ISSN 1340-6639

Materials and Processing
Division Newsletter October 2012

NO.44
日本機械学会
機械材料・材料加工部門ニュースレター
スショック」により，これまで一般には馴染みのなかった，レ

巻頭言

アメタルやレアアースといった専門用語が，メディアで頻繁に報道されるようになり，一般名詞として使われるように「レアメタルの現状」

なった．
この 10 年間に起ったレアメタルにまつわる急激な状況変化は，世間の耳目を集めたという点では，大きな意義があったが，レアメタルを取り巻く状況や研究開発をめぐる本質的な状況は以前と何も変わっていない．
生活の豊さや便利さを目指せば，それにつれて必要となる
レアメタルの量は増大する．これまでは，レアメタルの多く
は電子機器や通信機器，一部の高性能合金などに使われてきた．これからは，次世代自動車や航空機，エネルギー変換の

東京大学

成蹊大学

ための材料としてのレアメタルの需要がさらに増大するもの

生産技術研究所

理工学部と予想される．ハイテク機器や高性能な機械は，多種多様の岡部 徹

システムデザイン学科

レアメタルを必要とする．このため，日本は，レアメタルを使酒井 孝

用する部品の製造やリサイクルについては，今も世界のトッ
プランナーである．今後も，日本が競争力のあるレアメタル
産業を維持して発展させ，世界をリードするためには，一層

いまや，レアアースをはじめとするレアメタルという言葉の研究と技術開発が重要であることは論を俟たない．

は，小学生や主婦でも知っている一般用語となっている．しかし，2001 年までは，レアメタルに対する関心は低く，材料

さらに，鉱物資源のほぼ全量を輸入している日本にとって，の専門家からでさえも，その製造方法やリサイクルに関する

ハイテク産業に不可欠なレアメタルの資源確保のための投資研究については，「そんな研究やって意味があるのか？」とい政策に加え，資源セキュリティの観点から，備蓄制度の充実

う見方が大勢を占めていた．

やリサイクル技術の開発，社会基盤システムの整備もきわめて重要な政策課題である．

2006 年あたりからレアメタルの供給障害や価格高騰が産
業界・経済界の話題となり始め，いわゆる「レアメタルブーム」

レアメタルの種類はじつに多いので，すべてを拾い上げるが現出した．当初，メディアではレアメタル→希少資源→枯ことはできない．そこで，日本の産業にとって重要性が特に渇という短絡的見解に基づく見方が多く，ともすると間違っ高いレアメタル，あるいは，供給障害や価格高騰により日本た認識の報道が行われていた．しかし実際には，レアメタルの産業がダメージを受ける可能性が高いいくつかのレアメタ

は，その産業構造上，供給障害や需給のアンバランスは頻繁

ルについて，特集として取り上げる．
本企画が，機械材料や材料加工分野の関係者にとって新しに起こるが，枯渇する可能性が高いものはほとんどない．

い知見や方向性などを得ていただくヒントを与えるきっかけ

2010 年には，尖閣諸島領有問題に端に発した外交問題がとなれば幸いである．

契機となり，中国によるレアアースの輸出停止にまで発展した．この結果，レアアースを必要とする日本の産業界はハイ2012 年 10 月

テク産業を中心に一時的なパニックに陥った．この「レアアー–1–No. 44 October 2012Materials and Processing Division Newsletter■特集 : レアメタルの現状□

特集 1

レアアースの現状と問題
東京大学□
生産技術研究所

岡部 徹
ケースも多く存在する．とくに発展途上国では，採掘や製錬

1. はじめに日本で金属資源の物質フローやリサイクルに関して議論に伴う環境破壊よりも，経済成長のほうが優先される場合がが行われる場合には，大体において産業的な側面，特に経済多いため，この傾向が顕著である．

的あるいは資源供給上の問題点が中心となる．とりわけレア

世界有数の優良なレアアース鉱山である米国のマウンテンアース（希土類元素）をはじめとするレアメタルに関しては，

パス鉱山が，2002 年に休山に追い込まれたのは，環境規制

資源ナショナリズムや領土問題，投機を含むビジネス，外交の厳しい米国で採掘・製錬する場合に発生する環境コストのや政治，環境問題などが複雑に絡み合った貿易問題・経済問

