(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024043535
(43)【公開日】2024-03-29
(54)【発明の名称】中空構造体及び中空構造体の製造方法
(51)【国際特許分類】
F28D 20/00 20060101AFI20240322BHJP
H01G 11/78 20130101ALI20240322BHJP
H01M 50/102 20210101ALN20240322BHJP
F28D 20/02 20060101ALN20240322BHJP
【ＦＩ】
F28D20/00 Z
F28D20/00 G
H01G11/78
H01M50/102
F28D20/02 Z
【審査請求】有
【請求項の数】2
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023198172
(22)【出願日】2023-11-22
(62)【分割の表示】P 2022124980の分割
【原出願日】2022-08-04
(71)【出願人】
【識別番号】390014306
【氏名又は名称】防衛装備庁長官
(74)【代理人】
【識別番号】100067323
【弁理士】
【氏名又は名称】西村 教光
(74)【代理人】
【識別番号】100124268
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 典行
(72)【発明者】
【氏名】大越 昌幸
(72)【発明者】
【氏名】岩崎 楓
(57)【要約】
【課題】蓄エネルギー機能を備えた水中で使用可能な蓄エネルギー装置等を製造するために利用できる中空構造体とその製造方法を提供する。
【解決手段】基体４の表面に間隔をおいて配置された複数の微小球10に電磁波を照射して微小球が固定された隆起部11を形成した後、微小体に電磁波を照射して隆起部に連続する中空部13を微小体を覆って形成し、微小体を除去すれば中空構造体１５が得られる。中空構造体15の中空部13に複数種類の薬を内包させ、これを服用した患者の体内の所望の患部で所望の量の薬を放出させるように構成すれば、ドラッグデリバリーシステムに応用できる。蓄エネルギー素子５として電気二重層キャパシタ5d（図14）にも利用可能である。
【選択図】図１５
【解決手段】基体４の表面に間隔をおいて配置された複数の微小球10に電磁波を照射して微小球が固定された隆起部11を形成した後、微小体に電磁波を照射して隆起部に連続する中空部13を微小体を覆って形成し、微小体を除去すれば中空構造体１５が得られる。中空構造体15の中空部13に複数種類の薬を内包させ、これを服用した患者の体内の所望の患部で所望の量の薬を放出させるように構成すれば、ドラッグデリバリーシステムに応用できる。蓄エネルギー素子５として電気二重層キャパシタ5d（図14）にも利用可能である。
【選択図】図１５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基体の一部が隆起することにより形成された隆起部と、
前記隆起部に連続して形成された中空部と、
を有することを特徴とする中空構造体。
前記隆起部に連続して形成された中空部と、
を有することを特徴とする中空構造体。
【請求項2】
基体の表面に間隔をおいて配置された複数の微小体に電磁波を照射し、前記微小体の下方にある前記基体に前記微小体が固定された隆起部を形成する工程と、
前記微小体に電磁波を照射し、前記隆起部に連続する前記中空部を前記微小体を覆って形成する工程と、
前記中空部を残して前記微小体を除去する工程と、
を有することを特徴とする中空構造体の製造方法。
前記微小体に電磁波を照射し、前記隆起部に連続する前記中空部を前記微小体を覆って形成する工程と、
前記中空部を残して前記微小体を除去する工程と、
を有することを特徴とする中空構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、中空構造体及び中空構造体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
あらゆるものがネットにつながるＩｏＴ (Internet of Things）の時代を迎え、データを得るための電子デバイスであるセンサを至る所に取り付ける必要性が生じている。センサを動作させるためには電源が必要であるが、小さなセンサを個々にコンセントに接続し、又は定期的な交換が必要な電池を各センサごとに設けることは、センサ数が膨大であることを考慮すると現実的とは言えない。そこで、本願発明者は、多数の小さなセンサに電力を供給するために、蓄エネルギー素子を利用するという発想を得た。蓄エネルギー素子とは、種々の形態で蓄積したエネルギーを必要に応じて電気に変換して供給する素子であって、例えば電気を貯える蓄電素子や、熱を貯える蓄熱素子が知られている。しかしながら、小型の蓄エネルギー装置を水中で使用するために必要な構造や製造方法に関する有用な技術を具体的に提示している例を本願発明者は知らない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
