(57)【要約】  本発明は、冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用の小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法を提供し、容器本体を備え、前記容器本体の後部に小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置が設置され、冷凍装置内に少なくとも１つの高感度アンモニアガスセンサが取り付けられ、前記アンモニアガスセンサは制御パネルに接続される。本発明は、アンモニアガス濃度を同時に検出してデータを収集して処理すると、各種の処置手段を起動させて、アンモニアガスリークによる損失を防止し、正確且つ迅速に判断でき、正確性は０．０１ＰＰＭに達する。基準を超える濃度を正確に判断し、判断結果の表示が容易であり、視認性を向上させ、アンモニアガス濃度を検出する際に、精度要件に応じて、検出、制御すべきアンモニアガス濃度及び対処方式を設定でき、さらに、アンモニアガス検出器の数を必要に応じて設置することができ、複数の使用に適用でき、同時に単一のアンモニアガス濃度検出装置による誤判断を回避する。
2019512073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用の小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法であって、
容器本体を備え、前記容器本体の後部に小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置が設置され、冷凍装置内に少なくとも１つの高感度アンモニアガスセンサが取り付けられ、前記アンモニアガスセンサは制御パネルに接続され、前記制御パネルはさらに本体温度プローブが設置され、前記制御パネル上にさらに無線又は有線通信モジュールが設置され、前記制御パネルは警報点滅灯に接続され、前記制御パネルはブザーに接続され、
まず、電源を入れて、アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置を起動させ、冷却サイクルが始まり、機器は正常に運転するステップと、
次に、正常運転時、アンモニアガスリークが発生する場合、アンモニアガス密度が空気密度より小さいため、アンモニアガス分子が上へ移動し、このとき、冷凍装置内に取り付けられた高感度アンモニアガスセンサがアンモニアガス分子、各種のアンモニアガス濃度を検出し、異なる電気パラメータを出力し、回路で処理して、電気パラメータと周辺空気におけるアンモニアガス濃度とを対応させ、次に、アンモニアガス濃度の大きさに基づいて、
ａ、通常の動作を続けること、
ｂ、微量のリークが発生すると、冷凍を停止して、制御端末に故障信号を送信すること、
ｃ、大量のリークが発生すると、冷凍を停止して、灯が点滅して警報を出し、制御端末に故障信号を送信すること、
ｄ、大量のリークが発生すると、冷凍を停止して、灯点滅＋声音警報を行い、制御端末に故障信号を送信すること、の後続処理を実施するステップと、
次に、いずれかの異常が発生する場合、制御端末が直に信号を取得して、リアルタイムにメンテナンス処理を行うステップとを備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用的小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法の使用方法であって、
前記高感度アンモニアガスセンサは、相補型金属酸化膜半導体チップ型アンモニアガスセンサであり、前記高感度アンモニアガスセンサ内にナノフィルム型ガス感受性材料が取り付けられていることを特徴とする使用方法。
【請求項３】
前記ナノフィルム型ガス感受性材料は二酸化錫ナノフィルム、銅フタロシアニンフィルム及び銅フタロシアニン／二酸化錫複合膜のうちの一つ又は複数種の複合物であることを特徴とする請求項２に記載の冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用の小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法の使用方法。
【請求項４】