負担が大きな要因であった．他にもさまざまな要因が考えら題としてクローズアップされることが多い．

れるが，鉱石の枯渇や品位の低下などの要因によるものでは

ハイテク産業に不可欠なレアメタルに対する一般的な関心なく，コスト競争力が無くなったことが操業を停止した直接が高まってきた結果，レアメタルの物量ベースあるいは経済的な要因であった 3)．一方，経済的な成長戦略を優先した中ベースの物質フローの解析や関連の研究が，近年急速に進み国は，環境コストを度外視して，極めて低いコストでレアアーつつある．しかし，金属資源の物質フローに関する中長期展

スを生産し，輸出し続けたため，世界市場を独占することに望を考える上で，最も重要な概念である「自然がもたらした

成功した．価格に反映される見かけ上のコストでの価格競争

真の価値（Value of Nature）」については，残念ながら現状で力という指標のみで供給者の優劣が決定する競争原理至上はほとんど議論されることがない 1), 2)．Value of Nature といの現在の経済システムでは致し方のないところである．

う重要な概念やレアメタルのリサイクルの是非や今後の物質

最近では，中国の輸出規制・価格統制を受けてレアアー

フローのトレンドなどについては，別所で考察 2) しているのスの価格が急騰したため，マウンテンパス鉱山の生産再開

でここでは割愛する．

（2011 年）に加え，オーストラリア，ベトナムなど中国以外

レアアースに限らず金属資源は，探鉱→鉱山開発→採掘→の国でのレアアース鉱山の開発が活発化している．オースト

製錬・高品質化→加工などの種々の工程を経て，最終的にはラリアにあるレアアース鉱石の多くは，ウラン（U），トリウム

工業製品に組み込まれ利用される．工業製品の利用価値が無（Th）などの放射性元素を含有するため，製錬してレアアース

くなると，その製品は廃棄物となる．廃棄物中に含まれる金を得る過程で，同時に放射性廃棄物が発生する場合が多い．

属などの価値が高く，再利用による経済性が見いだせる場合

豪政府は自国内での鉱石の製錬やそれに伴って発生する廃棄には，廃棄物中の一部の金属はリサイクルされ再利用される．

物の処理に関して，自国内での最終処分を許可しない，ある

スクラップ中のレアメタルの多くは，リサイクルしても経済いは厳しい環境規制を要求する可能性がある．つまり，資源的な価値が発生しない場合が多く，廃棄物として埋め立てら

国の外貨収入となる採掘と輸出は許可する一方，国内での放れるなどして処分され，循環利用されることは少ない．

射性廃棄物が発生する製錬は認めない，あるいは高いペナル

経済原理を優先する日本では，金属資源の価値を評価する

ティーを課すということである．

場合，その金属の経済的な価値が評価基準となる．その結果，

仮に，オーストラリア国内での製錬が認められたとしても，工業製品に組み込まれたレアアースは，現状ではリサイクル

オーストラリアは他の先進国と同様，環境保護規制が厳しいされない．しかし，本来はその金属が生み出されるまでに生ため，採掘した鉱石の製錬を現地で行う場合には，廃棄物処

じた環境負荷，さらには，その金属を生みだした「貴重で有限理や廃液処理などの環境対策コストが増大し，利益を生むビの鉱物資源の本質的な価値」についても考慮し，金属資源のジネスとしては魅力が低下する．

価値やリサイクルの是非について根本的なところから議論す

表 1 に示すように金属の製錬に伴う原料，エネルギー，各べきである．

種環境規制の遵守のための環境コストや人件費は，国や地域

現在の経済システムでは，市場で流通する金属の価格は，によって大きく異なる．当然ながら，製錬で発生する廃棄物

上述の探鉱，鉱山開発，採掘，製錬，高品質化，加工，物流，の処理コストも各国の環境規制によって異なる 4)．このため，

その他のコストが積算されたものがベースとなっている．市

オーストラリアで採掘したレアアース鉱石を国外に持ち出し

場における金属の需要家は，より低いコストで調達しようとて，主に発展途上国などの環境規制が緩慢な別の国で製錬やするため，競争にさらされている生産者は，より低いコスト

高純度化を行い，レアアース原料を必要とする需要国に低いで金属を生産する努力をする．その結果，ともすると，鉱山開価格で再輸出するというビジネスモデルが模索されている

