成果報告書詳細
管理番号20110000001565
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 ナノテク・先端部材実用化研究開発/高性能AD圧電膜とナノチューブラバーを用いたレーザTV用高安定光スキャナーの基盤技術開発
公開日2011/12/13
報告書年度2008 - 2010
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所 NECトーキン株式会社 マイクロプレシジョン株式会社 株式会社ファインラバー研究所
プロジェクト番号P05023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約高性能AD圧電膜と高耐久ナノチューブラバーは、新しい産業を切り拓くために必要不可欠な革新的新素材である。これらの素材の性能・生産性・安定性を向上させ、応用することにより幅広いスキャン周波数に対応できる超高速/超低速MEMS光スキャナーを開発した。新素材の安定性を高めて、光スキャナーを高精度制御できるようになれば、家電向けレーザープロジェクションや産業用計測機器等への活用が見込まれ、全く新しい光学技術・産業を切り拓くキーマテリアルにつながる。常温高密度、高速成膜を可能とするAD法により生産性、高機能性を一挙に解決するAD圧電膜を駆動源とし、従来に無い超高速光スキャナーを実現した。超高速光スキャナーに関しては、メタルベース材料・構造の最適化による光ビーム走査角度の向上に成功し、駆動電圧:20V以下で、走査周波数:31kHz、走査角度:102度、走査精度:3nsec以下を実現した。また、AD法による非鉛系圧電体の微細結晶構造制御による高耐圧と薄膜化により、非鉛系圧電体を利用した高速光スキャナーの試作ができ、走査角度50度@24V、26kHzという概ね最終目標値のデバイス性能を実現した。光スキャナーに非鉛圧電材料、圧電膜をアクチュエータとして適用するには圧電特性の向上に加え、温度特性を改善することが重要である。今回の研究開発では非鉛圧電材料であるチタン酸バリウムを中心に結晶粒径と圧電特性および温度特性の関係について調査を行い開発を進めてきた。その結果、焼結体バルクとAD法により形成した圧電厚膜という形状の違いはあるが0.2~20μmの結晶粒径の試料を作製することが可能になった。圧電特性は粒径が1~2μmで特性ピークを持つ傾向が確認され、バルクのd31は-167pm/V、AD膜ではYSZ基板上で-138pm/Vを示し、ステンレス基板上では-80pm/Vを示した。また、安定したナノチューブ混練技術開発により超低速光スキャナーを実現した。ハイビジョン垂直走査用に、駆動周波数30Hz、光学スキャン角60度以上、駆動電圧30Vp~p以下、消費電力1W以下の低速スキャナーを高耐久カーボンナノチューブ導電ラバーを使用し設計、試作、動作特性を評価、長期エージング試験をクリアした。その中、高耐久カーボンナノチューブ導電ラバーの開発では、抵抗率3Ω・cm以下、抵抗率のばらつき30%以下、耐久時間5万時間相当以上の高耐久カーボンナノチューブ導電ラバーを得ることができた。さらに、2次元走査でスキャナーを動作させる同期制御回路を考案・試作し、水平・垂直走査用光スキャナーの動作に関して、実験回路によって実証試験を行った。超高速/超低速光スキャナーを用いて、“MEMS+レーザー+蛍光体”による新しい方式のレーザープロジェクションシステムを作製することに成功した。今回のレーザTVの試作で、60型テレビで輝度500cd/m2を実現するための消費電力は、従来の省エネ型LED~LCテレビに比べ約3分の1程度の40W以下になると予測される。
英文要約High-performance piezoelectric thick films, with nanocrystalline structure and nanoscale ferroelectric domain, prepared by aerosol deposition (AD) and high-durable conductive rubbers filled with carbon nano-tube (CNT) are successfully developed for the application to advanced MEMS devices. The advanced two uni-axial optical MEMS scanning mirror devices are demonstrated in combination with novel nanostructure materials, novel MEMS driving concept, and non-silicon based MEMS substrate for laser projection and 3D measurements systems. The piezoelectric driven Lamb-wave type high-speed metal-based optical scanners with high-speed resonant frequency of more than 25 kHz are developed by using high-durable piezoelectric thick films prepared by AD process. In high-speed metal-based optical MEMS scanners, we obtained a driving voltage of less than 20V, high-speed resonant scanning frequency of 31 kHz, a scanning angle of 102 degree and scanning mirror stability of less than 3 nsec. Moreover, metal-based optical MEMS devices using lead-free AD- barium titanate oxide (BaTiO3, BTO) films also are developed. The lead-free BTO piezoelectric film with a stable temperature property and a high piezoelectric property is fabricated and estimated. In this work, the relation between the crystal grain diameter and the piezoelectric property and the temperature property on lead-free BTO material is mainly investigated. The piezoelectric property d31 showed -138 pm/V on the YSZ substrate compared with -167 pm/V on the bulk ceramics. The metal-based optical MEMS devices using lead-free AD-BTO3 films exhibited optical scanning angle of more than 50 degree at applied voltage of less than 24V and resonant frequency of 26 kHz. We developed the ultra-low speed optical scanner using carbon nano-tube conductive rubber for laser vertical scanning for HD Laser TV set. Specifications of this device are as follows; this device has the durability of 18,000 hours over non-stop driving test under normal condition. In this development, we succeeded in a fabrication of the high durability conductive rubber by adding carbon nanotube having a resistivity of 3Ω/cm or less, unevenness of the resistivity of 30% or less, durability time equivalent to 50,000 hours. We confirmed that two-dimensional optical scanning system could be achieved using original signal clock from a controlling system. We obtained a stability of 0.3mm on a scanned line of laser beam at a distance of 400mm. Finally, novel high resolution laser phosphor display based on new concept with a combination of laser beams, MEMS, and phosphor screen are developed. We found that low power consumption of less than 40W could be obtained for a 60-inch TV while maintaining a brightness of 500 cd/m2.
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