前記ナノフィルム型ガス感受性材料は成膜粒子が均一で、大きさが１−５ｎｍであることを特徴とする請求項２又は３に記載の冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用の小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法の使用方法。
【請求項５】
前記無線又は有線通信モジュールは、ＳＤカードスロット、モデム、電池、マイクロプロセッサー、ＲＯＭを備え、高感度アンモニアガスセンサによりアンモニアガスリークがある設定値に達すると検出されると、通信モジュールはワイアレスネットワークに自動的に接続されて、予め設定される番号又は宿直室にコールすることを特徴とする請求項１に記載の冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用の小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法の使用方法。
【請求項６】
前記ナノフィルム型ガス感受性材料内にニッケル元素が１−５０％含まれていることを特徴とする請求項２に記載の冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用の小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法の使用方法。
【請求項７】
前記ナノフィルム型ガス感受性材料内にアルミニウム元素が１−５０％含まれていることを特徴とする請求項２に記載の冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用の小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法の使用方法。
【請求項８】
前記ナノフィルム型ガス感受性材料はコバルト元素を１−５０％含み、コバルトイオンのドーピングによりＳｎＯ２の結晶構造を変えることがなく、被検出ガスに対して高感度と優れた応答−回復特性を有することを特徴とする請求項２に記載の冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用の小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法の使用方法。
【請求項９】
前記ナノフィルム型ガス感受性材料内にニッケルコバルト合金粉末が１−５０％ドーピングされていることを特徴とする請求項６−８のいずれか１項に記載の冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用の小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法の使用方法。
【請求項１０】
前記ナノフィルム型ガス感受性材料内にグラフェン元素が１−５０％含まれていることを特徴とする請求項２に記載の冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用の小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニアガスの高速検出技術分野に関し、具体的には、冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用の小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アンモニアガス（Ａｍｍｏｎｉａ、ＮＨ３）は無色気体であり、強烈な刺激臭をし、密度が０．７７１０、相対密度が０．５９７１（空気＝１．００）であり、液化されて無色液体になりやすく、常温下で加圧するだけで液化させることができ（臨界温度１３２．４℃、臨界圧力１１．２メガパスカル、すなわち１１２．２大気圧）、沸点が−３３．５℃であり、さらに硬化されて雪状固体にもなりやすく、融点が−７７．７５℃で、水、エタノールやエーテルに溶解可能であり、高温では分解して窒素ガスと水素ガスになり、また還元作用を有する。触媒が存在する場合は、酸化されて一酸化窒素になり、液体窒素、アンモニア水、硝酸、アンモニウム塩やアミン類等の製造に用いられ得る。窒素と水素を用いて直接合成でき、皮膚、眼球、呼吸器官の粘膜が焼ける恐れがあり、過量吸入すると、肺腫脹、さらに死亡を引き起こしてしまう。