そこで、本願発明者は、蓄エネルギー素子を利用して水中の電子デバイス（例えばセンサ等）に安定的に電力を供給する手段・方法について多角的に検討した。その結果、本願発明者は、環境発電法、例えば海水のような電気伝導性を有する環境中の液体を利用した発電法によって電力を取り出すとともに、その電力を蓄エネルギー素子によって蓄電することは種々の用途において有用であり、有望な技術的課題であると考えるに至った。しかしながら、そのような技術で実用性があるものは知られていないため、その後、さらに鋭意、研究を進めてきた。
【0004】
本発明は、以上説明した本願発明者の知見と研究に基づいてなされたものであり、例えば、蓄電や蓄熱などの蓄エネルギー機能を備えた水中で使用可能な蓄エネルギー装置や、これを用いることで水中において使用可能な電子装置等を製造するために利用できる中空構造体及び中空構造体の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0005】
請求項１に記載された中空構造体は、
基体の一部が隆起することにより形成された隆起部と、
前記隆起部に連続して形成された中空部と、
を有することを特徴としている。
基体の一部が隆起することにより形成された隆起部と、
前記隆起部に連続して形成された中空部と、
を有することを特徴としている。
【0006】
請求項２に記載された中空構造体の製造方法は、
基体の表面に間隔をおいて配置された複数の微小体に電磁波を照射し、前記微小体の下方にある前記基体に前記微小体が固定された隆起部を形成する工程と、
前記微小体に電磁波を照射し、前記隆起部に連続する前記中空部を前記微小体を覆って形成する工程と、
前記中空部を残して前記微小体を除去する工程と、
を有することを特徴としている。
基体の表面に間隔をおいて配置された複数の微小体に電磁波を照射し、前記微小体の下方にある前記基体に前記微小体が固定された隆起部を形成する工程と、
前記微小体に電磁波を照射し、前記隆起部に連続する前記中空部を前記微小体を覆って形成する工程と、
前記中空部を残して前記微小体を除去する工程と、
を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【0007】
請求項１に記載された中空構造体によれば、中空部は隆起部によって基体の表面に確実に保持されており、その内部に、用途または目的に応じた構造を作り込むことができ、また必要な物質等を収納する安定した容器として使用することができる。
【0008】
請求項２に記載された中空構造体の製造方法によれば、用途または目的に応じたサイズの微小体及び適当なエネルギーの電磁波を用いることにより、必要かつ均一なサイズで多数の中空構造体を整然と並べて基体の表面に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】分図（ａ）は第１実施形態の電子装置の正面図であり、分図（ｂ）は同平面図である。
【図2】分図（ａ）は第２実施形態の電子装置の正面図であり、分図（ｂ）は同平面図である。
【図3】分図（ａ）は第３実施形態の電子装置の正面図であり、分図（ｂ）は同平面図である。
【図4】第４実施形態の電子装置の正面図である。
【図5】第５実施形態の電気二重層キャパシタの製造工程における微小球整列工程を示す正面図である。
【図6】第５実施形態の電気二重層キャパシタの製造工程におけるプレエッチング工程を示す正面図である。
【図7】第５実施形態の電気二重層キャパシタの製造工程におけるプレレーザー照射工程を示す正面図である。
【図8】第５実施形態の電気二重層キャパシタの製造工程における電極形成工程を示す正面図である。
【図9】第５実施形態の電気二重層キャパシタの製造工程における中空部形成工程を示す正面図である。
【図10】第５実施形態の電気二重層キャパシタの製造工程における微小球除去工程を示す正面図である。
【図11】第５実施形態の電気二重層キャパシタの製造工程における電解液充填工程を示す正面図である。
【図12】第５実施形態の電気二重層キャパシタの製造工程における電解液充填工程の他の例を示す正面図である。
【図13】第５実施形態の電気二重層キャパシタの製造工程における接続部形成工程を示す正面図である。
【図14】第５実施形態の電気二重層キャパシタを有する電子装置の水中での使用状態を示す正面図である。
【図15】中空構造体の電子顕微鏡写真を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施形態を図１～図１５参照して説明する。
図１は、本願発明の基本構造を備えた第１実施形態の電子装置１を模式的に示す図である。この電子装置１の基本構造は複数の実施形態に共通している。すなわち、この電子装置１は、蓄エネルギー装置２と電子素子３を備えている。そして、蓄エネルギー装置２は、基体４と、基体の表面に設けられた蓄エネルギー素子５から構成されており、電子素子３は、基体４の内部に設けられていて、蓄エネルギー素子５に接続されている。図１に示すように、この電子装置１は、電気伝導性を有する液体Ｌに浸漬して使用することができる。図中、液体Ｌの部分は薄墨（グレー着色）で示している。
図１は、本願発明の基本構造を備えた第１実施形態の電子装置１を模式的に示す図である。この電子装置１の基本構造は複数の実施形態に共通している。すなわち、この電子装置１は、蓄エネルギー装置２と電子素子３を備えている。そして、蓄エネルギー装置２は、基体４と、基体の表面に設けられた蓄エネルギー素子５から構成されており、電子素子３は、基体４の内部に設けられていて、蓄エネルギー素子５に接続されている。図１に示すように、この電子装置１は、電気伝導性を有する液体Ｌに浸漬して使用することができる。図中、液体Ｌの部分は薄墨（グレー着色）で示している。
