高機能・ライフサイエンス・原料・素材

東京大学ら　ポリマー半導体への分子ドーピングが制御可能に

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2020年12月14日

　東京大学、産業技術総合研究所（産総研）、広島大学などによる共同研究グループは、世界で初めてポリマー半導体の立体障害と分子ドーピングの相関を明らかにし、ポリマー半導体の「隙間」サイズを制御することでドーピング量を100倍向上させることに成功した。

　半導体の結晶中に不純物（ドーパント）を添加することで、半導体中の電子数やエネルギーを精密に制御できる。　シリコン半導体のドーピングは、シリコン原子を別の原子に置換して行うが、ポリマー半導体のドーピングはユニークな形・サイズのポリマー分子とドーパント分子を複合化する必要があり、複雑な立体障害を制御する必要がある。

　同グループは結晶性ポリマー半導体へのドーピングに着目し、結晶性ポリマー半導体1ユニット当たり1ドーパント分子を高密度に複合化する技術を開発したが、ドーピング効果を最大化する分子設計指針は明らかではなかった。

　今回、結晶性ポリマー半導体のナノスケールの「隙間」に着目し、立体障害と分子ドーピングの相関を系統的に調査した結果、電気を流す骨格に周期的に付いた側鎖の密度を精密に制御し、隙間を適切に拡張することで、分子ドーピング量を100倍程度増加させることに成功。隙間を拡張した結晶性ポリマー半導体は従来の3倍程度の体積のドーパント分子を複合化でき、ほぼ最密充填された分子複合体を作製することにも成功した。

　結晶性ポリマー半導体の隙間とドーパント分子サイズの関係が明らかとなり、これまでにない様々な分子複合体材料の設計指針が明確になった。また、最密充填した分子複合体は金属のように電気が流れやすく、熱耐久性や環境耐久性も向上することが分ってきた。今後、異なる分子の複合化という単純な化学操作による革新的な電子・イオン材料の創製が期待される。

BASF　PPAが45kW燃料電池の複数の部品に採用

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2020年12月14日

　　BASFはこのほど、ポリフタルアミド（PPA）「Ultramid Advanced N3HG6」が高馬力ゼロエミッションエンジンを製造するNuvera Fuel Cells社（ヌベラ、米国マサチューセッツ州）の最新世代の45kW（E-45）燃料電池エンジンの複数部品の素材として採用されたと発表した。同エンジンは、今後3年かけて中国の路線バスや配達用車両に導入される予定。

　マニホールドやサーモスタット用筐体、逆止め弁、エジェクター、エキゾーストパイプなどの部品は、様々な温度帯で安定した材料特性が必要。「Ultramid Advanced N3HG6」は高い熱耐性、薬品耐性と優れた機械特性に加え、衝撃強度や寸法安定性が高く、長期性能も安定している。部品によっては冷却水や空気、水素の流れにより様々な媒剤にさらされるが、ポリアミド9T（PA9T）ベースのPPA化合物は優れた薬品耐性と、反応しやすい燃料電池や電気部品用途での純度要件も満たす。

　E-45燃料電池エンジンのアルミダイカスト部品や高温ホースを高性能プラスチックに置き換え、性能と安全性を維持しつつ生産規模拡大のために軽量化するという課題に対し、優れた剛性と強度、高い強靭性、優れた摩耗挙動でエンジン部品の安全性と高品質を実現する。冷却剤用途向けの広範な試験で、エチレングリコール・水・水素混合液/105℃/1万~2万時間の継続使用に耐えることを確認。低燃料・気体透過性、低揮発性により、エンジンシステムの腐食やファウリングを防ぐ。また、BASFの専門知識と独自のシミュレーションツール「Ultrasim」によるデザイン最適化サービスや、適切な材料提供により開発を早め、低単価と予定通りの市場投入を実現した。

　「Ultramid Advanced」には異なる樹脂（PA9T、PA6T/6I、PAT6T/66、PA6T/6）、難燃剤の有無、様々な熱安定剤、無着色からレーザーマーキング可能な黒色といった色味、短・長繊維ガラスや炭素繊維強化材など、射出成形や押出成形用に50以上の配合グレードがある。自動車産業や電気電子産業、機械工学、消費財など多様な分野で、軽量・高性能な次世代プラスチック部品の可能性を広げる。