【０００３】
冷蔵庫、ワインキャビネットに使用される小型アンモニア冷凍拡散−吸収式冷凍装置（以下、略称「冷凍装置」）は、冷凍のためのコアコンポーネントであるコアは溶接点が多く、一部のコアの一部の溶接点が、量産や使用過程において、不可避的に低速リーク、ブリード等の現象を発生させ、さらに大量のリークが発生する。アンモニアガスは強烈な刺激臭をするため、環境を汚染すると同時に、人間の健康に悪影響を与える。
【０００４】
現在の市販品は、周囲空気にリークされたアンモニアガス濃度を直接高精度で検出して対処することができず、冷凍装置は冷媒の過量のリークにより冷凍性能に顕著な変化が発生することに基づいて、リーク発生の有無を検出して判断するものであり、このような方式は、遅延が大きく、且つ一致性が悪く、信頼性がない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術に存在する欠点に対し、本発明の目的は、構造が合理的で、使用しやすい冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用の小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法を提供し、上記問題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明が採用する技術案は以下のとおりである。冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用の小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法は、容器本体を備え、前記容器本体の後部に小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置が設置され、冷凍装置内に少なくとも１つの高感度アンモニアガスセンサが取り付けられ、前記アンモニアガスセンサは制御パネルに接続され、前記制御パネルはさらに本体温度プローブが設置され、前記制御パネル上にさらに無線又は有線通信モジュールが設置され、前記制御パネルは警報点滅灯に接続され、前記制御パネルはブザーに接続され、
まず、電源を入れて、アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置を起動させ、冷却サイクルが始まり、機器は正常に運転するステップと、
次に、正常運転時、アンモニアガスリークが発生すると、アンモニアガス密度が空気密度より小さいため、アンモニアガス分子が上へ移動し、この時、冷凍装置内に取り付けられた高感度アンモニアガスセンサがアンモニアガス分子、各種のアンモニアガス濃度を検出し、異なる電気パラメータを出力し、回路で処理して、電気パラメータと周辺空気におけるアンモニアガス濃度とを対応させ、次に、アンモニアガス濃度の大きさに基づいて、
ａ、通常の動作を続けること、
ｂ、微量のリークが発生すると、冷凍を停止して、制御端末に故障信号を送信すること、
ｃ、大量のリークが発生すると、冷凍を停止して、灯が点滅して警報を出し、制御端末に故障信号を送信すること、
ｄ、大量のリークが発生すると、冷凍を停止して、灯点滅＋声音警報を実施し、制御端末に故障信号を送信すること、の後続処理を実施するステップと、
次に、いずれかの異常が発生すると、制御端末が直に信号を取得して、リアルタイムにメンテナンス処理を行うステップとを備える。
【０００７】
好ましくは、前記高感度アンモニアガスセンサは、相補型金属酸化膜半導体チップ型アンモニアセンサであり、前記高感度アンモニアセンサ内にナノフィルム型ガス感受性材料が取り付けられている。
【０００８】
好ましくは、前記ナノフィルム型ガス感受性材料は二酸化錫ナノフィルム、銅フタロシアニンフィルム及び銅フタロシアニン／二酸化錫複合膜のうちの１種又は複数種の複合物である。
【０００９】
好ましくは、前記ナノフィルム型ガス感受性材料は成膜粒子が均一で、大きさが１−５ｎｍである。
【００１０】
好ましくは、前記無線又は有線通信モジュールは、ＳＤカードスロット、モデム、電池、マイクロプロセッサー、ＲＯＭを備え、高感度アンモニアセンサによりアンモニアガスリークがある設定値に達すると検出されると、通信モジュールはワイアレスネットワークに自動的に接続されて、予め設定される番号又は宿直室にコールする。
