無機固体化学の最前線ーセラミックスから半導体までー

野間竜男

目次

1. 無機固体、無機材料

2. 携帯電話と無機材料

3. 環境エネルギー問題解決に寄与する無機材料

4. 体の中の無機材料

5. まとめ

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1. 無機固体、無機材料

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無機固体(無機材料)とは• 金属でもなく有機物質（生体やプラスチックス）でもない材料のほとんどが無機材料

• 金属：不透明で金属光沢があり、電気を通す

• 有機物質：構造の骨格に炭素原子があるもの

• （無機材料：周期律表の単体または複数の元素の組み合わせからできるほとんどの物質）

代表的な無機材料：アルミナ、シリコン、ダイヤモンド、フェライト、セメント、粘土、サファイア

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身の周りのセラミックス

セラミックスとは

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陶磁器

衛生陶器

スパークプラグ

切削工具

排ガス処理用ハニカム

耐熱タイル

固体の構造

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液体

気体

固体

単結晶

約１兆分の50m

無機材料の一つ例えば、Al2O3（酸化アルミニウム）

微構造 1μm

アルミナセラミックス

サファイア

数cm？

単結晶

多結晶体(微細な単結晶の集合体)

同じ無機材料でもセラミックスになる場合と単結晶になる場合がある

半導体とは単結晶の無機材料で特殊な電気伝導性を示すもの：Si(ケイ素)、Ge(ゲルマニウム)、GaN(窒化ガリウム)など

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2.携帯電話と無機材料

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携帯電話：無機材料のかたまり

液晶電極(透明導電体)セ

発光ダイオード(半導体)単

ブザー(圧電体)セ

周波数フィルタ(圧電体)セ

スピーカー(圧電体)セ

水晶発振子(圧電体)単

トランジスタ、IC(半導体)単

Bluetooth、WiFi、GPS用チップアンテナ

(誘電体)セ

コンデンサ(誘電体)セ

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単：単結晶、セ：セラミックス

2-1 透明導電体：電極• 液晶ディスプレーの構造

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透明酸化物導電体

金属 ガラス

導電性不透明

絶縁体透明

導電性

透光性

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ITO(酸化インジウムスズ)In2O3+数%SnO2

電気抵抗が低い(0.0001 Ωcm)高い透明性(透過率95%以上)液晶ディスプレー電極に求められる微細加工が容易

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ITOの問題点

インジウム：レアメタルAmount of indium acceptable

mining in the world (t)

Canada, 700

U.S.A, 300

China, 280Russia, 200

Japan, 100

Peru, 100

Others, 820

Canada

U.S.A

China

Russia

Japan

Peru

Others

インジウム輸入価格の推移

ITOの代替候補：ZnO(酸化亜鉛)

インジウムの生産量(ｔ)

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2-2 圧電体

圧電効果(a)(と逆圧電効果(b))

カセットコンロの点火装置

• 水晶 SiO2

• チタン酸バリウムBaTiO3

• ジルコン酸チタン酸鉛Pb(ZrxTi1-x)O3 (PLZT)

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圧電スピーカー

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従来のスピーカー

1 cm

圧電効果の仕組み

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応用：超音波センサー

圧電素子

超音波

エコー 1 エコー 2 エコー 3

応答信号

信号処理装置

画像

入力信号

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医療用超音波エコー用プローブ

リニア型

コンベックス型セクター型

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ソナー(ハイドロフォン)

潜水艦のアクティブソナー

魚群探知機

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圧電体：その他の応用例

インクジェットプリンター

超音波洗浄機

時計用水晶発振子

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光歪効果光起電力効果(光エネルギー⇒電気エネルギー)

+逆圧電効果(電気エネルギー⇒力学エネルギー)

「光歪効果」

-0.10

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0 200 400 600 800 1000 1200

経過時間[msec]

歪率ε[%]

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傾斜機能化(RAINBOW化)RAINBOW(Reduced And Internally

Biased Oxide Wafer)

元還

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黒鉛の上で加熱する

起電力

(kV

/m)

起電力

(kV

/m)

歪

歪

2-3 半導体

• トランジスタ

• 発光ダイオード

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発光ダイオード、レーザーダイオードの応用：ブルーレイ

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CD, DVD, Blu-ray ディスク

読み取り波長

(nm)

容量(GB/La

yer)

トラック間隔

(μm)