発，採掘，製錬に伴って生じる環境汚染を防止・低減するた（図 1 参照）4)．このように地域的な環境コストの差が，レアメめのコスト，すなわち環境コストは，だれも支払わないという

タルの物質フローを大きく変化させる．地域による環境規制–2–

Materials and Processing Division Newsletter

No. 44 October 2012の格差が広がれば，レアメタルの物質フローの量や流れその術開発が進んでいる．しかし，省エネルギーに対するニーズ

ものが現状とは全く変わる可能性もある．

の拡大に伴って，次世代自動車の駆動用モータ以外にも，エ上述のように，日本をはじめとする先進国においては，消アコンのコンプレッサ用モータや発電機向けに，ジスプロシ

費者からは見えないところで発生している環境負荷などのコウムを添加したネオジム磁石の需要が拡大している．表 2 に

ストはほとんど考慮せず，もっとも安くて品質の高い金属や示すように，自動車のモータに使用される磁石は電気自動車

合金，化合物を世界中から調達して，ハイテク製品を製造し（EV）で一台あたり 1.3 kg にもなるため，今後は次世代自動ている．このような環境負荷を無視した事例は，レアメタル車の普及を受けて，ジスプロシウムを多量に含む高性能磁石に限らず多くの国際商品に見られる．

の市場拡大がさらに加速すると予想される 5), 6)．
ネオジム磁石の原料となるネオジムとジスプロシウムは，
いずれもレアアースでありながら，資源的に抱える問題は異2. レアアースの生産と需要2010 年 の ネ オ ジ ム（Nd）焼 結 磁 石 の 国 内 生 産 量 は 約なる．表 3 にレアアースの代表的な鉱物と，それぞれの鉱物

13,000t，世界生産量は約 45,000t とみられている 3), 5)．ネ

中のレアアースの酸化物品位および各希土類酸化物の含有

オジム磁石は，高温で急激に保磁力が低下するという欠点が比率を示す 5),7),8)．主に軽希土類を産出するバストネサイト，

あるが，重希土類であるジスプロシウム（Dy）やテルビウム

モナザイトなどの鉱物は，図 25),8),9) に示すように地球上に広（Tb）を添加する技術の開発によって高温下での使用が可能

く分布しており，資源的に豊富である．しかし，これらの希土となり，動力用モータへの応用が進んだ．ハイブリッド自動類鉱石にはイオン半径の近いウランやトリウムなどの自然起車（HEV）の駆動用モータなど，動作温度が 200 ℃近くにな源の放射性核種（自然起源放射性物質放射性元素 , NORM:る用途には，最大で 10mass% 程度ものジスプロシウムが添

Naturally Occurring Radioactive Materials）が含まれる場合

加される場合もある．最近では，ジスプロシウム価格の高騰が多い．したがって，鉱石からネオジムを生産する際には，選や供給不安の増大に伴って，ジスプロシウムの使用量につい鉱や製錬に伴って濃縮される放射性元素や有害物の処理がても削減努力が行われ，省ジスプロシウム技術などの各種技課題となる．一方，ネオジムなどの軽希土類と比較すると，重希土類の鉱石中の品位は格段に低く，ジスプロシウムやテル

表１ビウムは資源的に希少である．現在，重希土類は中国南部のレアアースなどの金属や合金を製造する場合の各種コスト比較 4)

表2
日本

米国

原料コスト

×（高い）

×（高い） ◎（極めて低い） ○（低い）製品

エネルギーコスト

×（高い）

○（低い）

環境コスト

×（極めて高い）×（高い） ◎（極めて低い） ×（高い）HEV
EV
パワーステアリング
エアコン
ハードディスクドライブ(HDD)
携帯電話
核磁気共鳴画像装置(MRI)