 

ENEOS　再エネ活用型CO2フリー水素の実証を開始

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2020年12月14日

　ENEOSはこのほど、北九州パワー、北九州市、福岡県、IHI、福岡酸素とともに、北九州市で地域の再生可能エネルギーを有効活用したCO2フリー水素製造・供給実証事業を環境省からの委託を受けて実施すると発表した。複数の再エネを同時に制御可能な「水電解活用型エネルギーマネジメントシステム」を実装する国内初の実証となる。2022年度までの3カ年で実施。初年度の事業費は約2億円、3年間で総額8億円を予定する。

　地域の余剰再エネを活用した低コストのCO2フリー水素を製造・供給・利用するモデルを構築することで、水素の社会実装と電力の需給調整の両面に貢献することを目指す。具体的には、太陽光や風力、ごみ発電（バイオマス）など多様な再エネ電源の中から、エネルギーマネジメントシステム（EMS）によって余剰な電力を選択的に調達することで、低コストのCO2フリー水素を製造。このCO2フリー水素は、福岡県内各地に輸送し、水素ステーションや燃料電池フォークリフトのある物流施設、北九州水素タウンのパイプラインなどで利用していく。

　ENEOSは、同社八幡東田水素ステーションでのCO2フリー水素の活用に加え、北九州水素タウン内の実証住宅などにつながる水素パイプラインへのCO2フリー水素供給を担当する。また、同事業と併せて、事業関係者と連携し、水電解装置と水素ステーションを組み合わせた将来的な地産地消型水素サプライチェーンの事業性評価の実施を予定。

　同社は、水素ステーション事業などでの知見を生かし、水素製造・輸送のコスト試算や水電解活用型EMSの最適化検討などを行う考えだ。九州地域では、再エネの普及が進む一方で、電力の需給バランスを維持するため、再エネの一時的な発電停止を求める出力制御が発生しており、電力の需給調整が課題となっている。電力の需給ギャップを埋める手段の1つとして、余剰電力を活用し、水の電気分解によって水素ガスを作るPower to Gas（P2G）が注目されている。

北九州市での地域の再エネを有効活用したCO2フリー水素製造・供給実証事業
北九州市での地域の再エネを有効活用したCO2フリー水素製造・供給実証事業

昭和電工マテリアルズ　半導体材料を台湾で増強、韓国では新設

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2020年12月14日

　昭和電工マテリアルズはこのほど、台湾子会社（SDSMT）で半導体回路平坦化用研磨材料（CMPスラリー）、プリント配線板用積層材料（プリプレグ）および感光性ソルダーレジストの生産能力を増強するとともに、韓国子会社（SDMKR）にCMPスラリーの工場を新設すると発表した。総投資額は約200億円。SDSMTでは、CMPスラリーを2022年1月に、プリプレグと感光性ソルダーレジストを2023年1月に、それぞれ量産を開始し、SDMKRの新工場は来年10月に稼働する予定だ。

CMPスラリー
CMPスラリー

　近年、5Gの実用化や、自動車産業ではCASE分野での技術革新が進み、半導体市場は年率5％超の高成長が期待されている。同社のセリア系スラリーは、独自の砥粒技術により、研磨傷の低減を実現できる点が評価されており、SDSMTの能力増強とSDMKRでの工場新設に計110億円を投資し製品供給体制を強化する。

プリント配線板用高機能積層材料（プリプレグ）
プリント配線板用高機能積層材料（プリプレグ）

　プリプレグについては、SDSMTで今年5月に工場を新設したが、さらなる需要に対応するため生産能力を増強。さらに感光性ソルダーレジストについても、これまで日本国内でのみ生産していたが、今回SDSMTへ液状ソルダーレジスト（LSR）およびフィルム状ソルダーレジスト（DFSR）の生産設備を新たに導入する。