Blu-ray 405 25 0.32

DVD 650 4.7 0.74

CD 780 0.7 1.6

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Blu-ray実現の要因

• 窒化ガリウム(GaN)単結晶合成の成功

自然界には存在しない、完全に人工の無機材料：安定なレーザー光(405nm)を発生できる

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3. 環境エネルギー問題解決に寄与する無機材料

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環境を浄化する無機材料：酸化チタン （TiO2）

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汚染ガス、バクテリア

Before

After

Before

After

Building Exterior UV Protection

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クリーンエネルギー用無機材料：燃料電池用固体電解質

燃料電池の仕組 従来の発電(例：火力発電)

化学エネルギー→熱エネルギー→力学エネルギー→電気エネルギー

燃料電池による発電化学エネルギー→電気エネルギー：高効率

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イットリウム添加酸化ジルコニウム(Y2O3-ZrO2)

燃料電池

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家庭用燃料電池

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4. 体の中の無機材料

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人間の骨(組織)

人間の骨の断面

緻密質

海綿質

骨質

骨質血管

人間の骨：複合材料＝有機物(コラーゲン)＋無機物(水酸アパタイト)

500μm

人間の骨(成長の仕組み)

骨芽細胞6w 4m

インプラント生体材料の開発(臨床からの強いニーズ)

生体中性 生体活性生体許容毒性

頻度

生体親和性 高い低い

インプラントセラミックスバイオメタル

(バイオテクノロージーセラミックス)

組織の大きさニーズと開発(中)材料

人工骨の歴史

ステンレス、チタン(＋)高強度(－)低生体親和性 サンゴ

(＋)高生体親和性(－)低強度

インプラントセラミックスの開発

インプラントセラミックス(人工骨・歯根用)

水酸アパタイト(ハイドロキシアパタイト HAp)： Ca10(PO4)6(OH)2

Bioglass: Na2O-CaO-SiO2-P2O5

β-リン酸三カルシウム(β-TCP): 3CaO･P2O5

・・・・・・・その中で、特に注目されているのがHAp(理由：人間の主成分)

用途•人工骨•人工歯根（インプラント）•歯科用研磨剤•充填剤

•歯磨き剤（歯のエナメル質を修復・再石灰化し，歯垢を選択的に吸着除去）

•化粧品（皮質の古い細胞を吸着除去し，表面下の細胞活性を促進して素肌の再生力を高める）•食品添加剤（高カルシウム吸収性）•クロマトグラフィー用(高いタンパク質の吸着特性)•触媒用(エタノールのガソリンに転化)

生体組織と強い結合

HAｐ製インプラント人工骨 人工骨の多孔構造

高生体親和性インプラントセラミックスのメカニズム

(i)インプラント骨の表面かららCaとPが体液中に溶け、CaとPイオン濃度が増大する

(ii)イオン濃度上昇により骨芽細胞が活性化し、天然骨の形成を開始する

(iii) さらに破骨細胞～骨芽細胞による育成サイクルを経てインプラント骨は最終的には天然骨に置換する

ポイント：骨芽細胞の定着を図るため、インプラント骨に数10μmの孔構造を作っておく

HAp

天然骨

術例

13歳女子の腓骨(脹脛側の細い骨)

歯科インプラント

頭骸骨

セラミック人工骨の問題点：「硬すぎる」＆ 「脆い」

「硬すぎる」：加工がしにくい。製造プロセスが制限される。→値段が高い、臨床での利用が限られる

「脆い」：動的な力に弱い→インプラント手術に成功しても、天然骨への転換が始めるまで、運動ができない

天然骨の組織を復習

(複合材料→強さとしなやかさ)

有機材料（繊維）－HAp複合材料の合成

一般的なHApセラミックスの合成法

• HAｐ粉末(数100nm)→目的とする複雑な形状に成形→焼成(1050～1300℃)

炭素繊維／HAp複合材料ならばできるが・・・

普通の有機材料(繊維)特にコラーゲンでは不可能

そこで、出てきたのが、バイオミメティックプロセス

バイオミメティックプロセス：生体・生物の持つ特異な構造や機能、貝殻や歯・骨が形成されるプロセスを手本にした省エネルギーでかつ環

境負荷の低いモノ作りプロセス

ホタテ貝の微構造

炭酸カルシウム結晶の育成

人工骨のバイオミメティックプロセス

SBF：擬似体液

温度：37℃

その他の人工骨の問題点

天然骨：弾性定数が低い(柔らかい)

人工骨：弾性定数が高い(硬い)

直列に接合した場合の曲げモーメントに対する変形

天然骨のみなら、一様な変形

接合した骨だと、天然骨が極度に変形→繰り返し疲労で破壊しやすくなる

力 力

5. まとめ

もっと詳しく知りたい方への参考文献：「セラミック化学」(社)日本セラミックス協会、「セラミック工学ハンドブック」技報堂出版(株)

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