【0011】
基体４は、絶縁性があり、その内部に設けられ電子素子３が外部と電波によって通信できるような材料で電波透過性の材料で構成された矩形板である。基体４の上面の一部には、撥水加工された楕円形状の領域である撥水性表面６があるので、基体４を液体Ｌ中に沈めれば、この撥水性表面６の上方には球または回転楕円体を２分割したような形状の気泡である気体領域Ａが生成される。蓄エネルギー素子５は、撥水性表面６に取り付けられており、電子装置１を水中に沈めても、蓄エネルギー素子５は気体領域Ａの内側にあるので水に濡れることはない。
【0012】
基体４を構成する絶縁性の材料としては、例えばＳｉ－Ｏ－Ｓｉ結合を含む固体化合物であるシリコーンゴムを用いることができる。シリコーンゴムからなる基体４の上面の一部に撥水性表面６を形成するためには、多数のシリカガラス製の微小球を基体４の表面に並べ、これにレーザー光線を照射し、レーザー光線の集中により基体４の表面を変形させる方法が採用できる。この方法は、微小球のレンズ効果によってレーザー光線のエネルギーを基体４の表面の多数の点に集中させ、各点においてシリコーンゴムの主鎖構造の光開裂を誘起し、低分子量のシリコーンを微小球に沿って堆積させることにより、多数の隆起部と中空部からなる微細構造を形成する光化学的な方法である。
【0013】
なお、このような光化学的な方法は、前述したシリコーンゴム以外の高分子材料にも同様に適用できる。また、光化学的な方法以外の方法で基体４の表面に微細構造を作ることができるのであれば、基体４の材料は高分子材料に限定されない。例えば、３Ｄプリンタ（レーザーアディティブマニュファクチャリング）を用い、金属の基体４の表面に同様の微細構造を作ることもできる。
【0014】
前述した光化学的な方法で加工したシリコーンゴムの基体４を水中に入れたところ、微細構造が形成された撥水性表面６のみに、厚さ約０．５～５ｍｍの気体（空気）領域Ａが形成されることが見出された。すなわち、基体４を液体Ｌ中に浸漬すれば気体領域Ａの生成が確実に行なわれることが分かった。なお、表面工学においては、一般的に接触角が１５０度以上の場合に「超撥水」の用語を使用しているため、本発明で必要な気体領域Ａを生成するための撥水性は超撥水性を含み、さらに超撥水性には入らない一定の範囲をも包含するものとなる。
【0015】
なお、前述した光化学的な方法は、基体４の上面の一部に撥水性表面６を形成する方法であると同時に、後に詳述するように、基体４の表面に形成する蓄エネルギー素子５の一種である電気二重層キャパシタの製造工程の一部ともなりうる。従って、前述した光化学的な方法の詳細は、電気二重層キャパシタを有する第５実施形態の蓄エネルギー装置及び電子装置の説明において、図５～図１５を参照して詳述する。なお、前述した微細構造を形成する光化学的な方法は、撥水性表面６の形成方法の一例を示すものであって、その他の方法、手段または構造によって基体４の表面に撥水性表面６を設けてもよい。
【0016】
蓄エネルギー素子５としては、蓄電素子と蓄熱素子が使用できる。蓄電素子としては、化学電池、電気二重層キャパシタが使用できる。蓄熱素子としては、潜熱蓄熱素子、化学蓄熱素子、熱電蓄熱素子、温度差蓄熱素子、光化学蓄熱素子、顕熱蓄熱素子などが使用できる。なお蓄熱素子は、熱電変換素子と組み合わせることにより、電力を供給することができる。畜エネルギー素子のサイズは、基体４の表面に形成される気体領域Ａのサイズ以内に収めることができればよいが、典型的には５×５×５（ｍｍ3 ）程度を想定している。
【0017】
基体４の内部に設けられた電子素子３は、電子装置１の外部の状態を検知するセンサと、センサによって検知された情報を外部に送信する通信手段を有している。この電子素子３によれば、センサによって環境中の情報を検知し、これを直ちに通信手段により送信できるので、当該情報を遠隔地で取得することができる。ただし、環境中に配置された電子装置１を回収することが前提であるなら、電子素子３としては一定の記憶機能を備えたセンサのみであっても情報の収集に不都合はい。
【0018】
第１実施形態の電子装置１によれば、水中に配置した場合に基体４の撥水性表面６に気体領域Ａが形成されるので、蓄エネルギー素子５が濡れて不具合が生じることはなく、センサ等の電子素子３を安定的に作動させることができる。また、蓄エネルギー素子５として、蓄電素子群と蓄熱素子群の中から目的や用途等に応じて適当な素子を選択することができる。
【0019】
図２は、第２実施形態の電子装置１ａを模式的に示す図である。第１実施形態と同一の構成部分には図１と同一の符号を付して第１実施形態の説明を援用する。この電子装置１ａは、蓄エネルギー装置２ａと電子素子３を備えている。蓄エネルギー装置２ａは、基体４と、基体４の表面に設けられた環境発電素子としての太陽電池７と、基体４の表面に設けられて太陽電池７に接続された蓄エネルギー素子としての蓄電素子５ａを有している。電子素子３は、基体４の内部に設けられて蓄エネルギー素子５ａに接続されている。図２に示すように、この電子装置１ａは、電気伝導性を有する液体Ｌに浸漬して使用することができる。
【0020】
第２実施形態の電子装置１ａによれば、水中に配置した場合であっても、太陽光が届く限りにおいて、太陽電池７が電力を発生させ、また太陽電池７が発生させた電力は蓄電素子５ａに蓄えることができるので、電子素子３に対する電力の供給が安定する。
