JP2008062298A - 微細穴材の製造方法、微細穴材ならびにそれを備えた分離膜。 - Google Patents
微細穴材の製造方法、微細穴材ならびにそれを備えた分離膜。 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】微小金属粒子を備えた基材に対して、レーザーを照射してアブレーションを発生させることによって上記基材に微細穴を形成する方法であって、上記レーザーの波長が、上記金属の可視紫外吸収波長を持つものであり、かつ、上記微小金属粒子が、表面プラズモン共鳴効果を発生するものであることを特徴とする微細穴材の製造方法である。
また、本発明は、上記の製造方法によって得られることを特徴とする微細穴材であり、さらに、少なくとも片側の面に支持膜を備えていてもよい。ここで、支持膜は細孔を有していてもよい。
【選択図】図2
Description
また、レーザーの波長を短くすると、ムーアの法則に従えば、回折限界ならびに加工限界が近い将来訪れるという問題があった。
一方、レーザーアブレーションは、レーザー照射部分を瞬間的に溶融・沸騰蒸発させる方法として知られている。例えば、透明材料に対して特定のシングルモードビームのパルスレーザーを照射することによりアブレーション加工を行う方法がある(例えば、特許文献1参照のこと。)。しかしながら、この方法では、円錐状の穴を形成することしかできなかった。また、複数の穴を形成するためにはパルスレーザーを移動させる必要があり、効率的であるとは言えなかった。
また、本発明は、上記の製造方法によって得られることを特徴とする微細穴材であり、さらに、少なくとも片側の面に支持膜を備えていてもよい。ここで、支持膜は細孔を有していてもよい。
さらに、本発明は、上記の微細穴材を備えることを特徴とする分離膜である。
また、本発明の微細穴材は所定の直径および深さの微細穴を有しているので、例えば、ナノホールフィルター、DNAチップ、触媒基板、および、バイオセンサー等の各種分野に好適に利用することができる。
特に、本発明の分離膜は所定の直径および深さの微細穴を有する微細穴材を備えているので、例えば、ウィルス、病原菌および特定の化学物質等の任意の微細な物質を分離、除去することが可能であり、従来のフィルターよりも優れた分離能を有することができる。
本発明の微細穴材の製造方法は、微小金属粒子を備えた基材に対して、レーザーを照射してアブレーションを発生させることによって上記基材に微細穴を形成する方法であって、上記レーザーの波長が、上記金属の可視紫外吸収波長を持つものであり、かつ、上記微小金属粒子が、表面プラズモン共鳴効果を発生するものであることを特徴とする。なお、本発明における微細穴とは、凹みや貫通孔を含んだ概念である。
本発明の製造方法に用いられる基材としては特に限定されないが、上記レーザーの照射によって変性や変質しないものであることが好ましく、上記レーザーの波長の吸収係数が1cm−1であることがさらに好ましい。このような基材としては、有機系膜および無機系膜を挙げることができる。上記有機系膜としては、例えば、ポリメタクリル酸膜やポリメチルメタクリレート膜等を、また、上記無機系膜としては、例えば、ゾル−ゲルガラス等を挙げることができる。このような有機系膜および無機系膜は、具体的には、上記有機系膜または無機系膜の材料溶液を、スピンコート法、溶媒キャスト法等、当業者によってよく知られた方法で塗布・成型することによって得ることができる。
基材の膜厚としては特に限定されず、結果的に凹みを持つ微細穴材を得たい場合は、例えば、数μm〜数mm、また、貫通孔を持つ微細穴材を得たい場合は、例えば、数nm〜数百nmである。
本発明の微細穴材の製造方法に用いられる微小金属粒子は、レーザーの照射によってアブレーションを発生させて、上記微小金属粒子を備えた箇所以外の基材部分には影響を与えることなく、微細穴を形成させる役割を担うものである。このような微小金属粒子は、表面プラズモン共鳴効果を有するものである。上記微小金属粒子の平均粒子径としては、具体的には、5〜150nmである。
また、金属の種類としては、具体的には、金、銀および銅等、表面プラズモン共鳴効果を発生することができることが当業者によってよく知られているものを選択することができるが、入手容易性の点から、金または銀であることが好ましい。なお、本発明における平均粒子径は、レーザー光散乱法等、当業者によってよく知られた方法によって設定することができる体積平均粒子径を意味する。
本発明の微細穴材の製造方法に用いられる基材は、微小金属粒子を備えている。上記微小金属粒子は、上記基材の中に包含されていてもよいし、上記基材の面に備えられていてもよい。上記微小金属粒子が包含されて備えられている基材は、例えば、上記微小金属粒子を含んだ有機系膜の材料溶液を、任意の基板上にスピンコート法や溶媒キャスト法等、当業者によってよく知られた方法で塗布・成型することによって得ることができる。