感光性ソルダーレジスト
感光性ソルダーレジスト

　SDSMTでは、これら3製品の生産能力を増強することで、中華圏や東南アジア圏、韓国などの顧客へ、よりタイムリーに製品供給できるとともに、他の生産拠点で緊急事態が発生した際でも、台湾から世界の顧客へ製品提供が可能になる。

　同社は、5GやAI、CASE分野での技術革新に貢献する製品の供給体制を強化することで、情報通信分野で、半導体市場の伸びを上回る成長を目指す。また、今後も昭和電工グループの一員として、引き続き多様な材料の提供と、素材設計から機能評価までの包括的ソリューションの提案によって高度な顧客ニーズに応えるワンストップ型の先端材料パートナーを目指していく。

出光興産　徳山事業所に高効率ナフサ分解炉を新設

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2020年12月14日

　出光興産は11日、徳山事業所（山口県周南市）に高効率ナフサ分解炉を新設したと発表した。今後、試運転期間を経て、来年2月に商業運転を開始する。

新設したナフサ分解炉
新設したナフサ分解炉

　高効率ナフサ分解炉は、原料であるナフサを短時間で熱分解することでエチレンの得率を高め、熱効率を向上させる。これにより、従来の分解炉と比較し約30％の省エネルギー効果が発揮でき、年間約1万6000tのCO2削減に寄与する。ナフサは粗製ガソリンとも呼ばれる石油製品の1つで、分解炉を経由し熱分解することで、エチレンやプロピレンなどの石化製品の基礎原料となる。

　同事業所ではエチレン製造装置により年間約62万tのエチレンを生産し、主に周南コンビナートに供給している。こうした中、エチレン製造装置内にある旧型のナフサ分解炉2基を停止し高効率ナフサ分解炉1基を新設した。

　なお、今回の件は工場の省エネルギー化を支援する経済産業省の「省エネルギー投資促進に向けた支援補助金」を活用している。今後も、省エネルギー推進により事業活動に伴う環境負荷の低減に努めるとともに、地球環境と経済が調和した地域社会形成への貢献を目指す。

積水化学工業　電子機器向けUV＋湿気硬化型接着剤開発

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2020年12月14日

初期の接着力を向上、保圧保持工程を大幅に短縮

　積水化学工業は11日、高機能プラスチックスカンパニーが、今年3月に上市した電子機器の組み立て工程に使用するUV＋湿気硬化型接着剤「フォトレックB」の性能を改良したと発表した。すでに一部スマートフォンメーカーに採用されており、今後、各メーカーへの提案活動を強化することで、2022年度までにスマートフォン部品接合用接着剤のシェア15％獲得を目指す。また、海外をメインにウェアラブルや大型テレビといった他デバイスへの展開も視野に入れていく考えだ。

　同日、オンラインによる説明会を開催した。スマートフォンの外装部（筐体とカバーパネル）の接合には、両面テープと接着剤の2種類がほぼ半分ずつを占めている。接着剤では主にポリウレタン系のPURホットメルトが使用されているが、液ダレ処理や保圧治具固定、養生・固定化といった工程必要となり、生産工程の効率化が課題となっていた。

　こうした中、同社は今年3月にUV＋湿気硬化型接着剤「フォトレックB」を上市。UV照射で接着力を維持したまま形状を保持することで液ダレが起こらず、また0.4mm幅も対応可能となっており、スマートフォンのトレンドである狭額縁にも適用できる。また、完全硬化後も一定の柔軟性を保っていることから、落下時の衝撃を吸収でき、各部品の破損防止にも貢献する。こうした特長から、顧客からは高い評価を得ていた。

　今回、さらなる性能向上ニーズに対応。原料配合設計の工夫でUV硬化後の初期接着力をさらに改善し、塗布、UV照射後に発現する接着力を短時間化した。これにより、接合部材を貼り合わせしたときの保圧や保持に必要とする時間、治具を短縮・削減することで、従来の10分の1程度まで生産工程の効率化を実現。電子機器の組み立て工程では工場のスマート化が進んでいることから、工程の自動化、少人化に貢献する「フォトレックB」の採用拡大が期待される。なお現在、狭額縁用接着剤の市場（2019年）は71t程度と見られるが、今後は年率10％以上の成長が予測されている。