【0021】
図３は、第３実施形態の電子装置１ｂを模式的に示す図である。第１実施形態と同一の構成部分には図１と同一の符号を付して第１実施形態の説明を援用する。この電子装置１ｂは、蓄エネルギー装置２ｂと電子素子３を備えている。蓄エネルギー装置２ｂは、基体４と、基体４の表面に設けられた環境発電素子８と、基体４の表面に設けられて環境発電素子８に接続された蓄エネルギー素子としての蓄電素子５ｂを有している。電子素子３は、基体４の内部に設けられて蓄電素子５ｂに接続されている。図３に示すように、この電子装置１ｂは、電気伝導性を有する液体Ｌに浸漬して使用することができる。
【0022】
環境発電素子８は、図３（ｂ）に示すように、気体領域Ａと液体Ｌの両方に跨がるように配置された種類の異なる第１電極８ａと第２電極８ｂを備えている。種類が異なる金属としては、例えばアルミニウムと銅を採用することができる。具体的には、基体４の上面に、細線状のアルミニウムおよび銅を、撥水性表面６の内と外に跨がって設置する。この環境発電素子８を、濃度３ｗｔ％のＮａＣｌ水溶液に浸漬すると、撥水性表面６には気体領域Ａが形成された。ここで細線状のアルミニウムおよび銅は、ＮａＣｌ水溶液と気体領域Ａの両方に跨るように配置されているため、気体領域Ａ内のアルミニウムの一端部と銅の一端部の両端間には約８００ｍＶの電圧が電気化学的に生じた。気体領域Ａ内のアルミニウムの一端部と、銅の一端部との間に設けた蓄電素子５ｂには電力が蓄えられ、蓄電素子５ｂに接続された電子素子３には電力が供給され、電子素子３を作動、機能させることができる。
【0023】
電極を構成する２つの種類が異なる金属とは、各金属に固有の物性値である電極電位が異なるとの意味である。電極電位は、一般に水素の標準電極電位からの±の差分を示すＶ値で表される。例えば海水に浸漬した場合の電極電位の値については測定結果が得られており、これは概ねイオン化傾向に一致する。
【0024】
第３実施形態の電子装置１によれば、液体Ｌと気体領域Ａの間では２つの金属間に電位差が生じるため、太陽電池７では電力が生成できないような液体Ｌ中（水中）の環境下であっても電力を得ることができ、しかも蓄電素子５ｂによって蓄電することもできるため、第２実施形態の電子装置１ａに較べて電力の供給が一層安定している。
【0025】
図４は、第４実施形態の電子装置１ｃを模式的に示す図である。第１実施形態と同一の構成部分には図１と同一の符号を付して第１実施形態の説明を援用する。この電子装置１ｃは、蓄エネルギー装置２ｃと電子素子３を備えている。蓄エネルギー装置２ｃは、基体４と、基体４の表面に設けられた蓄熱素子５ｃと、蓄熱素子５ｃの表面に取り付けられた電磁波吸収体９を有している。電子素子３は、基体４の内部に設けられて蓄熱素子５ｃに接続されている。なお、図示はしないが、蓄熱素子５ｃは熱電変換素子を含んでいる。この電子装置１ｃにおいて、蓄熱素子５ｃに熱を供給する場合には、電磁波吸収体９に電磁波（レーザーを含む）Ｅを照射してエネルギーを吸収させ、これを蓄熱素子５ｃにおいて蓄積する。蓄熱素子５ｃに蓄積された熱は、熱電変換素子を介して電子素子３に電気として供給される。図４に示すように、この電子装置１は、電気伝導性を有する液体Ｌに浸漬して使用することができる。
【0026】
第４実施形態の電子装置１ｃによれば、太陽電池７では電力が生成できないような環境下であっても、適当な強度の電磁波Ｅを、エネルギーを供給したい電子装置１ｃを選択して照射することによってエネルギーを蓄積させ、その電子素子３に電力を供給できる。
【0027】
図５～図１５の模式図を参照して、第５実施形態の電子装置１ｄと、その製造方法を説明する。
この電子装置１ｄは、第１実施形態で説明した微細構造を製造する光化学的な方法、すなわち基体４の表面に微細構造である中空構造体１５を製造して撥水性表面６を形成する工程を一部に含んでおり、これによって形成した撥水性表面６の中空構造体１５の少なくとも一部を、蓄エネルギー素子である電気二重層キャパシタ５ｄの構造としても利用するものである。
この電子装置１ｄは、第１実施形態で説明した微細構造を製造する光化学的な方法、すなわち基体４の表面に微細構造である中空構造体１５を製造して撥水性表面６を形成する工程を一部に含んでおり、これによって形成した撥水性表面６の中空構造体１５の少なくとも一部を、蓄エネルギー素子である電気二重層キャパシタ５ｄの構造としても利用するものである。
【0028】
なお、電気二重層キャパシタは、通常のコンデンサとバッテリ（二次電池）の中間的な性格を持つ特殊タイプのコンデンサである。バッテリが化学反応によって電荷を蓄えるのに対し、電気二重層キャパシタは、電解液に浸した電極の表面にイオンを吸着させ、電気二重層(Electric Double Layer) を形成することで電荷を蓄える。このため、バッテリでは数時間を要する充電も、電気二重層キャパシタでは数秒で完了する。また、充電回数が有限であるバッテリと異なり、電気二重層キャパシタでは原理的に無制限である。
【0029】
１．微小球整列工程
図５に示すように、シリコーンゴム（厚さ２ｍｍ）からなる基体４の表面に、直径２．５μｍのシリカガラス製の微小体である微小球１０を単層で整列させる。この状態では、各微小球１０は互いに接触した状態にある。このような構造を得るためには、直径２．５μｍのシリカガラス製の微小体である微小球１０をエタノールに分散させ、これを基体４の表面に滴下して自然乾燥させ、一部多層となった微小球１０を任意の手段、例えば薬包紙で軽く擦る等の物理的手段で除去することにより、基体４上に微小球１０を単層で整列させればよい。
