移動方向と直交する方向に延びる逆正三角形状の溝を形成して、正三角波形状の突起部を有する三角波状突起部付き基板を作製した。三角波状突起部付き基板の三角波状突起部の平均ピッチは１０００ｎｍ、平均高さは１０００ｎｍであり、平均高さ／平均ピッチは１．０であった。

［本発明例２～３、比較例１～２］
基材として、下記の表１に記載された材料からなる金属基材を用いたこと、三角波状突起部の平均ピッチ、平均高さ、平均高さ／平均ピッチが、下記の表１に記載された値となるように切削加工したこと以外は、本発明例１と同様にして、三角波状突起部付き基板を作製した。

［評価］
本発明例１～３及び比較例１～２で作製した三角波状突起部付き基板について、下記の方法により、表面弾性率と接着力を測定した。その結果を、表１に示す。

（表面弾性率の測定方法）
ナノインデンター（株式会社エリオニクス製、ＥＮＴ－ＮＥＸＵＳ）を用いて測定した。探針は直径４０μｍの球状圧子（チタン製）を使用した。荷重を２０μＮから１００μＮまで１０μＮの間隔で上昇させ、各荷重での表面弾性率を測定した。探針の押込み深さが三角波状突起部の高さの１／１０となったときの表面弾性率を、下記の表１に示す。
測定は、室温（２５℃）で行った。

（接着力の評価方法）
ナノインデンター（株式会社エリオニクス製、ＥＮＴ－ＮＥＸＵＳ）を用いて、上記の方法により接着力を測定した。探針は、直径４０μｍの球状圧子（チタン製）を使用した。球状圧子の押込み深さは、上記の表面弾性率の測定方法と同様に表１に記載の深さとした。探針の押込み速度は、押込み深さが１０ｎｍのときは１０ｎｍ／秒に、押込み深さが２０ｎｍのときは２０ｎｍ／秒に設定した。また、探針の引き上げ速度は、押込み深さが１０ｎｍのときは１０ｎｍ／秒に、押込み深さが２０ｎｍのときは２０ｎｍ／秒に設定した。測定は、室温（２５℃）で行った。

表１の結果から、三角波状突起部の平均ピッチと平均高さが本発明の範囲内にある本発明例１～３で得られた三角波状突起部付き基板は、比較例１～２で得られた三角波状突起部付き基板と比較して接着力が高く、接着構造体として有用であることが確認された。本発明例１～３で得られた三角波状突起部付き基板の接着力が高いのは、表面弾性率が低く、被接着物で加圧したときに突起部の変形量が大きいためである。

三角波状突起部の平均ピッチと平均高さが本発明の範囲よりも大きい比較例１で得られた三角波状突起部付き基板は、平均高さ／平均ピッチは本発明例１～３と同じであるが、接着力が低くなった。これは、平均ピッチが大きく、突起のサイズが大きくなりすぎたことにより、表面弾性率が高くなったためである。
三角波状突起部の平均ピッチと平均高さが本発明の範囲よりも小さい比較例２で得られた突起部付き基板は、平均高さ／平均ピッチは本発明例１～３と同じであるが、探針が接着しなかった。これは、平均高さが小さくなりすぎたことにより、表面弾性率が高くなったためである。

本実施形態の接着構造体は、高い耐熱性と、高い接着強度を有するので、接着・仮固定用の構造体として利用できる。本実施形態の接着構造体は、特に航空宇宙、半導体、医療などの環境の変化が大きく、不純物による汚染が少ないことが要求される分野において好適に利用できる。

１ 接着構造体
２ 基体
３ 三角波状突起部
４ 突起
４ａ 頂部
４ｂ 谷部
１０ 探針

Claims (6)

1. 被接着物を接着保持する接着構造体であって、
   基体と、前記基体の少なくとも一部の表面に設けられた三角波状突起部とを有し、
   前記三角波状突起部が無機物からなり、
   前記三角波状突起部の平均ピッチが１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内にあって、
   前記三角波状突起部の平均高さが１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内にある接着構造体。
2. 前記三角波状突起部の前記平均ピッチに対する前記平均高さの比が、０．８以上２．０以下の範囲内にある請求項１に記載の接着構造体。
3. 前記三角波状突起部の前記平均ピッチが５００ｎｍ以下である請求項１又は２に記載の接着構造体。
4. 前記無機物が金属である請求項１から３のいずれか一項に記載の接着構造体。
5. 前記金属が銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ＮｉＰ合金のいずれかを含む請求項４に記載の接着構造体。
6. ナノインデンターを用いて、前記三角波状突起部に直径４０μｍの球状圧子を押込み深さが１０ｎｍまたは２０ｎｍの少なくとも一方となる条件で押込んだときの接着力が３５Ｎ／ｃｍ^２以上である請求項１から５のいずれか一項に記載の接着構造体。