超音波ノズル

超音波ノズルは、ノズルの先端に作用する圧電トランスデューサーによって生成される高周波振動を使用して液膜に毛細管波を生成するスプレーノズルの一種です。毛細管波の振幅が臨界高さに達すると（ジェネレーターによって供給される電力レベルによる）、毛細管波は高くなりすぎて支えられなくなり、各波の先端から小さな液滴が落ちて霧化します。^[1]

生成される初期の液滴サイズに影響を与える主な要因は、振動の周波数、表面張力、液体の粘度です。周波数は一般的に20～180kHzの範囲で、人間の可聴範囲を超えており、最も高い周波数では液滴サイズが最小になります。^[2]

1962年、ロバート・ラング博士がこの研究を継続し、本質的には、彼の霧化液滴サイズとレイリーの液体波長との相関関係を証明しました。^{[1]超音波ノズルは}、ハーベイ・L・バーガー博士によって初めて商品化されました。US A 3861852、「改良型超音波噴霧器を備えた燃料バーナー」は、1975年1月21日に発行され、ハーベイ・バーガーに譲渡されました 。

この技術のその後の用途としては、採血管のコーティング、プリント基板へのフラックスの噴霧、埋め込み型薬剤溶出ステントやバルーン/カテーテルのコーティング、フロートガラス製造コーティング、^[3]食品への抗菌コーティング、^[4]精密半導体コーティング、太陽電池や燃料電池製造用の代替エネルギーコーティングなどがあります。

シロリムス（ラパマイシンとも呼ばれる）やパクリタキセルなどの医薬品は、薬剤溶出ステント（DES）や薬剤コーティングバルーン（DCB）の表面にコーティングされています。これらのデバイスは、コーティングをほとんどまたはまったく損失なく塗布できる超音波スプレーノズルの恩恵を大いに受けています。DESやDCBなどの医療機器はサイズが小さいため、非常に狭いスプレーパターン、低速の霧化スプレー、低圧空気を必要とします。^[5]

研究により、超音波ノズルはプロトン交換膜燃料電池の製造に効果的に使用できることがわかっています。通常使用されるインクはプラチナ-カーボン懸濁液で、プラチナはセル内で触媒として機能します。プロトン交換膜に触媒を塗布する従来の方法は、通常、スクリーン印刷またはドクターブレードを使用します。ただし、これらの方法では、触媒が凝集体を形成する傾向があるため、セル内のガスの流れが不均一になり、触媒が完全に露出されず、溶媒またはキャリア液体が膜に吸収されるリスクがあり、どちらもプロトン交換効率を低下させるため、望ましくないセル性能が発生する可能性があります。^[6]超音波ノズルを使用すると、小さく均一な液滴サイズの性質、液滴の移動距離の変化、および基板に低熱を加えて液滴が基板に到達する前に空気中で乾燥するようにすることで、スプレーを必要に応じて乾燥させることができます。プロセスエンジニアは、他のテクノロジーとは対照的に、これらのタイプの変数をより細かく制御できます。さらに、超音波ノズルは噴霧の直前と噴霧中に懸濁液にエネルギーを与えるため、懸濁液中の凝集体が分解され、触媒が均一に分散され、触媒の効率が向上し、ひいては燃料電池の効率も向上します。^{[7] [8]}

超音波スプレーノズル技術は、透明導電膜（TCF）の形成において、インジウムスズ酸化物（ITO）のフィルムを作成するために使用されています。 ^[9] ITOは優れた透明性と低いシート抵抗を備えていますが、希少な材料であり、ひび割れが発生しやすいため、新しいフレキシブルTCFの候補にはなりません。一方、グラフェンはフレキシブルフィルムにすることができ、導電性が非常に高く、透明性も高いです。Agナノワイヤ（AgNW）はグラフェンと組み合わせると、ITOに代わる有望な優れたTCFの代替品になると報告されています。^[10] これまでの研究では、大面積TCFには適さないスピンコーティング法とバーコーティング法に焦点を当てています。グラフェン酸化物の超音波スプレーとAgNWの従来のスプレーを使用した多段階プロセスに続いてヒドラジン蒸気還元を行い、続いてポリメチルメタクリレート（PMMA）トップコートを塗布することで、大きなサイズに拡大できる剥離可能なTCFができました。^[11]

