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材料開発のトレンド 理工学概論II 理工学概論 II 材料機能工学科 より高効率に り高効率 新しいエネルギーを生み出す より小さく より大きく 新機能 より固く・強く・柔らかく 学問的には 学問的には、 これまで・・・ニュートン力学・電磁気学・熱力学が中心 今後・・・量子力学や相対性理論等20世紀に生 まれた学問が応用される 1 2 前回の講義：材料開発のトレンド 前回 講義 材料開発 ト ド 今日の講義内容 Green New Dealに材料技術はどのように貢献し ていくかを名城大学・理工学部・材料機能工学科 で取り組んでいる内容を紹介する（前回の続き） Green New Deal以外に取り組んでいる研究内容 に について紹介する て紹介する Green New Deal Barack Hussein Obama, Jr 衆 アメリカ合衆国 第44代大統領 3 4 重点的に取り組むべきエネルギー革新技術 経済産業省が選定しているCO 経済産業省が選定している CO2大幅削減を可能とする 大幅削減を可能とする『『21 21』』技術 Green New Deal Green 考え方！！ •エネルギー（電気）を作る効率を上げる •再生可能なエネルギーを利用する 再生可能なエネルギ を利用する •エネルギー（電気）を使う効率を上げる 材料技術が中核を担う技術 材料技術の寄与が必要な技術 重点的に取り組むべきエネルギー革新技術 経済産業省が選定しているCO 経済産業省が選定している CO2大幅削減を可能とする 大幅削減を可能とする『『21 21』』技術 電気を持ち運べる 電池について 電気を持ち運ぶ方法を考えるのは重要 充電できる電池について考える 材料技術が中核を担う技術 7 材料技術の寄与が必要な技術 何故、次世代自動車は電気を使う物が多いの か？ 電池の重要性 次世代自動車の候補 電気+モーター 電気+モーター +エンジン 主流は、 主流は 電気をうまく使う 燃料電池+ モーター ハイブリッドカー ガソリンエンジン グリーンディーゼル 水素自動車 グリーンディーゼル グリ ディ 電気モーター *エネルギー効率： *エネルギー効率： 20％未満 80％以上も可 *トルクが必要な時は低効率 トルクが必要な時は低効率 *加速時のみにエネルギー使用 加速時のみにエネルギ 使用 *常にエネルギー使用 *減速時はエネルギーを回収可 *減速時もエネルギー使用 燃料電池車 電気自動車 プラグイン ハイブリッドカー エネルギーの消費量は、電気モータを使った方が良い ギ ⇒省エネ化が可能 水素自動車 9 電池を使う応用例 10 電池の種類 電池の重要性 リチウムイオン電池 携帯電話 PC 携帯音楽プレーヤー 携帯音楽プレ ヤ ロボット ニッカド電池 鉛蓄電池 ニッケル水素電池 電池の種類 公称電圧 体積エネルギー密度 体積 ネルギ 密度 重量エネルギー密度 重量 ネルギ 密度 リチウムイオン 3.7V 520Wh/L 201Wh/kg ニッカド ッ 1.2V 110Wh/L 39Wh/kg g 鉛蓄電池 12V 82Wh/L 40Wh/kg ニッケル水素 1.2V 390Wh/L 100Wh/kg アルカリ乾電池 1.5V 109Wh/L 36Wh/kg デジカメ 11 12 自動車で使う で使うことを想定 とを想定 充電池への要求 ⇒ 充電池の課題 重量エネルギー密度が重要 201Wh/kg リチウムイオン電池の重量エネルギー密度： 電池の種類 公称電圧 体積エネルギー密度 重量エネルギー密度 リチウムイオン ウ 3.7V 520Wh/L 201Wh/kg ニッカド 1.2V 110Wh/L 39Wh/kg 鉛蓄電池 12V 82Wh/L 40Wh/k 40Wh/kg ニッケル水素 1.2V 390Wh/L 100Wh/kg アルカリ乾電池 1 5V 1.5V 109Wh/L 36Wh/kg 軽い 電気容量 その他 充電のスピードが速い ロスが発生しない 約 倍 約60倍 その差、 12,722Wh/kg ガソリンの重量エネルギー密度： 電気自動車を普及させるためには、 これを改善することが必要 13 電池の容量を増やすには？ 