JP-2026077643-A - 材料層の製造方法、立体物の製造方法、材料層、積層体、材料層形成装置、および、積層造形システム

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Abstract

【課題】所望の材料が任意のパターンで配置され、該所望の材料を高い密度で含む材料層を形成できる材料層の製造方法を提供する。【解決手段】基材１１上に第１の粒子Ｐ１をパターン状に配置する第１の工程Ｓ１０１と、基材１１上の第１の粒子Ｐ１が配置されていない領域に第２の粒子を配置する第２の工程Ｓ１０２と、を有する材料層の製造方法であって、第２の工程Ｓ１０２は、第２の粒子Ｐ２を担持させた担持材Ｓ２を、第１の粒子Ｐ１が配置された基材１１に摺擦する工程を有する。【選択図】図１

Inventors

久保健太
谷内洋

Assignees

キヤノン株式会社

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20260120
Priority Date: 20180214

Claims (20)

基材上に第１の粒子をパターン状に配置する第１の工程と、前記基材上の前記第１の粒子が配置されていない領域に第２の粒子を配置する第２の工程と、を有する材料層の製造方法であって、前記第２の工程は、前記第２の粒子を担持させた担持材を前記第１の粒子が配置された前記基材に摺擦する工程を有することを特徴とする材料層の製造方法。
前記担持材は、磁性粒子、ブラシ繊維、および、弾性材のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の材料層の製造方法。
前記基材は、前記第１の粒子によって凹凸パターンが形成されており、前記第２の粒子のメジアン径は、前記凹凸パターンの凹部の開口径よりも小さく、前記担持材の平均径は、前記凹凸パターンの凹部の開口径よりも大きいことを特徴とすることを特徴とする請求項１または２に記載の材料層の製造方法。
前記基材上の前記第１の粒子が配置されていない領域において、前記第２の粒子は前記基材に接触でき、前記担持材は前記基材に接触できないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の材料層の製造方法。
前記基材は、表面に粘着層を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の材料層の製造方法。
前記第１の工程は、前記基材とは異なる転写用基材上に前記第１の粒子をパターン状に配置する工程と、前記転写用基材から前記基材へと前記第１の粒子を転写する工程と、を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の材料層の製造方法。
前記転写用基材は表面に転写用凹凸パターンが形成されており、前記転写用基材上に前記第１の粒子をパターン状に配置する工程は、前記第１の粒子を担持させた第２の担持材を前記転写用凹凸パターンに摺擦する工程を有することを特徴とする請求項６に記載の材料層の製造方法。
前記第２の担持材は、磁性粒子、ブラシ繊維、および、弾性材のいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の材料層の製造方法。
前記第１の粒子のメジアン径は、前記転写用凹凸パターンの凹部の開口径よりも小さく、前記第２の担持材の平均径は、前記転写用凹凸パターンの凹部の開口径よりも大きいことを特徴とする請求項７または８に記載の材料層の製造方法。
前記第１の粒子は前記転写用凹凸パターンの凹部の底部に接触でき、前記第２の担持材は前記転写用凹凸パターンの底部に接触できないことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の材料層の製造方法。
前記第１の工程は、前記基材上に液体をパターン状に配置する工程と、前記液体がパターン状に配置された前記基材上に、前記液体に前記第１の粒子が付着するように、前記第１の粒子を付与する工程と、を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の材料層の製造方法。
前記基材上に前記液体をパターン状に配置する工程は、前記液体をインクジェット法により前記基材上に塗布する工程であることを特徴とする請求項１１に記載の材料層の製造方法。
前記第１の粒子を付与する工程の後に、前記液体に付着しなかった前記第１の粒子を除去する工程を有することを特徴とする請求項１１または１２に記載の材料層の製造方法。
基材上に材料層を形成する材料層形成工程と、前記材料層がそれぞれ形成された複数の前記基材を積層し、積層体を形成する積層工程と、前記積層体から前記複数の基材を除去する除去工程と、を有し、前記材料層形成工程は、基材上に第１の粒子をパターン状に配置する第１の工程と、前記基材上の前記第１の粒子が配置されていない領域に第２の粒子を配置する第２の工程と、を有しており、前記第２の工程は、前記第２の粒子を担持させた担持材を前記第１の粒子が配置された前記基材に摺擦する工程を有することを特徴とする立体物の製造方法。
前記除去工程は、前記基材を加熱により除去することを特徴とする請求項１４に記載の立体物の製造方法。
前記第１の粒子および前記第２の粒子の少なくとも一方は固体電解質材料であり、前記立体物は固体電解質シートであることを特徴とする請求項１４または１５に記載の立体物の製造方法。
前記第１の粒子および前記第２の粒子の少なくとも一方は電極を形成するための材料であり、前記立体物は電極シートであることを特徴とする請求項１４または１５に記載の立体物の製造方法。
前記材料層形成工程は、固体電解質材料を含む材料層を形成する工程と、正極材料または負極材料を含む材料層を形成する工程と、を有し、前記立体物は全固体電池であることを特徴とする請求項１４または１５に記載の立体物の製造方法。
基材上に第１の粒子をパターン状に配置する第１の配置手段と、前記基材上の前記第１の粒子が配置されていない領域に第２の粒子を配置する第２の配置手段と、を有する材料層形成装置であって、前記第２の配置手段は、前記第２の粒子を担持させた担持材を前記第１の粒子が配置された前記基材に摺擦するように構成されていることを特徴とする材料層形成装置。
基材上に材料層を形成する材料層形成ユニットと、前記材料層がそれぞれ形成された前記複数の基材を積層し、積層体を形成する積層ユニットと、前記積層体から前記複数の基材を除去する除去ユニットと、を有し、前記材料層形成ユニットは、基材上に第１の粒子をパターン状に配置する第１の配置手段と、前記基材上の前記第１の粒子が配置されていない領域に第２の粒子を配置する第２の配置手段と、を有しており、前記第２の配置手段は、前記第２の粒子を担持させた担持材を前記第１の粒子が配置された前記基材に摺擦するように構成されていることを特徴とする積層造形システム。

