成果報告書詳細
管理番号20140000000745
タイトル平成21年度-平成24年度成果報告書 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2015/3/31
報告書年度2009 - 2012
委託先名公益財団法人三重県産業支援センター 一般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
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
和文要約セリウム使用量を低減させるために、セリウムフリーあるいはセリウム使用量が少ない砥粒開発と酸化セリウム(セリア)砥粒の使用量を低減させる革新的研磨技術の両面から検討し、これら技術の融合により実現性の高いセリウム使用量低減を検討した。新規代替砥粒開発では、まずガラスの研磨における化学研磨メカニズムの解明にむけたシミュレーションを行うために、研磨プロセスシミュレータを開発し、酸素欠損の局在が研磨特性に大きく影響することを明らかにした。さらに電子状態および結晶構造からガラス研磨用砥粒の新規設計指針を構築した。また、実験側からは、定量的な砥粒特性の高精度評価技術を構築した。以上の計算科学手法と砥粒合成・評価解析実験の連携により、砥粒の結晶構造等の設計により研磨特性を大きく改善できることを明らかにした。上記の化学研磨メカニズム等をもとに、それぞれ特徴のある3種類の代替砥粒を開発した。さらに、本代替砥粒開発の最適化については、実験結果のデータを基に新規購入した計算ソフトを用いて計算科学による精密化を行うことにより砥粒開発の加速支援をおこなった。ナノ分散系砥粒の開発については、化学的作用が大きいSrZrO3と機械的作用が大きいZrO2を数十ナノメートルレベルでナノ複合化した砥粒を開発した。本砥粒は市販セリア系砥粒の約8割の研磨速度を実現し、研磨表面平滑度では市販セリア系砥粒を凌駕した。さらに、本開発砥粒の量産プロセスを確立した。酸化マンガン系砥粒については、低スラリー濃度ではセリア系市販砥粒より優れた研磨特性を示すこと、砥粒径の増大や添加剤により研磨能率が向上することを明らかにした。さらに本砥粒の劣化挙動を検討し、セリア系市販砥粒と同等であることを明らかにした。Ca添加ジルコニア系砥粒開発については、酸化セリウムと同品質、研磨速度1.2倍を達成した。さらに本砥粒の低コスト化を検討し、2,000円台/kgでの供給に目処をつけた。その他、研磨効率の改善に向けた要素技術として、レーザーや紫外線によるガラス表面の前処理や研磨環境制御、さらに研磨パット溝の設計と最適化を行い、研磨に対する新たな知見とそれを元にした新技術を構築できた。セリア系砥粒使用量を低減研磨技術開発については、研磨過程でスラリーに交流電圧を印加することによって砥粒の動きを制御する「電界砥粒制御技術」を軸に開発を進めた。本技術の最適化により、ラボベースで研磨レートが34%向上した(スラリー濃度10wt%)。次に、本技術を大型研磨装置に展開し、研磨速度の20%向上を確認した(スラリー濃度1wt%)。また、本技術は、研磨スラリーの長寿命化にも極めて有効であることを明らかにした。さらに、本電界砥粒制御技術を片面高速研磨技術に導入した(電界トライボケミカル研磨技術)。その結果、研磨速度が通常の研磨方法の2倍、さらに砥粒使用量を80%程度削減可能な研磨技術を開発できた。本トライボケミカル研磨技術を大型研磨装置へ展開し、本技術の効果及を確認した。現在、実用テスト機をアドバイザリーボードの会社へ納入しテスト加工を継続している。
英文要約We have developed cerium-free or low cerium-content abrasives and highly efficient polishing technologies that lead reduction of cerium oxide consumption. The accomplishments combining and utilizing both the novel alternative abrasives and the cutting-edge efficient polishing technologies would lead to the practicable reduction of cerium oxide consumption.
 In order to develop the alternative materials, it is strongly required to elucidate an excellent glass polishing mechanism of conventional abrasives and establish the design principles for some alternative abrasives. Then, we revealed a mechanism of a chemical mechanical polishing process of a glass surface by the cerium oxide abrasive via computational simulation methods and proposed theoretically the design principles.
 We successfully developed three kinds of alternative abrasives that show distinguishing features by leveraging the proposed principles. We also accelerated the optimization of these alternative abrasives with an up-to-date simulation software.
Nano-dispersive alternative abrasives were obtained by dispersed with a chemically polishing material of SrZrO3 and a mechanically polishing material of ZrO2 on a several tens nano-meter scale by spray pyrolysis methods. The nano-dispersive abrasive showed high removal rates comparable to commercial cerium oxide abrasives and outstanding smooth surface. We provided mass production methods of the alternative abrasive by a complex polymerization method.
 Another alternative abrasives of manganese oxide were elucidated that the removal rate of glass substrates was higher than that with conventional ceria abrasives under dilute slurry conditions. Increasing particle size of manganese oxides and some additives in manganese oxide slurry were great impacts on polishing performances. The alternative abrasive showed comparable polishing lifetime to commercial ceria abrasives.
 The other alternative abrasives of calcium-containing zirconia abrasives showed 1.2 times as large removal rates of glasses as commercial cerium oxide abrasives as well as comparable smooth surface by optimizing compositions, preparation procedures and some additives. Our some investigation for inexpensive manufacturing processes can supply you with the alternative abrasives in the 20 to 30 dollar per kilogram.
 Other significant fundamental R&D results for increasing polishing efficiency were improvement of polishing efficiency by pre-treatment of glass surface with laser and UV, and advanced polishing technologies of atmospheric control during polishing and novel designs of polishing pads.
 We have developed a high efficiency polishing technologies that lead the reduction of cerium oxide consumption by applying AC electric field to slurry. Our developed "AC electric field controlled polishing technology" increased removal rates by 34% under a slurry concentration of 10 wt%. We then developed the large-scale polishing machine equipping AC electric field technologies and AC electric field led to increase the removal rate by 20% (slurry concentration: 1 wt%) using the large-scale machine. The novel technology also showed great impact on extending slurry lifetimes.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る