　同社は中華系スマートフォンメーカーを中心に拡販を図り、2022年に市場シェア15％、さらに数年後にはシェアトップを目指していく考えだ。

フォトレックＢのスマートフォンにおける使用部位のイメージ
フォトレックＢのスマートフォンにおける使用部位のイメージ

フォトレックＢの塗布後の接着力の変化
フォトレックＢの塗布後の接着力の変化

 

NEDO　発電とCO2回収を一体化、コスト低減を図る

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2020年12月11日

　新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）はこのほど、発電とCO2分離・回収プロセスを一体化したシステムの研究開発として、「多様な燃料を利用するCO2回収型ポリジェネレーションシステム基盤技術開発」と、「CO2分離・回収型ポリジェネレーションシステム技術開発」の2件のテーマを採択した。

　発電システムに燃料をガス化するプロセスを統合し、CO2の分離・回収までを一体化することでエネルギー効率を向上させ、CO2の分離・回収コストの低減に取り組む。併せて、発電燃料には石炭やバイオマス、炭素系廃棄物（廃プラスチックなど）を利用し、水素や化学品といった有価物を併産するポリジェネレーションシステムの構築にも取り組む。これにより、システムの経済性を高めてCO2分離・回収コストの低減につなげるだけでなく、中小規模発電を含めた実用化・事業化も視野に入れることができる。

　一方、出力が安定しない太陽光や風力のような再生可能エネルギーの活用を増やすには、需要と供給の不均衡を防ぐ電力需給調整が重要となる。このため同事業では、電力需給調整力をポリジェネレーションシステムに包括することも検討する。同事業によりCO2分離・回収コストを現状のCO2 1t当たり4000円程度から1000円台にまで低減する発電技術の確立を目指す。そして、将来のカーボンリサイクル技術の実用化につなげていくことで脱炭素社会の実現に貢献する。

　なお、今回の事業名は「カーボンリサイクル・次世代火力発電等技術開発/次世代火力発電基盤技術開発／CO2分離・回収型ポリジェネレーションシステム技術開発」。期間は2020~2024年度で、全体予算は30億円程度となる。

本事業で研究開発するポリジェネレーションシステムのイメージ
本事業で研究開発するポリジェネレーションシステムのイメージ

BASF　PESU樹脂がコーヒーマシンピストンに採用

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2020年12月11日

　BASFはこのほど、ポリエーテルスルホン（PESU）「Ultrason（ウルトラゾーン）E 3010 MR」がデロンギ社（イタリア）の新型コーヒーマシン「マグニフィカS ECAM 22」の抽出ユニットの上部ピストンに採用されたと発表した。

　「ウルトラゾーンE 3010 MR」は180℃までの耐熱性・耐蒸気性と機械的特性、長時間の温度変化に対する寸法安定性に優れ、食品との接触、安全性、加工性と組み立てに関するデロンギ社の厳しい要件を満たした。有害物質を含まず温度に影響されない機械的特性で、コーヒーマシン用のポリエーテルイミド（PEI）などの素材にまさる。

　ピストンはマシンの耐用年数期間中、コーヒー抽出中の高圧・高温蒸気に曝される。「ウルトラゾーンE 3010 MR」はISO規格試験で、134℃の加熱蒸気滅菌を2000回繰り返した後も、機械的特性を維持し、ストレスクラッキングに対する高い耐性も実証された。射出成形グレードは複雑な部品の成形性に特化。BASFのシミュレーションツール「Ultrasim（ウルトラシム）」の金型流動解析により最適な金型を開発し、上部ピストンのような薄肉で長く繊細なねじ部分をもつ複雑な形状の部品を製造できる。流動長の長い製品もボイド無しで充填でき、卓越した機械的特性により、ピストンを抽出ユニットにねじで取り付けられる。

　「ウルトラゾーン」は、PESUの「ウルトラゾーンE」、ポリスルホンの「ウルトラゾーンS」、ポリフェニルスルホンの「ウルトラゾーンP」などスルホン系樹脂製品群の登録商標。電子機器、自動車、航空宇宙産業にとどまらず、ろ過用メンブレンや、温水や食品と接する部品にも使用されている。優れた特性により、熱硬化性樹脂、金属、セラミックの代替として利用することもできるとしている。