【００１１】
好ましくは、前記ナノフィルム型ガス感受性材料内にニッケル元素が１−５０％含まれている。
【００１２】
好ましくは、前記ナノフィルム型ガス感受性材料内にアルミニウム元素が１−５０％含まれている。
【００１３】
好ましくは、前記ナノフィルム型ガス感受性材料はコバルト元素を１−５０％含み、コバルトイオンのドーピングによりＳｎＯ２の結晶構造を変えることがなく、被検出ガスに対して高感度と優れた応答−回復特性を有する。
【００１４】
好ましくは、前記ナノフィルム型ガス感受性材料内にニッケルコバルト合金粉末が１−５０％ドーピングされている。
【００１５】
好ましくは、前記ナノフィルム型ガス感受性材料内にグラフェン元素が１−５０％含まれている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の有益な効果は以下を含む。
本発明に係るアンモニアガス検出は、引き出し式小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のために設計されるものであり、構造が合理的で、レイアウトが適当であると同時に、アンモニアガス濃度を検出してデータを収集して処理すると、各種の処置手段を起動させて、アンモニアガスリークによる損失を防止し、正確且つ迅速に判断でき、正確性は０．０１ＰＰＭに達する。基準を超える濃度を正確に判断し、判断結果の表示が容易であり、視認性を向上させ、アンモニアガス濃度を検出する際に、精度要件に応じて、検出、制御すべきアンモニアガス濃度及び対処方式を設定でき、さらに、アンモニアガス検出器の数を必要に応じて設置することができ、複数の使用に適し、さらに単一のアンモニアガス濃度検出装置による誤判断を回避する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用の小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法の原理図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、実施形態により本発明を詳細に説明する。
【００１９】
冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー専用の小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置のアンモニアリークのリアルタイムな検出対処方法は、冷蔵庫、ワインキャビネット又はクーラー容器本体を備え、前記容器本体の後部に小型アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置が設置され、冷凍装置内に少なくとも１つの高感度アンモニアガスセンサが取り付けられ、前記アンモニアガスセンサは制御パネルに接続され、前記制御パネルはさらに本体温度プローブが設置され、前記制御パネル上にさらに無線又は有線通信モジュールが設置され、記制御パネルは警報点滅灯に接続され、前記制御パネルはブザーに接続され、
まず、電源を入れて、アンモニア冷凍型拡散吸収式冷凍装置を起動させ、冷却サイクルが始まり、機器は正常に運転するステップと、
次に、正常運転時、アンモニアガスリークが発生すると、アンモニアガス密度が空気密度より小さいため、アンモニアガス分子が上へ移動し、この時、冷凍装置内に取り付けられた高感度アンモニアガスセンサがアンモニアガス分子、各種のアンモニアガス濃度を検出し、異なる電気パラメータを出力し、回路で処理して、電気パラメータと周囲空気におけるアンモニアガス濃度とを対応させ、次に、アンモニアガス濃度の大きさに基づいて、
ａ、濃度が２０ＰＰＭ未満である場合、通常の動作を続けること、
ｂ、濃度が２０ＰＰＭより大きいと、微量のリークが発生することを示し、冷凍を停止して、制御端末に故障信号を送信すること、
ｃ、多量のリークが発生して、濃度が２０ＰＰＭより大きいとともに、濃度が人体に長時間接触すると不快さを発生させる値を超えると、冷凍を停止して、灯が点滅して警報を出し、制御端末に故障信号を送信すること、
ｄ、大量のリークが発生して、濃度が２０ＰＰＭより大きいとともに、濃度が人体に短時間接触すると不快さを発生させる値を超えると、冷凍を停止して、灯点滅＋声音警報を実施し、制御端末に故障信号を送信すること、の後続処理を実施するステップと、