図５に示すように、シリコーンゴム（厚さ２ｍｍ）からなる基体４の表面に、直径２．５μｍのシリカガラス製の微小体である微小球１０を単層で整列させる。この状態では、各微小球１０は互いに接触した状態にある。このような構造を得るためには、直径２．５μｍのシリカガラス製の微小体である微小球１０をエタノールに分散させ、これを基体４の表面に滴下して自然乾燥させ、一部多層となった微小球１０を任意の手段、例えば薬包紙で軽く擦る等の物理的手段で除去することにより、基体４上に微小球１０を単層で整列させればよい。
【0030】
２．プレエッチングによる微小球の溶解工程
図６に示すように、単層整列させた微小球１０と微小球１０に隙間を設けるため、微小球１０の表面を一様に除去して微小球１０の直径を小さくする操作を行なう。その手法は任意であるが、例えば、微小球１０を単層整列させた試料を、濃度４６～４８％のＨＦ水溶液が入った密閉容器内の上部に固定し、図６中下向きの矢印で示すように、ＨＦガスの暴露によって微小球１０の表面を化学的に溶かし、直径が約２μｍになるまで化学エッチングする方法が採用できる。
図６に示すように、単層整列させた微小球１０と微小球１０に隙間を設けるため、微小球１０の表面を一様に除去して微小球１０の直径を小さくする操作を行なう。その手法は任意であるが、例えば、微小球１０を単層整列させた試料を、濃度４６～４８％のＨＦ水溶液が入った密閉容器内の上部に固定し、図６中下向きの矢印で示すように、ＨＦガスの暴露によって微小球１０の表面を化学的に溶かし、直径が約２μｍになるまで化学エッチングする方法が採用できる。
【0031】
３．プレレーザー照射による隆起部形成工程（微小球の接合工程）
図７中に下向きの矢印で示すように、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーを、単一パルスのフルエンス３０ｍＪ／ｃｍ2 、パルス繰り返し周波数１Ｈｚ、ショット数１００（照射時間１００ｓ）で照射する。各微小球１０の真下の基体４にレーザーが集光され、基体４のシリコーンゴムを構成する主鎖構造（Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ結合）が光化学的に開裂される。その結果、基体４のレーザー光が集光された部分は低分子量化され、体積膨張が起こり、隆起部１１が形成され始める。その際、基体４と微小球１０は弱く接合される。このため、この後の工程でレーザー照射した際に微小球１０が動いて隆起部１１から外れてしまうことはない。なお、この工程でレーザーは１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形状の範囲に一様に照射している。微小球１０と微小球１０の隙間では、レーザーは集光されないため、この部分で基体４が何らかの損傷を受けることはない。
図７中に下向きの矢印で示すように、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーを、単一パルスのフルエンス３０ｍＪ／ｃｍ2 、パルス繰り返し周波数１Ｈｚ、ショット数１００（照射時間１００ｓ）で照射する。各微小球１０の真下の基体４にレーザーが集光され、基体４のシリコーンゴムを構成する主鎖構造（Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ結合）が光化学的に開裂される。その結果、基体４のレーザー光が集光された部分は低分子量化され、体積膨張が起こり、隆起部１１が形成され始める。その際、基体４と微小球１０は弱く接合される。このため、この後の工程でレーザー照射した際に微小球１０が動いて隆起部１１から外れてしまうことはない。なお、この工程でレーザーは１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形状の範囲に一様に照射している。微小球１０と微小球１０の隙間では、レーザーは集光されないため、この部分で基体４が何らかの損傷を受けることはない。
【0032】
４．真空蒸着による電極形成工程
図８に示すように、試料を真空蒸着装置に入れ、各微小球１０の表面のうち、隣接する微小球１０と対向する両側面部の各位置に、図中下向きの矢印で示すように金属蒸着を行い、金属薄膜の電極１２を形成する。具体的には、微小球１０の上方に、作成しようとする電極１２のパターンが形成された適当な大きさの細かいメッシュマスクを置き、各微小球１０の前記各位置に、隣接する電極１２と電極１２が導通しないように、それぞれ電極１２を形成する。
図８に示すように、試料を真空蒸着装置に入れ、各微小球１０の表面のうち、隣接する微小球１０と対向する両側面部の各位置に、図中下向きの矢印で示すように金属蒸着を行い、金属薄膜の電極１２を形成する。具体的には、微小球１０の上方に、作成しようとする電極１２のパターンが形成された適当な大きさの細かいメッシュマスクを置き、各微小球１０の前記各位置に、隣接する電極１２と電極１２が導通しないように、それぞれ電極１２を形成する。
【0033】
５．レーザー照射による中空部形成工程