また、上記微小金属粒子を備えた基材を得る方法としては、任意の基板上に上記基材のところで述べた塗布・成型によって基材を得た後、微小金属粒子を備える方法、または、任意の基板上に予め微小金属粒子を配置した後、その上に上記基材のところで述べた塗布・成型によって基材を得ることで、基材の面に微小金属粒子を備える方法の2種類を挙げることができる。このように基材を得た後に微小金属粒子を備える方法および予め微小金属粒子を配置する方法としては、例えば、上記微小金属粒子を含んだ溶液を用いたスピンコート法や溶液浸せき法等、当業者によってよく知られた方法を挙げることができる。
上記基材の中に包含されている、または、上記基材の面に備えられる微小金属粒子の量の設定方法としては特に限定されず、結果的に得られる微細穴材の有する単位面積当たりの微細穴の数の設定によって適宜設定することができる。具体的には、上記有機系膜の材料溶液または上記微小金属粒子を含んだ溶液中の微小金属粒子の濃度や、塗布・成型条件等によって決定することができる。図1は、このようにして得られた微小金属粒子を備えた基材の一実施形態の断面を示す図である。
本発明の微細穴材の製造方法において用いられるレーザーは、上記微小金属粒子を備えた基材に照射して、上記微小金属粒子にアブレーションを発生させるものである。上記レーザーの波長は上記微小金属粒子の可視紫外吸収波長を持つものである。上記レーザーの波長は、上記微小金属粒子の種類によって適宜設定することが可能であり、レーザーを発振する素子の基本波長でもよいし、例えば、非線形光学素子によって高調波に変換したものでもよい。上記レーザーの波長としては、例えば、上記微小金属粒子が金である場合、金の可視紫外吸収波長は530nmであるので、レーザーとしては、例えば、Nd3+:YAGレーザーの第2高調波(532nm)を挙げることができる。
上記レーザーはパルス光であることが好ましく、パルス幅は、例えば、1〜10nsである。また、上記レーザーの照射強度は特に限定されず、上記基材、上記微小金属粒子の種類および上記パルス幅によって適宜調整することができるが、ポリメタクリル酸を基材、40nmの金を微小金属粒子とし、パルス幅を5nsとした場合、例えば、500〜900mJ/cm2である。
本発明の微細穴材の製造方法において、得られる微細穴の直径および深さは、上記微小金属粒子の平均粒子径、上記レーザーの照射強度によって適宜調節することができる。このような調節を行うことで、例えば、膜厚20nmであり、直径では下限30nm、上限60nm、好ましくは、下限30nm、上限40nm、深さでは下限10nm、上限40nm、好ましくは、下限20nm、上限30nmの微細穴材を得ることができる。このような微細穴を、効率よくかつ均一に形成できるのが本発明の大きな特徴である。図2は、このようにして得られた微細穴材の一実施形態の断面を示す図である。
微細穴材
本発明の微細穴材は、上述の微細穴材の製造方法によって得られたものであるので、有する微細穴は形状、直径および深さが一定である。
本発明の微細穴材は、さらに、少なくとも片側の面に支持膜を備えていてもよい。上記支持膜を備えることで、微細穴材の取り扱い性を容易にすることができる。上記支持膜としては特に限定されず、例えば、ガラス、シリコン等の無機系支持膜や、不織布、ポリオレフィン等の有機系支持膜等を挙げることができる。得られる微細穴材の透過性を確保する場合は、上記支持膜は細孔を有するものであることが好ましい。透過性の観点から、上記細孔は貫通孔であり、上記微細穴材の有する微細穴の直径以上の直径を有するものであることが好ましい。このような支持膜としては、例えば、リチウムイオン電池に用いられている有機系セパレータフィルムを挙げることができる。また、本発明の微細穴材を支持膜として用いてもよい。
また、本発明の微細穴材の両側の面に上記支持膜を備えてもよい。
上記支持膜の膜厚としては特に限定されず、用途に応じて適宜選択することができ、取り扱い性の観点から、例えば、20nm以上であればよい。
上記微細穴材の少なくとも片側の面に上記支持膜を備える方法としては特に限定されず、例えば、上記微細穴材を上記支持膜上に形成する方法、上記微細穴材の面上に支持膜を形成する方法、および、上記微細穴材と上記支持膜とを貼付する方法の3種類の方法を挙げることができる。一番目の方法として具体的には、上述の微細穴材の製造方法のところで述べた微小金属粒子を備えた基材を得る方法を、上記支持膜上で行う方法を挙げることができる。また、二番目の方法として具体的には、上記微細穴材の上で、上記無機系支持膜または有機系支持膜を形成する方法を挙げることができる。さらに、三番目の方法として具体的には、上記微細穴材と上記支持膜とを必要に応じて適当な接着剤を用いて、加熱加圧接着する方法等をあげることができる。図3は、このようにして得られた片側の面に支持膜を備えた微細穴材の一実施形態の断面を示す図である。