次に、いずれかの異常が発生すると、制御端末が直に信号を取得して、リアルタイムにメンテナンス処理を行うステップと備える。
【００２０】
各レンジのアンモニアガス濃度は、必要に応じて、センサーの有効作動範囲の０．１〜１０００ＰＰＭで調整可能である。
【００２１】
前記高感度アンモニアガスセンサは、相補型金属酸化膜半導体チップ型アンモニアセンサであり、前記高感度アンモニアセンサ内にナノフィルム型ガス感受性材料が取り付けられている。
【００２２】
前記ナノフィルム型ガス感受性材料は二酸化錫ナノフィルム、銅フタロシアニンフィルム及び銅フタロシアニン／二酸化錫複合膜のうちの１種又は複数種の複合物である。
【００２３】
前記ナノフィルム型ガス感受性材料は成膜粒子が均一で、大きさが１−５ｎｍである。
【００２４】
前記無線又は有線通信モジュールは、ＳＤカードスロット、モデム、電池、マイクロプロセッサー、ＲＯＭを備え、高感度アンモニアセンサによりアンモニアガスリークがある設定値に達すると検出されると、通信モジュールはワイアレスネットワークに自動的に接続されて、予め設定される番号又は宿直室にコールする。
【００２５】
前記ナノフィルム型ガス感受性材料内にニッケル元素が１−５０％含まれている。
【００２６】
前記ナノフィルム型ガス感受性材料内にアルミニウム元素が１−５０％含まれている。
【００２７】
前記ナノフィルム型ガス感受性材料はコバルト元素を１−５０％含み、コバルトイオンのドーピングによりＳｎＯ２の結晶構造を変えることがなく、被検出ガスに対して高感度と優れた応答−回復特性を有する。
【００２８】
前記ナノフィルム型ガス感受性材料内にニッケルコバルト合金粉末が１−５０％ドーピングされている。
【００２９】
前記ナノフィルム型ガス感受性材料内にグラフェン元素が１−５０％含まれている。
【００３０】
原理は以下のとおりである。
本発明に係る高感度アンモニアガスセンサに使用されるガス感受性材料はクリーンな空気において導電率が低い二酸化錫（ＳｎＯ２）である。センサーが設置される環境にアンモニアガスが存在すると、センサーの導電率は空気中のアンモニアガス濃度の増加に伴い増大する。簡単な回路だけでは導電率の変化を該ガス濃度に対応した出力信号に変換できる。
【００３１】
二酸化錫材料を用いて製造されたガスセンサは、高感度で、耐用年数が長く、安定性に優れて、耐食性が強く、構成が簡単で、低コストで、機械的特性に優れて、電気信号を直接出力できる等の利点を有するため、既に幅広く利用されている。ガスセンサに対する市場ニーズの変化に伴って、さらにガス感受性に優れたセンサーの開発が期待される以外、センサーの小型化、集積化も必要になる。ガスセンサの小型化と集積化を実現するために、フィルム型ガスセンサは研究の焦点になる。
【００３２】
ナノフィルム型ガス感受性材料のアンモニアガスに対する感度をさらに向上させ、ガス感受性フィルムの作動温度を低下させるために、二酸化錫にそれぞれニッケル、アルミニウム、コバルトの三種類の金属酸化物半導体及びグラフェン等の非金属材料をドーピングする。実験したところ、１０％だけのニッケル、アルミニウム、コバルトをドーピングすることによって、ナノフィルム型ガス感受性材料のアンモニアガスに対する感度を大幅に向上させ、且つガス感受性フィルムの最適な作動温度も大幅に増加することが明らかになる。金属酸化物半導体のドーピング量はナノフィルム型ガス感受性素子のアンモニアガスに対する感度を支配する。
【００３３】
ニッケル、アルミニウム、コバルトの三種類の金属酸化物半導体及びグラフェン等の非金属材料をドーピングすることは、ナノフィルム型ガス感受性材料の初期抵抗を変化させることができ、その導電メカニズムについて幅広く研究されており、以上の複数種の材料は固溶体を形成でき、金属材料溶融体の増加に伴い、格子点に転化が発生すると同時に、比表面積を向上させて、表面の酸素吸着を増加して、正確性を向上させ、また、ドーピング成分の増加に伴い、不純物イオンによるキャリアへの放熱を高めることにより、キャリアの移動性に影響し、よって、アンモニアガスの検出精度を向上させる。
【００３４】
ナノ材料のアンモニアガス検出における応用
ナノ材料は独自の特性や効果をたくさん持っており、アンモニアガス検出への応用が期待される。以下は、ナノ材料の応用の新規性及び進歩性を証明するために、ナノ材料の先進性を詳細に説明する。