Description

本発明は、材料層の製造方法、立体物の製造方法、材料層、積層体、材料層形成装置、および、積層造形システムに関する。金属、セラミック、樹脂等の各種材料によって形成された材料層を積み上げることによって所望の形状の立体物を形成する、積層造形法が注目されている。近年では、積層造形法の適用分野は広がりを見せており、単一種類の材料からなるモックアップやパーツを形成するだけでなく、複数種類の材料からなる電池や電子部品、配線基板などの各種デバイスを形成することが行われつつある。特許文献１には、正極活物質を含む正極インクと、高分子電解質を含む電解質インクと、負極活物質を含む負極インクと、を用いて全固体電池を製造する方法が記載されている。特許文献１に記載の方法では、各インクをインクジェット法で塗り分けて、所望の材料がパターン状に配置された層を形成する。得られた層を乾燥させて材料層とした後、その材料層の上にさらに同様にして材料層を形成する。これを繰り返すことにより、正極活物質、高分子電解質、負極活物質が３次元的に任意のパターンで配置された構造を有する全固体電池が形成される。特開２００５－１１６２４８号公報材料層の製造方法のフローチャートである。第１の実施形態に係る材料層形成装置の構成を模式的に示す図である。充填装置の構成を模式的に示す図である。第１の基材上で搬送される充填剤を模式的に示す図である。第１の充填装置による充填プロセスにおける第１の基材の表面近傍の拡大図である。担持材としてブラシ繊維を用いた場合の充填装置の構成を模式的に示す図と、担持材として弾性材を用いた場合の充填装置の構成を模式的に示す図である。転写部の構成を模式的に示す図である。第２の充填装置による充填プロセスにおける第２の基材の表面近傍の拡大図である。転写部によって第１の粒子が転写された後の第２の基材と、転写部によって第２の粒子が転写された後の第２の基材と、を模式的に示す図である。第２の実施形態に係る材料層形成装置の構成を模式的に示す図である。第３の実施形態に係る積層造形システムの全体構成を模式的に示す図である。積層ユニットの構成を模式的に示す図である。除去ユニットの構成を模式的に示す図である。表面に凹凸パターンを形成した第１の基材の構造を模式的に示す図である。ポリエステル製のシートの熱重量分析結果を示す図である。第１の粒子を転写した後に、第１の粒子より平均粒径が小さい第２の粒子を転写した材料層を備える実施形態を示す平面図（ａ）、断面図（ｂ）である。以下、図面を参照して、この発明を実施するための形態を例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている各部材の寸法、材質、形状、その相対位置などは、特に特定的な記載が無い限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。＜第１の実施形態＞本発明の第１の実施形態である材料層の製造方法および材料層形成装置について、図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る材料層の製造方法のフローチャートである。本実施形態に係る材料層の製造方法は、下記の工程（１）～（２）を有する。各工程の詳細については後述する。工程（１）：基材上に第１の粒子をパターン状に配置する第１の工程（Ｓ１０１）工程（２）：基材上の第１の粒子が配置されていない領域に第２の粒子を配置する第２の工程（Ｓ１０２）また、第２の工程Ｓ１０２は、第２の粒子を担持させた担持材を、第１の粒子が配置された基材に摺擦する工程を有する。本実施形態に係る材料層の製造方法では、第１の粒子を基材上に配置した後に、その基材に第２の粒子を担持させた担持材を摺擦することによって、基材上の第１の粒子が配置されていない領域に第２の粒子を緻密に配置することができる。