周期＼ 族 1 1 H 2 Li Be B C N O F Ne 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Se Br Kr 5 Rb Sr 6 Cs Ba 7 Fr Ra ｱｸﾁ ﾉｲﾄﾞ タ ランタ ノイド *La *Ce *Pr *Nd * *P m *S m *Eu *Gd *Tb *Dy *Ho *Er * *T m *Yb *Lu アクチ ノイド *Ac *Th *Pa *U *Np *Pu *A m *C m *Bk *Cf *Es *Fm *M d *No *Lr 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 水素を使う *Sc 18 He *Ti *V *Cr *Y *Zr *Nb ﾗﾝﾀ ﾉｲﾄﾞ *Hf *Ta 14 カーボンナノチューブ( カ ボンナノチ カーボンナノチューブ ブ(ホーン ブ( ホ ホーン) ン)を使った燃料電池 ン) を使 た燃料電池 NECのHPより カーボンナノチューブ *Mn *Fe *Co *Ni *Cu Zn Ga Ge As *Mo *Tc *Ru *Rh *Pd *Ag Cd In Sn Sb Te I Xe *W *Re *Os *Ir *Pt *Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn カーボンナノホーン 燃料電池は1300 Wh/kgが可能 http://www.jaie.gr.jp/z18_kubo.pdf 燃料電池は水素などの燃料と酸素などの酸化剤を供給し続ける ことで継続的に電力を取り出すことができる化学電池 15 16 カーボンナノチューブの期待 カ ボンナノチュ ブの期待 カーボン系材料の応用分野 カーボンナノチューブは、名城大学・理工学部・材料機能工学科の安藤先生が作 製してそれを飯島先生が発見した新材料です カーボンナノチューブ 飯島先生 軽くて硬いことを特長とした材料 安藤先生 様々な用途に活用可能 17 18 重点的に取り組むべきエネルギー革新技術 新材料カーボンナノチューブの性質 経済産業省が選定しているCO 経済産業省が選定している CO2大幅削減を可能とする 大幅削減を可能とする『『21 21』』技術 名城大学・理工学部・材料機能 工学科ではカーボンナノチューブ の製造に関するベンチャー企業、 様 な応 を 指 た 究など 様々な応用を目指した研究など を積極的に行っています ナノ空間（多孔性）を利用して，いろ いろなガスの吸蔵や燃料電池の電 極に応用できる 材料技術が中核を担う技術 http://app2.infoc.nedo.go.jp/kaisetsu/nan/na05/index.html 19 材料技術の寄与が必要な技術 なぜ次世代照明が重要なのか？ 家庭でどのようなエネルギーがたくさん使われているか？ 次世代高効率照明 その他 33% テレビ 10% エアコン 24% 家庭で使うエネルギーのうち16％が 家庭で使うエネルギ のうち16％が 照明関係 冷蔵庫 17% 照明 16% （1998年 総務省統計局統計センターホームページより） 21 既存照明の現状 22 次世代照明として期待されるLED 次世代照明として期待される LED 蛍光灯： 電力から光への変換効率 蛍 変換効率 ～60[lm/W] 白熱電球：電力から光への変換効率 ～20[lm/W] 蛍光灯 白熱電球 23 24 青色・白色LED、 青色・白色LED 、 Blu--ray Blu ray用短波長レーザ ray用短波長レ 用短波長レ 用短波長レーザ ザ （実用化デバイス） 窒化物半導体 応用分野 窒化物半導体の応用分野 実用化している窒化物半導体デバイス 実 白色LED 緑色LED 青色LED Akasaki et al. 1995 青色LED 青色 白色LED 白色 短波長レーザ 短波長 ザ 青紫色半導体レーザ pn接合（③p型伝導）、量子井戸、導波路 Akasaki et al. 1989 GaInN/GaN、AlGaN/GaN（②ヘテロ接合） GaN系FET Akasaki et al. 1988 応用分野 基盤技術 高品質GaN （①下地結晶） Akasaki et al. 1986 低温堆積 ッ ァ層 低温堆積バッファ層 信号機 携帯電話 Akasaki et al. 1986 LEDテレビ LED照明 本グループによる革新的基盤技術 本グ よる革新的基盤技術 ⇒ 青色 青色LED、短波長レーザ実現 、短波長 ザ実現 Blu-rayy disc 25 26 名城大学グループのこれまでの主な成果 1986 1989 989 1989 1989 1990 1995 1996 1998 1999 2000 2004 2006 2007 2008 2008 2010 2010 白を作るためには？ 