人件費などのコスト ×（高い）中国

代表的なレアアース磁石製品の原単位（概数）5), 6)？

×（高い） ○（低い）オーストラリア

○（低い）

×（高い）

a: HEVの場合，モータ出力の違いによって希土類磁石の使用量は異なる．
出力の小さいHEVでは0.25kg/台，
出力の大きいHEVでは1.25kg/台程度．

金
精 属、
製 合
され 金
た 、
酸
化
物

鉱石、廃棄物…

希土類磁石原単位(kg / 台)a0000.25 - 1.25
0001.30000.090000.120000.010000.0005
1500

鉱石

表3

鉱石

ク
ス

ッ
ラ

プ

金属
精製 、合金
され 、
た酸
化物

鉱石

鉱種
バストネサイト
モナザイト
イオン吸着鉱産出鉱床
バイヤンオボー マウンテンパス マウントウェルド
龍南
(産出国)
（中国）
(アメリカ）(オーストラリア)
（中国）
6
8.9
11.2
0.05 - 0.2
鉱石中のREO品位 (wt%)
23.00
33.20
25.10
01.82
La2O3
50.00
49.10
48.50
00.37
CeO2
06.20
04.30
05.30
00.74
Pr6O11
18.50
12.00
16.70
03.00
Nd2O3
00.80
00.79
02.20
02.82
Sm2O3
00.20
00.12
00.60
00.12
Eu2O3
00.70
00.17
00.90
06.85
Gd2O3
REO中の
含有比率
00.10
00.10
01.29
Tb4O7
微量
(wt%)
00.10
00.20
06.67
Dy2O3
微量
01.64
Ho2O3
微量
微量
微量
04.85
Er2O3
微量
微量
微量
00.70
Tm2O3
微量
微量
微量
00.10
02.46
Yb2O3
微量
微量
00.36
Lu2O3
微量
微量
微量
00.09
00.40
65.00
Y2O3
微量

鉱石

: 金属、合金、精製された酸化物: スクラップ: 鉱石

図1

代表的なレアアース鉱石の組成 5),7),8)

レアアースなどの金属や合金を製造する場合や
そのスクラップを処理する場合の世界的な

注： バイヤンオボーの鉱石は、モナザイトも含む（バストモナズ、共生鉱）場合もある．

マテリアルフローの概略 4)–3–

No. 44 October 2012Materials and Processing Division Newsletter

バイヤンオボーマウンテンパス龍南
カーボナタイト, アルカリ岩鉱床(バストネサイト)
イオン吸着型鉱床
砂鉱床(モナザイト, ゼノタイム)
その他
マウントウェルド
埋蔵量 (2010年)

オーストラリア その他
1%
20%
インド
計
3%
114 Mt
アメリカ
合衆国
CIS
11%
17%

図２

年間生産量 (2010年)
その他
3%

中国
48%

計
134 kt中国
97%

主なレアアース鉱床と資源の国別埋蔵量・生産量（酸化物換算）5),8),9)

イオン吸着型鉱床と呼ばれる極めて特殊な風化鉱床から生産えている．2004 年以降，中国政府は国内産業の育成政策のされている．この鉱床は，高温多湿の気候の下でレアアース

強化，国内でのレアアースの需要の増大，さらには環境保護を含む花崗岩などが長い年月をかけて風化される際に，放射の必要性などの理由から，レアアースの金属や化合物の輸出

性元素が風雨によって洗い流され，重希土類が優先的に粘土に対して規制を強化しはじめた 3)．その結果，レアアースの層にイオン吸着されて地表に濃縮した極めて特殊な鉱床であ

価格は重希土類を中心に高騰し，最近ではレアアースを必要る（表 3 参照）
．本鉱床は，放射性元素をほとんど含まない上とする日本の産業界は深刻な供給障害に直面した．2011 年に，硫酸アンモニウムなどの酸や溶離剤による溶出によって7 月には，レアアースの価格は，ネオジムは 420 US$ / kg，

容易に鉱石中のレアアースを分離・抽出できるため，レアアー

ジスプロシウムは 3,600 US$ / kg（CIF 日本 ) と高値となっス資源として極めて優良である．しかし，イオン吸着鉱床はた 11)．ジスプロシウムの価格が 50 US$ / kg 前後であった

前述のような特殊な気候条件や地質条件によって形成される

10 年前は，外貨獲得のための不当廉売だったのかもしれなため，現時点では中国南部や東南アジアの一部の地域でしか発見されていない．図 2 を見てわかる通り，レアアースは埋蔵量ベースでは莫大な量が存在し，世界中に広く分布するが，中国の優良な鉱床や環境規制の緩慢さ，安価な労働力などが概算：
１ｋｇ合金磁石／台 × １００万台＝ １,０００ トンの磁石が必要

日本だけでも,
１３,０００トンの合金磁石が生産されている.