第２の粒子は担持材とともに基材に摺擦される間に、基材表面による付着力や基材表面に配置された第１の粒子や第２の粒子による付着力によって拘束され、緻密に配置されていく。これにより、複数の粒子が任意のパターンで配置され、かつ、緻密度の高い材料層を形成することができる。なお、「担持材を基材に摺擦する」とは、担持材が基材そのものと直接接触しない場合も含む。すなわち、上記表現は、第２の粒子を担持した担持材を基材に摺擦して、第２の粒子のみが基材そのものと直接接触する場合も含むものである。第１の工程Ｓ１０１において基材上に第１の粒子をパターン状に配置する方法は特に限定はされない。例えば、表面に凹凸パターンが形成された転写用基材を用意し、第１の粒子を担持させた担持材を該転写用基材に摺擦して凹凸パターンの凹部に第１の粒子を緻密に配置し、これを別の基材に転写することで、基材上に第１の粒子をパターン状に配置してもよい。あるいは、基材上にパターン状に液体を塗布した後に該液体に第１の粒子を含む粉末を付着させる方式によって、基材上に第１の粒子をパターン状に配置してもよい。以下、第１の粒子を担持させた担持材を転写用基材に摺擦して転写用基材の表面の凹部に第１の粒子を緻密に配置した後に、この第１の粒子を基材に転写する場合について説明する。図２は、本実施形態に係る材料層形成装置の構成を模式的に示す図である。本実施形態に係る材料層形成装置１は、第１の基材１１ａを格納供給する第１の格納容器２１ａと、第１の基材１１ａを搬送する第１のベルト装置２２ａと、第１の基材１１ａ上に凹凸パターンを形成するパターン形成装置２３と、を有する。材料層形成装置１は、第１の基材１１ａ上に形成された凹凸パターンの凹部に第１の粒子Ｐ１を配置する第１の充填装置２４ａを有する。材料層形成装置１は、第２の基材１１ｂを格納供給する第２の格納容器２１ｂと、第２の基材１１ｂを搬送する第２のベルト装置２２ｂと、を有する。材料層形成装置１は、第１のベルト装置２２ａと第２のベルト装置２２ｂがそれぞれ有するローラが対向した転写部２５ａを有しており、転写部２５ａにおいて第１の基材１１ａから第２の基材１１ｂへと第１の粒子Ｐ１が転写される。さらに、材料層形成装置１は、第２の基材１１ｂ上の非転写部に第２の粒子Ｐ２を配置する第２の充填装置２４ｂを有する。なお、本件の効果を説明する上で関連性の低い装置、例えば転写後の第１の基材１１ａを第１のベルト装置２２ａから剥離回収するための剥離回収装置や各クリーニング装置等は、図示および詳細説明を省略する。材料層形成装置１においては、パターン形成装置２３および第１の充填装置２４ａ、転写部２５ａが、第２の基材１１ｂ上に第１の粒子Ｐ１をパターン状に配置する第１の配置手段に相当する。また、第２の充填装置２４ｂが、第２の基材１１ｂ上の第１の粒子Ｐ１が配置されていない領域に第２の粒子Ｐ２を配置する第２の配置手段に相当する。以下、材料層形成装置１による基材１１上への材料層１２の形成方法を、プロセスごとに流れに沿って説明する。まず、供給手段（不図示）によって第１の格納容器２１ａから第１のベルト装置２２ａに第１の基材１１ａが供給される。第１の基材１１ａの材質は特に限定はされないが、パターン形成装置２３（後述）によって紫外線硬化性インクが塗布される場合には、少なくともその表面は、当該紫外線硬化性インクの濡れ性が高い材料で構成されていることが好ましい。また、第１の基材１１ａの表面は平滑であることが好ましい。第１の基材１１ａとしては、典型的には、使用する紫外線硬化性インク（水系または油系）に合わせて親水処理または親油処理が施されたポリエステルなどの樹脂製のシートを用いることができる。なお、第１の基材１１ａは、カット紙のように個別に切り離された基材を用いてもよいし、ロール紙のようにロール状に巻かれた連続した基材や、連続用紙のように交互に折りたたまれた連続した基材を用いてもよい。