マイクロサイズの工場も実現可能に?ナノサイズ3Dプリンタとは?

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流行りモノから新技術まで! 5分でわかる最新キーワード解説

マイクロサイズの工場も実現可能に?ナノサイズ3Dプリンタとは?

2016/08/10


 最新技術を5分で理解するこのコーナー、今回は、まるで今話題の3Dプリンタと同じように樹脂を硬化させてナノサイズのモノを思い通りに作り上げる「ナノサイズ3Dプリンタ」こと「エバネッセント光造形」技術です。マイクロマシンやナノマシンが世界中で研究され、リソグラフィや高分子の化学合成による製造法が発表されている一方で、これは目には見えない「エバネッセント光」と呼ばれる特殊な光で造形します。半導体ウェハの微細欠陥の計測や、未来の「マイクロサイズの工場」構築にもつながるこの研究、いったいどんなものなのでしょうか。

ナノサイズ3Dプリンタ

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「ナノサイズ3Dプリンタ」(エバネッセント光造形)とは?

 「エバネッセント光」(後述)のエネルギーで樹脂を硬化し、50nm〜100nm程度のオーダーで造形を行う装置。東京大学先端科学技術研究センターの高橋哲教授らのチームが十数年前から研究している。
 基本的には現在一般化してきた光造形3Dプリンタと同様に光で樹脂を固める仕組みだが、その光に伝搬光ではなくエバネッセント光を使うところが大きな違いだ。従来の光造形3Dプリンタでは、マイクロメートル以下の加工分解能を得ようとすると、一般的に硬化させるのは点、または線であり、それを連続して行うことで大きな造形物を作ることになる。エバネッセント光造形技術では、ナノメートルオーダーの加工分解能を維持したまま、一括面露光が可能であり比較的大きな面積を一度に作りこむことができる。1層目を作ったら、さらに2層目、3層目と作り込むことで、複雑な形状を仕上げられるわけだ。
 現在のところは、図1のように、鮮明な模様を100nmの厚さ、つまり食品用ラップ(十数μm)の100分の1以下で一括造形を実現している。厚みは広い範囲でコントロール可能で、50nm以下の薄膜の作成や、約500nmの層の10層積層にも成功している。

図1 エバネッセント光による3次元造形の例
図1 エバネッセント光による3次元造形の例
エバネッセント光で造形した東大ロゴの銀杏マーク。100μm×100μm程度の領域に厚さ100nmで一括造形
資料提供:東京大学先端科学技術研究センター 高橋研究室
図2 エバネッセント露光マイクロ光造形装置
図2 エバネッセント露光マイクロ光造形装置
高橋研究室・大学院2年 鈴木裕貴氏
図3 エバネッセント面内強度分布動的制御露光システム
図3 エバネッセント面内強度分布動的制御露光システム
資料提供:東京大学先端科学技術研究センター 高橋研究室
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どんな用途が期待できるのか?

 現在では2光子重合方式のSLA(光造形)3Dプリンタで100nmの分解能を持つ製品が登場しているが、エバネッセント光造形技術は露光方式が全く違う。一般的な2光子重合方式のSLA 3Dプリンタではレーザー光を点に集中して三次元的に走査させるのだが、エバネッセント光造形技術では面を一度に造形できるため、造形時間が短くて済み、積層厚さの誤差は10nm以下と精度が高い。つまり大きな面積に超微細な凹凸を正確に形成して、表面機能を思いのままに作り込むことができる。ここに新しい用途がありそうだ。
 例えばディスプレイ画面の表面に使えば反射を全ての波長で抑え込んで見やすくできよう。また太陽光発電パネルに応用すれば、反射をなくして効率的に電力を生み出すことができる。さらには窓の光の入射をコントロールし、日差しの角度を変えて室内を明るくすることも考えられる。その他表面加工の精度が厳しく要求される部品には絶好の加工技術となる可能性がある。製品1つ1つをエバネッセント光造形技術で生産することはコスト面でも時間面でも難しいだろうが、「型」の製作には好適だ。型を利用した大量生産を前提にすれば、産業応用はそう遠い話ではないと思われる。

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