高品質GaN系材料作製技術 （世界初） p型伝導の実現およびその制御技術の確立 （世界初）•青色・白色LED n型伝導性制御技術の確立 型伝導性制御技術の確立 （世界初） •青紫色レーザ 青紫色レ ザ pn接合青色LED （世界初） •FET 室温での誘導放出 （世界初） 等の基盤技術 電流注入誘導放出 （世界初） 内部電界 理論的解析 （世界初） 内部電界の理論的解析 高品質AlGaN結晶の実現 （世界初） ソーラーブラインド超高感度紫外線センサーの実現 （世界初） 非極性面の有用性の理論的解析 （世界初） 紫外半導体レーザ （世界最短波長） 低オン抵抗ノーマリーオフ電界効果トランジスタ（新原理） 超高感度紫外線電界効果トランジスタ（世界初） 紫外（340nm帯）LED （世界最高効率） 新原理白色LEDの実現 （新原理） GaInN系FET（世界最高性能） 窒化物太陽電池 （世界最高効率） 緑・青・赤を6：3：1で混ぜ合わせる 青と黄 を混ぜ合わせる 緑とピンク を混ぜ合わせる 赤と水色を混ぜ合わせる など組み合わせは多数 世界のGaN系III族窒化物半導体材料研究の 中心的な存在として確固な地位を構築 27 28 蛍光灯： 電力から光への変換効率 ～60[lm/W] 白熱電球：電力から光への変換効率 ～20[lm/W] 現在の白色LED 現在の白色 LEDの作製方法 の作製方法 理想的なLED照明が実現できれば200[l /W]が可能 理想的なLED照明が実現できれば200[lm/W]が可能 白色 黄 色 青 色 青 色 人類の使っているエネルギー の10％を削減可能 黄色蛍光体 青色LED 既存の白色LEDの原理図 29 30 LEDのその他の応用例 LED のその他の応用例 31 32 LEDの用途 LED の用途 日本の自給率：40％ 食料の自 自給率 携帯電話のバックライト 日本の食料自給率 信号機 液晶テレビ 年度 超大型ディスプレイ 農林水産省のHPより 照明 日本の農家の課題 33 生産性が低い 野菜工場に対する期待 35 36 LEDは食糧問題の救世主となるか？ LED は食糧問題の救世主となるか？ LEDを使った野菜工場 LED を使った野菜工場 低 温室 高 栄養価 養 蛍光灯 赤色LED＋青色LED 37 38 名城大学ではLED 名城大学では LEDセンター立ち上げ研究を推進中 LEDセンタ センタ センター立ち上げ研究を推進中 立ち上げ研究を推進中 Green New deal 以外で 材料技術が活躍する分野 AIXTRON Taiyo Nippon Sanso 500m2の3階建ての 研究施設を建設 39 40 紫外の応用：医療分野への応用 名古屋市立大学・森田教授のグループ 名古屋市立大学 森田教授のグル プ 京都大学・矢野教授のグループ との共同研究 抗がん剤 研究内容の紹介 名城大学 感光性分子修飾 シーズの創生 紫外LED 紫外LD 半導体技術 紫外LED/紫外レーザ 2 5m 2.5m シーズの実現 学内ベンチャ 学内ベンチャー シーズの応用 医療現場 光医療応用 光感光物質応用 UVA lamp system シーズの発展 名古屋市立大学:医学部 UV光 癌細胞 UV LEDチップ UV LD （２）皮膚炎治療器の小型化 41 高効率紫外発光素子の応用例 近視治療 その他、紫外光の応用分野 正常な目 レーシック レ シック レーザ加工機 工業製造に多数使用 業製造に多数使用 （年間で3000億円程度の市場) 近視の治療 (目の角膜をレーザで削って焦点を合わせる) (目の角膜をレ ザで削 て焦点を合わせる) 43 眼鏡 近視の目 42 高効率紫外発光素子の応用例 高効率紫外発光素子の応用例 近視治療 医療応用 UV light =254nm 254nm 炭疽菌 紫外光 10sec 30sec 60sec 紫外レーザ Steriilizing efficien ncy [%] Dr S Makino；Obihiro University of Dr. S. Makino； Agriculture and Veterinary Medicine 260nm Wavelength [nm] 紫外ＬＥＤ・ＬＤの医療応⽤ ⑰ 紫外発光素子 現在 抗がん剤 感光性分子修飾 水銀ランプ 2.5m 医療用UV照射装置 癌細胞 UV光 UV LD （１）光感応性医薬とUV LDによる （ ）光感応性医薬 よる ドラッグデリバリーシステム （DDS) のアイディア LEDチップ UVA lamp system UV LEDチップ エキシマ レ ザ レーザ （２）皮膚炎治療器の小型化 LD その他、紫外光の応用分野 紫外線の有用性 出力 100 200 感染症対策・医療衛生・光触媒（殺菌）励起 医療・感染症・環境保全 ～W ～100 mW ～10 mW UV-C DNA解析 分光分析 315nm コンパクト 単一波長励起 PCB 波長 315nm UV-B ポリ塩化ビフェニル 280nm 波長 [n nm] 320～340nm 軽量・長寿命・低副作用（皮膚癌）殺菌 殺菌 空気/水の清浄化 レーザナイフ 280 UV-B 320 UV-A UV-A DNA解析 化学分析 皮膚病治療 フォトリソグラフィ 280nm 400 UV-C 直接殺菌 化学物質の 分解・合成 蛋白質分解 400nm 可視光 200nm 260nm 赤外 可視光 環境負荷 ガス分解 分子ピンセット 従来の半導体技術 50 紫外発光素子の現状 本グループのアプローチ 100 200-250 nm 250-300 nm 300-350 nm 320 HAMAMATSU 340 Cree 350 Meijo Xerox 360 370 380 CW pulse Nichia 390 2002 2004 2006 2008 2010 本グル プ 本グループ 10 外部量 量子効率[%] 波長 波長 [[nm] ((nm) 330 詳細は研究室に入ってから説明します 基板の低転位化(LED,レーザ) 分極の活用(LED)⇒本グループ・オリジナル 分極の活用(LED) 本グ プ オリジナ 透明・高反射率電極の革新（LED） 1 0.1 電子線励起法による革新的電子・正孔対の形成 ⇒本グループ・オリジナル 年 0.01 紫外レーザの現状 2000 2002 2004 2006 2008 年 紫外LEDの現状 2010 51 52 その他、材料技術が活躍する分野 その他、材料技術が開発する分野 B-777以前 乗り物 機体はアルミ合金がメイン 人工骨・人工関節 B-787 カーボンファイバー複合材 燃費が20％向上 生体材料 OEIC (光集積回路)名城大学・理工学部・材料機能工学科には 名城大学・理工学部・材料機能工学科には 生体材料を専門としている先生もいます 光デバイスと集積回路を組み合わせる 将来は名城大学・理工学部・材料機能工学科の安藤先生が作製し飯 島先生が発見したカーボンナノチューブが使われるかも？？ OEICを研究している先生もいます その他、ロケット・鉄道・自動車・電化製品・家・化粧品など様々な分野に、 新素材が使われています 53 54 その他、材料技術が活躍する分野 その他、材料技術が開発する分野 次世代半導体による紫外発光素子 抗がん剤 感光材料 （端面発光レーザ） 名城大学・理工学部・材料機能工学科には 窒化物半導体面発光レーザの研究をしている 先生もいます フラーレン 名城大学・理工学部・材料機能工学科には 紫外半導体発光素子を専門としている先生 も ます 光 療は名古屋市立大学と共 もいます。光医療は名古屋市立大学と共同 研究を行っています。 （面発光レーザ） 癌細胞 紫外線半導体発光素子・光医療に 関する研究 UV光 UV LD UV LD （１）感光材料とUV LDによ るドラッグデリバリーシステ ム（DDS) のアイディア 55 56 その他、材料技術が活躍する分野 その他 材料技術が活躍する分野 最後に材料技術を勉強する人へ スピード社のHPより スポーツ関係 スポ ツ関係 F1.comより 1年生のうちに勉強しておきたいこと ハイテク水着 F1 摩擦やすべりを軽減する新素 材『PSCテクスチャー』採用の ハイテクボール サッカー アディダス社のHPより 57 材料技術を学ぶためには 58 結論 物理学・化学 数学をしっかり勉強しておきましょう！！ 微分・積分、三角関数、指数関数、対数関数、微分 方程式、線形代数学（行列）、テイラ 展開など基 方程式、線形代数学（行列）、テイラー展開など基 本的な数学は是非マスターしておいてください 59 産業・生活・環境など、世の中のあらゆる分野にお いて材料技術は非常に重要 新材料の開発は、世の中を変えるような大きな効 果があります 工学において材料技術を理解することは重要 名城大学・理工学部・材料機能工学科には、世界 的に著名な先生がおり 高い研究レベルに裏付け 的に著名な先生がおり、高い研究レベルに裏付け られた教育を行っています 60