成果報告書詳細
管理番号20110000001390
タイトル*平成22年度中間年報 希少金属代替材料開発プロジェクト 精密研磨向けセリウム使用量低減技術開発及び代替材料開発/代替砥粒及び革新的研磨技術を活用した精密研磨向けセリウム低減技術の開発
公開日2011/12/13
報告書年度2010 - 2010
委託先名財団法人三重県産業支援センター 財団法人ファインセラミックスセンター 株式会社小林機械製作所 サイチ工業株式会社 国立大学法人京都大学 国立大学法人九州大学 国立大学法人東北大学 秋田県産業技術センター(旧:秋田県産業技術総合研究センター)
プロジェクト番号P08023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1. 研究開発の内容及び成果等 研究開発項目(1) (1)-1 量子分子動力学シミュレーションによる研磨メカニズムの解明と代替砥粒の設計 分子動力学法を活用して、酸化セリウム砥粒によるガラス研磨プロセスのシミュレーションを進めた。その結果、酸化セリウム砥粒の移動に伴いガラス表面の一部が削り取られ、酸化セリウム砥粒の側面にガラスの研磨屑が押し出されるダイナミクスを再現することに成功した。また研磨に伴いガラス表面の終端OH 基が化学反応を起こし、水分子が生成する挙動を明らかにした。
一方、酸化セリウム粒子にLa をドープすることで、3 価のCe が砥粒表面に露出することを明らかにした昨年度の結果をうけて、3 価のCe が表面に露出した酸化セリウム砥粒のモデルを作成し、SiO2 表面との化学反応プロセスを第一原理計算により解析した。その結果、酸化セリウム砥粒中の3 価のCe が、SiO2 表面のO 原子に近づくと、Ce3+からO 原子に電子移動が起こり、Ce4+に酸化されることを明らかにした。さらに、この電子移動により、SiO2 表面のSi-O 距離が伸びることを解明した。これは、Ce3+からSiO2 表面に移動した電子が、Si-O 結合の反結合性軌道に入ることで、Si-O 結合を弱めたものと考えられる。
英文要約Cerium oxide (ceria) is indispensable for polishing glasses and precisely polished glasses are used for various substrates such as HDDs and flat display panels. Glasses can be smoothly polished using ceria abrasives at a high rate. Unfortunately, ceria is some concern about securing stable supplies in Japan because ceria is produced in only specific source countries and the market price of ceria actually rises significantly. We will support to long-term international competitiveness of IT and home electric application industry through the “Cerium Substitute Technologies” Project.
Collaborative development of polishing simulations and experiments leads to clarify how glasses are polished with chemical reactions. Ab initio calculation for chemical reaction between silicon dioxide (silica) and ceria revealed that the electron transfer from Ce3+ to O in silica led to elongated Si-O bond suggesting the weakened Si-O bond.
SrFeOx as an alternative material for the glass polishing abrasives has been developed in this project. Removal rate evaluations using Co-substituted SrFeOx (SrFe0.9Co0.1Ox) abrasives revealed that the rate was much improved by 70%. Furthermore, the glass polished using SrFe1-yCoyOx (y=0.2 - 0.4) abrasives showed more smooth roughness than that polished with conventional ceria abrasives.
We also focused on basicity of the abrasives as one of the factors that can affect the polishing behaviors. The removal rate using various materials was found to depend on basicity; the rate was increased with increasing basicity. We modified the ZrO2 abrasives by doping 20 - 30 mol%CaO. The modified abrasives showed a high removal rate (ca. 90% as compared with ceria abrasives).
Advanced polishing technologies such as application of AC electric field and polishing under controlling atmospheres enhanced polishing efficiency and would reduce abrasive consumption.
We found the control of polishing atmosphere is also effective to increase polishing rate. Polishing under high pressure air led to increase removal rate using manganese oxide abrasive as well as ceria.
We previously found the application of AC electric field can decrease scattering slurry by centrifugal force and control of AC frequency can be accelerated to discharge of slurry and glass fragments as well as to charge slurry into polishing bed. We then try to increase rotation rate of the polishing bed by about 10 times. The high rotation polishing with AC electric field successfully increased polishing rate twice as compared to conventional polishing. The high rotation polishing also resulted in smooth surface of Ra=0.8-1.0 nm. We found that application of AC electric filed is essential to realize excellent polishing rate and smooth surface by high rotation polishing.
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