【００３５】
ナノ効果
物質のサイズが所定の程度まで小さい時、伝統的な力学の代わりとして量子力学を利用してその挙動を説明しなければならず、粉末粒子の寸法が１０ミクロンから１０ナノに低下すると、粒子径は１０００倍に変わるが、体積に換算すると１０９と大きくなり、従って、両方の挙動上に有意的な差異は発生した。
【００３６】
ナノ粒子が大きな物質と異なる理由は、その表面積が増大し、すなわち、超微粒子の表面にわたり、高表面エネルギーを有する不安定原子を示す段階状構造が分布していることにある。このような原子は外来原子と吸着して結合しやすく、同時に粒子径の減少により大表面の活性原子を提供する。
【００３７】
融点については、ナノ粉末における各粒子の組成原子が少なく、表面原子が不安定状態であるため、表面格子の振動振幅が大きいことから、高表面エネルギーを有し、超微粒子に固有の熱特性を付与し、つまり融点を低下させると同時に、ナノ粉末は従来の粉末に比べて低温で焼結しやすいため、良好な焼結促進材料となる。
【００３８】
一般的な磁性材料は多磁場領域の集合体であり、粒子寸法がその磁気領域を区別できないほど小さくなると、単一磁場領域の磁性物質となる。従って、磁性材料を超微粒子又はフィルムに製作すると、優れた磁性材料は得られる。
【００３９】
ナノ粒子の粒子径（１０ナノ〜１００ナノ）は光波長より小さいため、入射光と複雑なインタラクション作用を発生させる。金属は、適切な蒸発堆積条件下で光を吸収しやすい、メタルブラックと呼ばれる鉄金属超微粒子が得られ得、それは金属の真空塗布膜による高反射率の光沢面と大幅に異なる。ナノ材料は光吸収率が大きいという特徴を有することから、赤外線センサー材料として有用である。
【００４０】
ナノ材料はナノスケールの粉末、繊維、膜又はブロックである。科学実験を行った結果、正常物質が極めて微細なナノスケールに加工されると、特殊な表面効果、体積効果及び量子効果を発生させ、光学、熱学、電気学、磁気学、力学、さらに化学性質は対応して大幅に変化する。従って、ナノ材料は、ほかの一般的な材料にない優良な特性を有し、電子、医薬、化学工業、軍事、航空宇宙等の複数の分野に幅広く適用でき、新材料の研究応用分野においても重要である。ナノ材料はナノ粉末、ナノ繊維、ナノ膜、ナノブロック等の四種類に大別でき、そのうち、ナノ粉末は開発以来の時間が最も長く、技術が一番成熟しており、ほかの三種類の製品を生産するための基盤となる。
【００４１】
ナノ粉末
ナノ粉末は超微粉末又は極細粉末とも呼ばれ、一般的に粒度１００ナノ以下の粉末又は粒子を意味し、原子、分子及び巨視的な物体の間にある中間状態の固体粒子材料である。高密度磁気記録材料、ステルス吸収材料、磁性流体材料、放射線防護材料、単結晶シリコン及び精密光学デバイスの研磨材料、マイクロチップの熱伝達基板と配線材料、マイクロエレクトロニクスパッケージング材料、オプトエレクトロニクス材料、先進的な電池電極材料、太陽電池材料、効率的な触媒、効率的な燃焼助剤、センシティブコンポーネント、高靭性セラミック材料（落下しても割れることがないセラミックであって、セラミックエンジン等に用いられる）、ヒト用修復材料、抗癌剤等に利用可能である。
【００４２】
ナノ繊維
ナノ繊維は直径がナノスケールで長さが大きい線状材料である。マイクロワイヤー、マイクロファイバー（将来の量子コンピュータと光子コンピュータの重要な素子）材料、新型レーザ又は発光ダイオード材料等に利用可能である。
【００４３】
ナノ膜
ナノ膜は粒子膜と緻密膜に分けられる。粒子膜は、ナノ粒子が粘着されて中間に極めて微細な隙間を残すフィルムである。緻密膜は膜層が緻密であって結晶粒のサイズがナノスケールであるフィルムである。ガス触媒（たとえば、自動車排気ガスの処理）材料、フィルタ材料、高密度磁気記録材料、感光材料、フラットディスプレイ材料、超伝導材料等に利用可能である。
【００４４】
ナノブロック
ナノブロックはナノ粉末を高圧成形し又は金属液体を結晶させて得るナノ結晶材料である。主に、超高強度材料、インテリジェント金属材料等に用いられる。
専門家によれば、ナノ材料についての理解が始まったばかりで、それについてはほとんど知られていないほどである。個々の実験で示される各種の特殊な特性により、それは潜在力が期待できる分野であり、ナノ材料の開発が人間に前例のない有用な材料を提供することが期待できることは分かる。