第１のベルト装置２２ａは、供給された第１の基材１１ａをパターン形成装置２３のパターン形成位置へと搬送する。第１のベルト装置２２ａは、駆動ローラ２２１ａ，２２２ａ、加圧ローラ２２３ａと、それらに懸架されたベルト状の搬送部材２２４ａと、を有する。このとき、加圧ローラ２２３ａは従動で回転している。搬送部材２２４ａは、樹脂製や金属製などから選択されることが好ましく、例えば、ポリイミド製の樹脂ベルトを用いることができる。駆動ローラ２２１ａ，２２２ａは、金属製の金属ローラを用いることが好ましく、例えば、ステンレス製の金属ローラを用いることができる。加圧ローラ２２３ａは、表層に弾性層を有するソフトローラを用いることが好ましく、例えば、ステンレス製の芯金の表面にシリコーンゴムの弾性層を設けたソフトローラを用いることができる。なお、本実施形態では第１の基材１１ａを搬送する搬送装置として第１のベルト装置２２ａを用いているが、ベルト装置の代わりにローラ装置を用いることもできる。後述する第２のベルト装置２１ｂについても同様である。パターン形成装置２３は、パターン形成位置へと搬送された第１の基材１１ａに微細な凹凸パターンを形成する。凹凸パターンを形成する方法としては、特に限定はされないが、ＵＶインプリント方式、熱インプリント方式、ＵＶインクジェット方式、印刷方式、レーザーエッチング方式等を用いることができる。パターン形成装置２３がＵＶインプリント方式によって凹凸パターンを形成する場合には、パターン形成装置２３は、第１の基材１１ａ上に紫外線硬化性組成物を塗布する塗布手段を有する。また、パターン形成装置２３は、表面に凹凸パターンが形成されたモールドを第１の基材１１ａ上の紫外線硬化性組成物に押印する押印手段と、紫外線硬化性組成物に紫外線を照射する光源と、を有する。典型的には、紫外線硬化性組成物としては、紫外線硬化タイプの液状シリコーンゴム（ＰＤＭＳ）や樹脂を用い、モールドとしてはフィルムモールドを用い、光源としてはＵＶランプを用いることができる。第１の充填装置２４ａが第１の粒子Ｐ１を担持した担持材Ｓ１を用いて第１の粒子Ｐ１を凹部に充填する場合、第１の基材１１ａ上の凹凸パターンの凹部の開口径は、第１の粒子Ｐ１のメジアン径よりも大きく担持材Ｓ１の平均サイズよりも小さいことが好ましい。ここで、凹凸パターンの凹部の開口径は、凹部の短手方向の開口径であることが好ましく、凹部の短手方向の最大開口径であることがより好ましい。これにより、第１の粒子Ｐ１は凹凸パターンの凹部の底部（典型的には底面）に接触することができ、担持材Ｓ１は該凹部の底部には接触することができない。これにより、凹部の底部に接触した第１の粒子Ｐ１を該凹凸パターンで捕捉することができ、一方で、担持材Ｓ１は該凹凸パターンで捕捉しないようにすることができる。なお、換言すれば、第１の粒子Ｐ１は凹凸パターンの凹部の底部に接触でき、第１の担持材Ｓ１は凹凸パターンの凹部の底部に接触できないことが好ましい。なお、本実施形態においてはパターン形成装置２３によって第１の基材１１ａ上に凹凸パターンを形成するが、これに限定はされず、表面に凹凸パターンが予め形成された基材を第１の基材１１ａとして用いてもよい。また、第１のベルト装置２２ａの搬送部材２２４ａの表面に直接、パターン形成装置２３によって凹凸パターンを形成してよいし、搬送部材２２４ａとしてその表面に凹凸パターンを有する搬送部材を用いてもよい。この場合は、耐久性を鑑みて、ステンレスやアルミニウムなどの金属ベルトを用い、レーザーエッチングやウェットエッチング、ドライエッチングなどの微細加工技術により表面に凹凸パターンを形成することが好ましい。表面に凹凸パターンが形成された第１の基材１１ａは、第１のベルト装置２２ａによって第１の充填装置２４ａの充填位置へと搬送される。図３は、本実施形態に係る充填装置の構成を模式的に示す図である。以下、第１の充填装置２４ａの構成について説明するが、第２の充填装置２４ｂについても