図９中に下向きの矢印で示すように、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーを、単一パルスのフルエンス３０～４０ｍＪ／ｃｍ2 、パルス繰り返し周波数１Ｈｚ、ショット数１８００（照射時間３０ｍｉｎ）で照射する。本工程により、隆起部１１はさらに成長して高さが最も大きくなり、隆起部１１の構造の内部にある低分子量のシリコーンは、レーザー照射によりさらに低分子量化して微小球１０の表面に沿って堆積していき、微小球１０の外形に沿ったカプセル状の中空部１３が形成される。
図９中に下向きの矢印で示すように、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーを、単一パルスのフルエンス３０～４０ｍＪ／ｃｍ2 、パルス繰り返し周波数１Ｈｚ、ショット数１８００（照射時間３０ｍｉｎ）で照射する。本工程により、隆起部１１はさらに成長して高さが最も大きくなり、隆起部１１の構造の内部にある低分子量のシリコーンは、レーザー照射によりさらに低分子量化して微小球１０の表面に沿って堆積していき、微小球１０の外形に沿ったカプセル状の中空部１３が形成される。
【0034】
６．エッチングによる微小球の除去（溶解）工程
図１０に示すように、レーザー照射後の試料を、濃度４６～４８％のＨＦ水溶液が入った密閉容器内の上部に固定し、図中下向きの矢印で示すように、ＨＦガスの暴露により微小球１０のみを化学エッチングにより除去する。本工程により、隆起部１１に支えられたカプセル状の中空部１３と、中空部１３の内面の両側部に電極１２が密着して残存した中空構造体１５が得られる。なお、本工程において、大気圧下でＨＦ水溶液を使用した場合には微小球１０の除去は困難であったが、前述の通り、ＨＦガスの化学エッチングによれば微小球１０を除去することができた。従って、微小球１０は、大気圧下で水が入り込めるようなサイズではないが、ガスが通過できる程度の孔を有する多孔質であると考えられる。このように、微小球１０のエッチングにはガスを利用することが好ましい。ガスであれば、中空部１３の多孔質の孔から内部に入り込んで微小球１０を溶解することができるからである。また、このＨＦガス暴露の際、中空部１３同士が並んで接近している部分では、内側に電極１２があるため、中空部１３の側面部同士がより接近し、接触する場合もあるため、中空部１３の膜厚がその部分だけ薄くなると考えられる。したがって、このＨＦガス暴露の際、微小球１０の除去と同時に、中空部１３の側面部に化学エッチングにより微小な穴があき、外から電極１２が見える状態になると考えられる。
図１０に示すように、レーザー照射後の試料を、濃度４６～４８％のＨＦ水溶液が入った密閉容器内の上部に固定し、図中下向きの矢印で示すように、ＨＦガスの暴露により微小球１０のみを化学エッチングにより除去する。本工程により、隆起部１１に支えられたカプセル状の中空部１３と、中空部１３の内面の両側部に電極１２が密着して残存した中空構造体１５が得られる。なお、本工程において、大気圧下でＨＦ水溶液を使用した場合には微小球１０の除去は困難であったが、前述の通り、ＨＦガスの化学エッチングによれば微小球１０を除去することができた。従って、微小球１０は、大気圧下で水が入り込めるようなサイズではないが、ガスが通過できる程度の孔を有する多孔質であると考えられる。このように、微小球１０のエッチングにはガスを利用することが好ましい。ガスであれば、中空部１３の多孔質の孔から内部に入り込んで微小球１０を溶解することができるからである。また、このＨＦガス暴露の際、中空部１３同士が並んで接近している部分では、内側に電極１２があるため、中空部１３の側面部同士がより接近し、接触する場合もあるため、中空部１３の膜厚がその部分だけ薄くなると考えられる。したがって、このＨＦガス暴露の際、微小球１０の除去と同時に、中空部１３の側面部に化学エッチングにより微小な穴があき、外から電極１２が見える状態になると考えられる。
【0035】
なお、中空部１３がシリコーンゴムから構成されていることはＸ線光電子分光分析より確認された。また、図９に示すように中空部１３に微小球１０が内包されているか、あるいは図１０に示すように化学エッチングにより微小球１０が中空部１３から除去されているか、については、Ｘ線光電子分光分析によるＳｉ２ｐピークのピーク位置により明確に区別できる。すなわち、微小球１０が内包されている場合には、１０３．５ｅＶ（シリカのピーク位置）および１０２．０ｅＶ（シリコーンのピーク位置）の両方のピークが認められ、微小球１０が除去されて中空部１３内が空洞のときには、１０２．０ｅＶのみのピークが検出される。
【0036】
７．電解液充填工程
図１１に示すように、シリコーンゴムの基体４の表面に電解液（イオン液体）１６を滴下し、真空チャンバー内で３０ｍｉｎ、真空状態を維持し、中空構造体１５の中空部１３内に電解液１６を浸透させ、充填する。前述した通り、中空部１３は多孔質であるため、真空下であれば電解液１６はその孔から浸透し、充填されるものと考えられる。
図１１に示すように、シリコーンゴムの基体４の表面に電解液（イオン液体）１６を滴下し、真空チャンバー内で３０ｍｉｎ、真空状態を維持し、中空構造体１５の中空部１３内に電解液１６を浸透させ、充填する。前述した通り、中空部１３は多孔質であるため、真空下であれば電解液１６はその孔から浸透し、充填されるものと考えられる。
【0037】