【００４５】
表面効果
球状粒子は、表面積と直径の平方成が正比例し、体積と直径の立方成が正比例するため、比表面積（表面積／体積）と直径が反比例する。粒子直径の減少に伴って、比表面積は大幅に増大し、それは、表面原子に占める百分率が著しく増加することを示す。直径が０．１ミクロンより大きい粒子は表面効果が無視できるが、寸法が０．１ミクロンより小さい場合は、表面原子の百分率は急激に増加し、さらに１グラムの超微粒子の表面積の総和は１００平方メートルに達し、この場合、表面効果が無視できなくなる。
【００４６】
超微粒子の表面と大きな物体の表面が異なり、高倍率電子顕微鏡を用いて金属超微粒子（直径２＊１０−３ミクロン）について映画撮影を行って、リアルタイムに観察したところ、これら粒子は一定の形態を持たず、経時的に変化して各種の形状（たとえば立方八面体、十面体、二十面体多重双晶粒子等）になり、一般的な固体とも、液体とも異なる準固体である。電子顕微鏡の電子線の照射下で、表面原子は「沸騰」状態のようになり、寸法が１０ナノより大きくなる時にのみ、この粒子構造の不安定性がなくなり、この時、微粒子は安定した構造状態を持っている。超微粒子は、表面に高活性を有し、空気中で金属粒子が迅速に酸化されて燃える。自発燃焼を防止するために、表面被覆又は人工的な酸化速度の制御により、酸化速度を低下させて極薄で緻密な酸化層を形成し、表面を安定化させる。表面活性を有することから、金属超微粒子は次世代の効率的な触媒やガス貯蔵材料や低融点材料として用いることが期待できる。
【００４７】
小寸法
粒子寸法の量的変化に伴い、所定の条件下で粒子性質の質的変化を引き起こす。粒子寸法の減少による巨視的な物性の変化は小寸法効果と呼ばれる。超微粒子の場合、寸法が小さくなり、同時に比表面積も著しく増加し、下記一連の新規な性質を示す。
【００４８】
光学特性
金が光波波長より小さい寸法に加工されると、富貴さを示す既存の光沢を失って黒色になる。実際には、すべての金属は超微粒子状態では黒色をしている。寸法が小さいほど、色は黒くなり、銀白色のプラチナ（白金）はプラチナブラック、金属クロムはクロムブラックになる。以上から明らかなように、金属超微粒子は光に対する反射率が極めて低く、通常、１％より低く、約数ミクロンの厚みになると、完全な消光が可能である。この特性を利用して、光熱、光電等の高効率変換材料として利用可能であり、太陽エネルギーを熱エネルギー、電気エネルギーに効率よく変換できる。また、赤外線感知素子、赤外線ステルス技術等にも利用可能である。
【００４９】
熱特性
固体物質は、大寸法である時、融点が一定になり、超微細化後に融点が大幅に低下し、特に粒子が１０ナノスケールより小さい時に顕著である。たとえば、金は、通常の融点が１０６４Ｃ℃であるが、粒子寸法が１０ナノサイズに減少されると、２７℃に低下し、２ナノサイズである時の融点が３２７℃程度であり、銀は、通常の融点が６７０℃であるが、超微銀粒子の融点が１００℃よりも低い。従って、超微細銀粉末を用いて製造された導電性ペーストは低温焼結が可能であり、この時、素子の基板として耐高温性セラミック材料を使用しなくてもよく、さらにプラスチックが利用可能である。超微細銀粉末ペーストを用いると、膜厚は均一になり、被覆面積は大きくなり、材料を節約するとともに高品質を有する。日本川崎製鉄社は、パラジウムや銀等の貴金属の代わりとして０．１〜１ミクロンの銅、ニッケル超微粒子から成る導電性ペーストを使用する。超微粒子の融点が低下するという性質は粉末冶金工業においても好適である。たとえば、タングステン粒子に０．１重量％〜０．５重量％の超微細ニッケル粒子を添加することによって、焼結温度を３０００℃から１２００〜１３００℃に低下させ、よって、低温で焼成して大電流トランジスタの基板を製造できるようになる。
【００５０】
磁気特性