CNT薄膜は、タッチパネルディスプレイやその他のガラス基板用の透明導電膜（TCO層）^[12]や有機太陽電池の活性層^{[13]の代替材料として使用されています。}

マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEM）^[14]は、電気部品と機械部品を組み合わせた小型の微細加工デバイスです。デバイスのサイズは1ミクロン未満から数ミリメートルまでさまざまで、個別に、またはアレイで機能して、マイクロスケールで機械プロセスを感知、制御、および起動します。例としては、圧力センサー、加速度計、マイクロエンジンなどがあります。MEMの製造には、Siウェーハ上にフォトレジストの均一な層を堆積させる作業が含まれます^{[15] 。フォトレジストは、従来、スピンコーティング技術を使用してIC製造のウェーハに塗布されてきました。 [16]}アスペクト比の高いエッチング領域を持つ複雑なMEMデバイスでは、余分な液体を除去するために必要な高速回転のため、スピンコーティング技術を使用して深い溝やトレンチの上部、側壁、底部に沿って均一に塗布することが困難な場合があります。超音波スプレー技術は、高アスペクト比のMEMデバイスにフォトレジストの均一なコーティングをスプレーするために使用されます。これにより、フォトレジストの使用量とオーバースプレーを最小限に抑えることができます。^[17]

超音波ノズルは目詰まりしない性質があり、ノズルから出る液滴のサイズは小さく均一で、スプレーの噴流は厳密に制御されたエア成形装置で成形できるため、ウェーブはんだ付け工程で非常に効果的です。市販されているフラックスのほとんどすべての粘度は、この技術の性能に十分適合しています。はんだ付けでは、「無洗浄」フラックスが極めて好まれます。しかし、過剰に塗布すると、回路アセンブリの底に腐食性の残留物が発生します。^[18]

太陽光発電と色素増感型太陽電池技術は、どちらも製造工程で液体やコーティング剤を塗布する必要がある。これらの物質のほとんどは非常に高価なため、超音波ノズルを使用することで、スプレーしすぎや品質管理による損失を最小限に抑えることができる。従来はバッチ式の塩化ホスホリル法またはPOCl _{3法を使用して行われてきた}太陽電池の製造コストを削減する取り組みにおいて、超音波ノズルを使用して薄い水性フィルムをシリコンウェーハ上に塗布することが、均一な表面抵抗を持つN型層を作成するための拡散プロセスとして効果的に使用できることが示された。^[19]

超音波噴霧熱分解法は、薄膜またはナノ粒子の形でさまざまな材料を形成する際に利用される化学蒸着（CVD）法です。前駆体材料はゾルゲル法で製造されることが多く、例としては水性硝酸銀の形成、^[20]ジルコニア粒子の合成、^[21]固体酸化物燃料電池SOFCカソードの製造などがあります。^[22]

超音波ノズルから生成された霧化スプレーは、通常 300～400 ℃ に加熱された基質にさらされます。^[23] スプレーチャンバーの温度が高いため、取り外し可能な先端 (先端はラベル #2 の渦流エアーシュラウドの下に隠れています) ^{[引用が必要]などの超音波ノズルの延長部 (写真の「高温超音波ノズル」のラベルが貼られています) [引用が必要]は、温度に敏感な}圧電素子を含む超音波ノズルの本体 (ラベル #1) ^{[引用が必要]}を保護しながら高温にさらされるように設計されており、通常はスプレーチャンバーの外側か他の隔離手段によって保護されています。^[24]

Berger, Harvey L. 超音波液体霧化: 理論と応用。第 2 版。ハイド パーク: Partrige Hill、2006 年。1-177 ページ。

ルフェーブル、アーサー、霧化とスプレー、ヘミスフィア、1989年、ISBN 0-89116-603-3 

• 超音波ノズルの仕組みのさらなる説明