なお、図１２中に上向きの矢印で示すように、ＡｒＦエキシマレーザー照射後、シリコーンゴムの裏面から波長５２０ｎｍのフェムト秒レーザーを、出力３００～３５０ｍＷ、パルス繰り返し周波数２０ｋＨｚ、照射時間５～１０ｓで照射すると、中空部１３の天頂部に、多孔質の孔よりは大きいマイクロサイズの孔が生じるため、電解液１６はその孔を経てより容易に内部に浸透することができる。なお、この図１２の例の場合には、中空部１３の天頂部に大きめの孔が形成されるため、電解液１６に替えて固体の電解質を充填してもよい。なお、この工程でレーザーは１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形状の範囲に一様に照射している。微小球１０と微小球１０の隙間では、レーザーは集光されないため、この部分で基体４が何らかの損傷を受けることはない。
【0038】
８．接続部（微小導線）形成工程
図１３に示すように、レーザー３Ｄプリンタ（レーザーアディティブマニュファクチャリング）の技術を用いて、隣接する２つの中空部１３，１３において、対向する２つの側面の間隙に金属粉末を供給しながらレーザーで溶融させることで、隣接する２つの中空部１３，１３の対向する電極１２，１２を導通させる接続部１７を形成する。これで電気二重層キャパシタ５ｄの構造が完成する。なお、エッチングによる微小球１０の除去（溶解）工程（図１０参照）の後、接続部１７の形成工程（図１３参照）を行い、その後で、電解液１６の充填工程（図１１参照）を行なってもよい。
図１３に示すように、レーザー３Ｄプリンタ（レーザーアディティブマニュファクチャリング）の技術を用いて、隣接する２つの中空部１３，１３において、対向する２つの側面の間隙に金属粉末を供給しながらレーザーで溶融させることで、隣接する２つの中空部１３，１３の対向する電極１２，１２を導通させる接続部１７を形成する。これで電気二重層キャパシタ５ｄの構造が完成する。なお、エッチングによる微小球１０の除去（溶解）工程（図１０参照）の後、接続部１７の形成工程（図１３参照）を行い、その後で、電解液１６の充填工程（図１１参照）を行なってもよい。
【0039】
次に、以上の工程で形成された電気二重層キャパシタ５ｄを有する第５実施形態の電子装置１ｄについて、図１４を参照して説明する。
図１４に示す電子装置１ｄは、蓄エネルギー装置２ｄと図示しない電子素子３を備えている。蓄エネルギー装置２ｄは、基体４と、基体４の表面に設けられた環境発電素子８と、基体４の表面に設けられて環境発電素子８に接続された蓄エネルギー素子としての電気二重層キャパシタ５ｄを有している。環境発電素子８の構成は、図３に示した第３実施形態と同様である。図示しない電子素子３は、基体４の内部に設けられて電気二重層キャパシタ５ｄに接続されている。この電子装置１ｄは、電気二重層キャパシタ５ｄが形成された部分が、微細構造の撥水性表面６となっており、電気伝導性を有する液体Ｌに浸漬した場合、電気二重層キャパシタ５ｄを収容する気体領域Ａが基体４上に形成されるので、電気二重層キャパシタ５ｄを液体Ｌで濡らすことなく使用することができる。
図１４に示す電子装置１ｄは、蓄エネルギー装置２ｄと図示しない電子素子３を備えている。蓄エネルギー装置２ｄは、基体４と、基体４の表面に設けられた環境発電素子８と、基体４の表面に設けられて環境発電素子８に接続された蓄エネルギー素子としての電気二重層キャパシタ５ｄを有している。環境発電素子８の構成は、図３に示した第３実施形態と同様である。図示しない電子素子３は、基体４の内部に設けられて電気二重層キャパシタ５ｄに接続されている。この電子装置１ｄは、電気二重層キャパシタ５ｄが形成された部分が、微細構造の撥水性表面６となっており、電気伝導性を有する液体Ｌに浸漬した場合、電気二重層キャパシタ５ｄを収容する気体領域Ａが基体４上に形成されるので、電気二重層キャパシタ５ｄを液体Ｌで濡らすことなく使用することができる。
【0040】
第５実施形態の電子装置１ｄによれば、海水を代表とする電気伝導性を有する液体Ｌ中での環境発電ができるため、組み込まれた電子素子３（センサ及び通信素子）は、外部からの電源の供給や電池がなくても、液体Ｌ存在下において、安定して長期間にわたってリアルタイムで情報収集を行い、収集した情報を送信することができる。また気体領域Ａにある電気二重層キャパシタ５ｄにも蓄エネルギーができる。このような電子装置１ｄは、ＩｏＴデバイスとして非常に有用である。さらに、この電子装置１ｄにおいて電気二重層キャパシタ５ｄを実現した中空構造体（微細隆起構造）は、次の実施形態６において説明するように、広く電気電子工学分野におけるデバイス作製の基礎技術に適用可能であるため、その用途はあらゆる分野に敷衍することが可能である。
【0041】
次に、第６実施形態の中空構造体１５について説明する。
第６実施形態は、第５実施形態の基体４の表面に形成された中空構造体１５の微細構造と、これを製造する第５実施形態の方法を、他の用途に応用する例である。以下、第５実施形態の図５～図７、図９及び図１０と、これらの図に関する明細書の記載を援用し、さらに図１５を参照して第６実施形態を説明する。
第６実施形態は、第５実施形態の基体４の表面に形成された中空構造体１５の微細構造と、これを製造する第５実施形態の方法を、他の用途に応用する例である。以下、第５実施形態の図５～図７、図９及び図１０と、これらの図に関する明細書の記載を援用し、さらに図１５を参照して第６実施形態を説明する。
【0042】
図５～図７の工程は第５実施形態と同じである。