ピジョンズ、イルカ、バタフライ、ミツバチや水中に生きている走磁性細菌等の生体には超微細磁性粒子が存在することにより、このような生物は地球の磁場によりナビゲーションされて方向を識別でき、戻る能力を備える。超微細磁性粒子は本質的に生物学的磁気コンパスであり、水中に生きている走磁性細菌はそれによって栄養素が豊かな水底に移動する。電子顕微鏡研究により明らかなように、走磁性細菌の体内には通常直径が約２′１０−２ミクロンの磁性酸化物粒子を含む。小寸法の超微細粒子は、磁性が大きな材料と異なり、大きな純鉄は保磁力が約８０アンペア／メートルであるのに対して、粒子寸法が２′１０−２ミクロン以下に減少すると、その保磁力は１千倍増加し、さらに寸法が減少され、たとえば約６′１０−３ミクロンより小さくなると、保磁力はゼロに低下し、超常磁性を示す。超微細磁性粒子の高保磁力の特性を利用して、高記憶密度を有する磁気記録磁性粉として、テープ、ディスク、磁気カードや磁気鍵等に大幅に使用されている。超微細磁性粒子の超常磁性を利用してそれを用途が幅広い磁性液体に製造している。
【００５１】
ナノ効果
セラミック材料は一般的に脆性を示すが、ナノ超微粒子をプレスしてなるナノセラミック材料は優れた靭性を有する。それは、ナノ材料が大きな界面を有し、界面での原子配列が混乱であり、原子が外力により変形する時に移動しやすくなり、従って優れた靭性と一定の延性を示し、セラミック材料に新規な力学性質を付与するためである。アメリカの学者の報告によれば、フッ化カルシウムナノ材料は室温で大幅に曲げられても破断することがない。研究から明らかなように、人の歯が高強度を有する原因は、リン酸カルシウム等のナノ材料で構成されることにある。ナノ結晶粒を示す金属は、従来の粗結晶粒子金属より３〜５倍硬い。さらに、金属−セラミック等の複合ナノ材料は、大きな範囲内で材料の力学特性を変えることができ、応用の将来性が期待できる。超微細粒子の小寸法効果は、さらに超伝導性、誘電特性、音響特性や化学的性質等の点にある。
【００５２】
トンネリング効果
各種元素の原子は特定のスペクトル線を有し、たとえば、ナトリウム原子は黄色スペクトル線を有する。原子モデルと量子力学では、エネルギーレベルの概念を用いて合理的に解釈したとおり、無数の原子で固体を構成する時、独立した原子のエネルギーレベルは合併してバンドになり、電子の数が多いため、バンド中のエネルギーレベルの距離が極めて小さいことから、連続的なものとすることができ、バンド理論により、大きな金属、半導体、インシュレータの間の関係と区別は説明されており、原子、分子及び大きな固体の間にある超微粒子は、大きな材料中の連続的なバンドが破裂されて独立したエネルギーレベルになり、エネルギーレベル間の距離が粒子寸法の減少に伴い増大する。熱エネルギー、電界エネルギー又は磁場エネルギーが平均なエネルギーレベルの距離より小さい場合、巨視的な物体と異なる一連の異常な特性を示し、それは量子寸法効果と呼ばれる。たとえば、導電性金属は、超微粒子の場合にインシュレータになり、磁気モーメントの大きさが粒子中の電子の奇数か偶数に関わり、量子寸法効果のマクロ的な現象として、比熱も異常に変化し、スペクトル線が短波長方向へ移動する。従って、超微粒子は、低温条件下では既存のマクロ法則が成立できないため、量子効果を配慮する必要がある。電子は粒子性も波動性も有するため、トンネリング効果が存在する。一部のマクロ物理量、たとえば微粒子の磁化強度、量子コヒーレントデバイスにおける磁束量等もトンネリング効果を示し、マクロ的な量子トンネリング効果と呼ばれる。量子寸法効果、マクロ的な量子トンネリング効果は将来のマイクロエレクトロニクス、光電子デバイスの基盤となり、又は現在のマイクロエレクトロニクスデバイスのさらなる小型化の限界を決定し、マイクロエレクトロニクスデバイスをさらに小型化する時に上記量子効果を配慮しなければならない。たとえば、半導体集積回路を製造する場合、回路寸法が電子波長に近いと、電子はトンネリング効果によってデバイスから漏れて、デバイスが正常に動作できなくなり、代表的な回路の許容限界寸法が約０．２５ミクロンである。開発された量子共鳴トンネルトランジスタは量子効果を用いて製造される次世代デバイスである。
【００５３】
本発明に使用される開口段階的多孔質ナノ材料は、精度が１ナノスケールになり、ナノ材料特性と組み合わせると、高精度と高感度を実現する。
【００５４】
上記実施形態は本発明の好適な実施例に過ぎず、本発明の実施と特許請求の範囲を制限するものではなく、本発明の出願特許の保護範囲に記載の内容に基づいて行われる同等変化と修飾はいずれも、本発明の出願特許の範囲に属する。
【図１】
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【国際調査報告】
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