上記微細穴材の両側の面に上記支持膜を備える方法としては特に限定されず、上記片側の面に備える方法を組み合わせて行うこと方法を挙げることができる。図4は、このようにして得られた両側の面に支持膜を備えた微細穴材の一実施形態の断面を示す図である。
上記支持膜を備えた微細穴材は、合計膜厚としては特に限定されず用途に応じて適宜設定できるが、例えば、下限200nmから上限1mmである。
分離膜
本発明の分離膜は上述の微細穴材を備えている。上記微細穴材は上述のとおり、直径および深さの均一な、非常に微細な穴を備えているので、分離精度が極めて高い。また、様々な直径および深さの穴を備えることができるため、広い範囲での分離膜として利用することができる。
上記分離膜としては、例えば、気体分離膜、精密濾過膜、限外濾過膜、逆浸透膜、イオン交換膜、透析膜、酸素富化膜等に用いることができる。
さらに、上記分離膜は、所定の直径の穴を備えることで、ウィルス、病原菌および特定の化学物質等の任意の微細な物質を分離・除去することが可能であり、従来の濾過装置よりも優れた分離能を有することができる。すなわち、上記分離膜として利用したバイオフィルター、気体分離フィルター、液体分離フィルター、ならびに、DNAチップ基板、電池のセパレータ、回折格子、光導波路などの応用材料等に用いることができる。
以下、本発明について実施例を掲げて更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。また実施例中、「部」は特に断りのない限り「質量部」を意味し、「%」は特に断りのない限り「質量%」を意味する。
実施例1
ガラス基板表面に3−アミノプロピルトリメトキシシランを均一に吸着させた基板に対して、金ナノ粒子(CRL社製E.M.GC40、平均粒子径40nm)を分散、吸着させ、さらに、その得られた基材に対して、1質量%のポリメタクリル酸メタノール溶液を回転数1000rpmのスピンコートによって塗布し、膜厚50nmのポリメタクリル酸基材を得た。
得られたポリメタクリル酸基材に対して、Nd3+:YAGレーザーの第2高調波(532nm、パルス幅10ns以下の単パルス光)を照射直径約2mmで、照射強度を700mJ/cm2および900mJ/cm2の3種類で照射してアブレーションさせたところ、直径60nm、深さがそれぞれ21nm、31nmおよび35nmの穴を形成したポリメタクリル酸基材を得た。この結果を図5に示した。
実施例2
40nmの金ナノ粒子に代えて、20nmの金ナノ粒子を用いてポリメタクリル酸基材を得たこと、および、照射強度を700mJ/cm2および900mJ/cm2としたこと以外は実施例と同様にして、直径がそれぞれ41nmおよび59nm、深さがそれぞれ19nmおよび27nmの穴を形成したポリメタクリル酸基材を得た。この結果を図5および図6に示した。
実施例3
40nmの金ナノ粒子に代えて、10nmの金ナノ粒子を用いてポリメタクリル酸基材を得たこと、および、照射強度を500mJ/cm2としたこと以外は実施例と同様にして、直径30nm、深さが9nmの穴を形成したポリメタクリル酸基材を得た。この結果を図5および図6に示した。
実施例4
不織布上にポリメタクリル酸基材を得たこと、および、照射強度を700mJ/cm2としたこと以外は、実施例1と同様にして、金の微小粒子を備えたポリメタクリル酸基材を得た後、アブレーションさせたところ、直径60nm、深さ20nmの穴を形成したポリメタクリル酸基材を得た。
得られた穴を形成したポリメタクリル酸基材に直径が80nmの粒子を含む懸濁液を透過させたところ、濾液が透明であった。得られた濾液を分析したところ、粒子は含まれていなかった。
従って、得られた穴を形成したポリメタクリル酸基材が水分子と80nmの粒子とを分離することができた。
2・・・微小金属粒子
3・・・基板
4・・・基材
5・・・微細穴材
6・・・微細穴
7・・・片側の面に支持膜を備えた微細穴材
8・・・支持膜
9・・・両側の面に支持膜を備えた微細穴材
Claims (5)
- 微小金属粒子を備えた基材に対して、レーザーを照射してアブレーションを発生させることによって前記基材に微細穴を形成する方法であって、
前記レーザーの波長が、前記金属の可視紫外吸収波長を持つものであり、かつ、
前記微小金属粒子が、表面プラズモン共鳴効果を発生するものである
ことを特徴とする微細穴材の製造方法。 - 請求項1の製造方法によって得られることを特徴とする微細穴材。
- さらに、少なくとも片側の面に支持膜を備えている、請求項2に記載の微細穴材。
- 前記支持膜は細孔を有する請求項3に記載の微細穴材。
- 請求項2〜4のうちのいずれか1つに記載の微細穴材を備えることを特徴とする分離膜。
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