図７の工程の次に、第５実施形態では製造した電極１２を製造することなく、図９に示す工程を行なう。すなわち、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーを、第５実施形態と同一の条件で照射する。本工程により、隆起部１１はさらに成長して高さが最も大きくなり、隆起部１１の構造の内部にある低分子量のシリコーンゴムは、レーザー照射によりさらに低分子量化して微小球１０の表面に沿って堆積していき、微小球１０の外形に沿ったカプセル状の中空部１３が形成される。
図７の工程の次に、第５実施形態では製造した電極１２を製造することなく、図９に示す工程を行なう。すなわち、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーを、第５実施形態と同一の条件で照射する。本工程により、隆起部１１はさらに成長して高さが最も大きくなり、隆起部１１の構造の内部にある低分子量のシリコーンゴムは、レーザー照射によりさらに低分子量化して微小球１０の表面に沿って堆積していき、微小球１０の外形に沿ったカプセル状の中空部１３が形成される。
【0043】
図１０に示すように、レーザー照射後の試料を、濃度４６～４８％のＨＦ水溶液が入った密閉容器内の上部に固定し、ＨＦガスの暴露により微小球１０のみを化学エッチングにより除去する。本工程により、隆起部１１と、これに支えられたカプセル状の中空部１３を有する中空構造体１５が得られる。図９及び図１０には電極１２が示されているが、これは第５実施形態の構造の場合であり、第６実施形態の中空構造体１５は、図９及び図１０から電極１２を除外した構造となる。
【0044】
図１５は、第６実施形態の中空構造体１５の電子顕微鏡写真を示す。撮影機材は、Phenomworld 社の Proであり、撮影条件は、電子線の加速電圧１０ｋＶ、倍率は２００００倍である。図の写真中に、３μｍの縮尺を表すスケールを表示する。この写真から理解されるように、基体４の表面に、基体４の一部が隆起した直径約１．５μｍ、高さ約１μｍの隆起部１１と、隆起部１１に連続して形成された直径約２μｍの中空部１３とを有する中空構造体１５が、概ね一様なサイズで、約２．５μｍの間隔で並んで形成されている。この写真は、第５及び第６実施形態の製造工程の説明に用いた図では、図１０に相当する。但し、中空部１３の内面に電極１２は形成されていない。
【0045】
第６実施形態の中空構造体１５は、例えば「ドラッグデリバリーシステム」に好適に応用することができる。例えば、これら中空構造体１５の中空部１３に薬を内包させ、これを服用した患者の体内を中空構造体１５が移動し、所望の場所（患部）で所望の量の薬を放出させるように構成する。例えば、各中空部１３には、それぞれＡ薬、Ｂ薬、Ｃ薬、Ｄ薬など、種類の異なる薬を内包させておき、ある患部ではＡ薬とＣ薬を放出し、次の患部ではＢ薬とＣ薬を放出し、さらに次の患部ではＢ薬とＤ薬を放出し、各患部の病状に応じた薬効が得られるようにする。そのためには、第５実施形態で中空部１３の内部に電極１２を作り込んだ技術や、レーザー３Ｄプリンタの技術を用いて、それぞれの中空部１３に小さなポンプを設け、各ポンプが必要なタイミングで作動して必要な薬を対象となる患部に供給するように構成すればよい。
【0046】
第６実施形態の中空構造体１５を用いて潜熱蓄熱素子を構成することもできる。前記中空構造体１５の中空部１３に、パラフィン等の潜熱蓄熱材を封入すれば、固体のパラフィンが液体Ｌになるときに吸熱し、液体Ｌのパラフィンが固体になるときに放熱するマイクロカプセル状の潜熱蓄熱素子が得られる。このようなマイクロカプセル状の潜熱蓄熱素子を、ベッドのマットレス等の繊維製品にプリントして定着させれば、使用時の快適性が増大し、また建築材へ混入すれば省エネハウスの材料として使用できる。その他、種々の樹脂材料に混入することで多様な業種における省エネ材料として使用することができる。
【符号の説明】
【0047】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…電子装置
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ…蓄エネルギー装置
３…電子素子
４…基体
５…蓄エネルギー素子
５ａ，５ｂ…蓄エネルギー素子としての蓄電素子
５ｃ…蓄エネルギー素子としての蓄熱素子
５ｄ…蓄エネルギー素子としての電気二重層キャパシタ
６…撥水性表面
７…環境発電素子としての太陽電池
８…環境発電素子
９…電磁波吸収体
１０…微小体としての微小球
１１…隆起部
１２…電極
１３…中空部
１５…中空構造体
１６…電解液
１７…接続部
Ａ…気体領域
Ｌ…液体
Ｅ…電磁波
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ…蓄エネルギー装置
３…電子素子
４…基体
５…蓄エネルギー素子
５ａ，５ｂ…蓄エネルギー素子としての蓄電素子
５ｃ…蓄エネルギー素子としての蓄熱素子
５ｄ…蓄エネルギー素子としての電気二重層キャパシタ
６…撥水性表面
７…環境発電素子としての太陽電池
８…環境発電素子
９…電磁波吸収体
１０…微小体としての微小球
１１…隆起部
１２…電極
１３…中空部
１５…中空構造体
１６…電解液
１７…接続部
Ａ…気体領域
Ｌ…液体
Ｅ…電磁波
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