 

昭和電工　SiCエピウェハーが燃料電池車向けに採用

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2020年12月11日

　昭和電工は10日、同社のパワー半導体材料であるSiC（シリコンカーバイド）エピタキシャルウェハーの6インチ（150mm）品が、デンソー製の燃料電池自動車向け次期型昇圧用パワーモジュールに採用されたと発表した。

　同社のSiCエピウェハーは2009年の上市以来、その高い品質によりシステムサーバー電源や太陽光発電、高速充電スタンド、鉄道車両など様々な用途に採用されてきた。今回、これまでの同社製品の採用実績と、業界最高水準の特性均一性、低欠陥密度といった特性が高く評価され、同パワーモジュールへの採用となった。

　SiCパワー半導体は、現在主流のシリコンパワー半導体に比べて高電圧特性と大電流特性に優れ、電力損失を大幅に削減できることから、電力制御に使うモジュールの高効率化を実現する製品として、電気自動車に搭載される充電器や高速充電スタンド、鉄道車両などへの採用が進む。また、2025年以降には電気自動車のパワーコントロールユニット（PCU）へ本格搭載が見込まれ、今後さらなる需要拡大が期待されている。

　同社グループは、事業活動を通じたSDGs課題解決に貢献し、豊かさと持続性の調和した社会を創造する「社会貢献企業」を目指している。エネルギーの効率的な使用を実現するSiCエピタキシャルウェハーは、2025年市場規模1000億円から、PCUへの本格搭載によりさらに市場拡大が加速すると予想されている。

　同社は世界最大の外販エピウェハーメーカーとして、〝ベスト・イン・クラス〟をモットーに、急拡大する市場に高性能で高い信頼性品をもつ製品を供給し、SiCデバイスの普及に貢献していく考えだ。

産総研　低コスト成膜技術で多接合太陽電池の普及を加速

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2020年12月10日

　産業技術総合研究所（産総研）はこのほど、同ゼロエミッション国際共同研究センターと大陽日酸が共同で次世代太陽電池普及の鍵となるハイドライド気相成長（HVPE）法によるアルミニウム系材料の成膜と太陽電池への応用を可能にする装置を開発した。

　Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池はバンドギャップ（光吸収波長）の異なる材料を積層した多接合構造で発電効率は最も高いが、高価な原料と基板、遅い成膜速度など製造コストの高さが課題であった。また、高効率化には各構成セルの高性能化が必要で、特にインジウム・ガリウム・リン（InGaP）トップセルの表面電流損失をAlIn（Ga）P層で抑制することが不可欠だ。

　両者は2015年度よりNEDOの支援を受け、有機金属気相成長法より低コストであるHVPE法の水平置き縦型装置の開発を進め、高速成膜性を実証。今回Al系材料の高品質成膜を検討した。

　HVPE法では、金属と塩化水素ガスを700~850℃の炉内で反応させ金属塩化物前駆体にするが、AlはAlClとなり石英反応炉を損傷するため使用できなかった。今回反応温度を500℃に下げ、AlCl生成を抑え石英との反応性の低いAlCl3を生成することで、Al系材料の成膜が可能となった。これによりInGaPセル表面を不活性化でき、出力電流が増大し、発電効率が向上した。

　また、AlAsの成膜が可能になったことで、基板コストも低減できた。基板上にAlAs層、太陽電池層の順で成膜。AlAs層をフッ化水素酸で除去して太陽電池層を基板から剝離することで、基板は再利用できる。剝離した太陽電池層は薄膜なため、産総研の半導体接合技術「スマートスタック」により異種材料と接合して発電効率を向上できる。今回、剝離や接合の実証にはGaAsセルを使ったが、InGaPセルや多接合構造でも同様に剝離や接合が可能だ。

　これまで2インチ基板で検討したが、今後6インチサイズが成膜できる量産型HVPE装置を開発し、さらにそのⅢ-Ⅴ族化合物太陽電池をシリコンやCIGSなどの安価な太陽電池と接合して発電効率35％以上、発電コスト200円/Wの太陽電池の実現を目指す。