１,０００トンのレアアース合金磁石をつくるには,
３００トンのネオジム（Nd）と３０～９０トンのジスプロシウム（Dy）
中国では、
が必要．
２７,０００トンのＮｄ,
４,０００トンのＤｙ→多く見積もっても現在の需要の３％程度.
が生産されている.
ネオジムについては中国の鉱山一つで約３８年の耐用年数がある.
このレベルでは資源的には大きな問題ない．

要因となって他国の鉱山や製錬所は経済的な競争力を持たず，生産が現在中国に一極化している．
3. レアアースの資源が抱える問題と対策
前述したように，レアアースは資源的に比較的豊富である
ため，仮に EV や HEV が 100 万台生産されるようになったとしても，必要なレアアース資源量の問題は少なく，磁石生

１,０００万台以上のモータ仕掛けの車が走り回るとなると,供給構造を変え,また効率の良いリサイクルシステムを構築しなければならない．

産の原料を供給する上で長期的には深刻な問題となることは．しかし，レアアースは多くのレアメタ
ない（図 3 参照 3),10)）ルと同様，投機や政治問題，鉱山や製錬所の操業停止などに

図３

よる短期的な供給障害のリスクが極めて高いという問題を抱

次世代自動車が使用するネオジム、ジスプロシウムの量とその生産に必要なレアアースの量の概算値 3),10)–4–

Materials and Processing Division Newsletter

No. 44 October 2012示すように自動車 1 台あたり 1~4 t もの鉱石を処理している

ハイブリッド車一台あたり約１．３ｋｇのレアアース合金磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石）が必要.

計算になるため，採掘や製錬に伴う環境破壊は決して軽視できるものではない．地球が何万年，何億年の時をかけて奇跡的な自然現象によって形成した，極めて特殊な鉱床の価値（Value of Nature）を認識し，経済原則のみを優先した従来のＮｄ− Ｆｅ −Ｂ磁石 約１．３ｋｇ;
２１（～２６）％のネオジム（Ｎｄ）と１０（ ～５）％のジスプロシウム（Ｄｙ）が含まれる考え方からは脱却しなければならない 1),2)．
また，一般にはあまり議論されていないが，鉱石から生産されるレアアースの供給量は，鉱石中の存在比の制約をうけ

磁石 約１．３ｋｇに必要な希土類元素
ネオジム: 約０．２７ｋｇ
ジスプロシウム: 約０．１３ｋｇ

るため，資源的に希少なジスプロシウムやテルビウムなどの需要のみが大きくなると，余剰の副生産物の処理コストが発生する（表 3 参照）．このように供給メカニズムにアンバラン
スが生じる結果，供給障害や価格の高騰が生じる可能性もある．副産物を含めた資源の有効利用という観点からは，高効率のリサイクル技術の開発が極めて重要な技術課題の一つでネオジム酸化物の
鉱石中の品位:
約１％（バストネサイト）

ジスプロシウム酸化物の鉱石中の品位:
０．０１％～０．００３％（イオン吸着鉱）ある．

鉱石換算で, ３１ｋｇ

鉱石換算で, １～４ t

4. ネオジム磁石の生産とリサイクルの現状
ネオジム磁石を巡るマテリアルフローを図 512)-14) に示す．

最低でも１ｔ以上の鉱石が必要であり,
車の車体重量よりはるかに多くの量の貴重な鉱石を処理している.
また, 採掘や製錬には環境負荷が伴う.

図４

原材料であるレアアースの金属や合金は中国から輸入される．磁石の製造は主に，原料の溶解，合金の粉砕，成型，焼結，

次世代自動車が使用するネオジム、ジスプロシウム

切削加工，着磁，などの工程からなる．原料のレアアースの金の量とその生産に必要な鉱石の量の概算値 3),5)

属や合金は，リサイクル品などを中心に一部国内での製造を行っている例もあるが，ほぼ全てが中国から輸入されている．
レアアース磁石合金の製造プロセスでは，多量のスクラッ

いが，逆に，輸出規制が行われるようになってからのレアアー

プが発生する．これらのスクラップの多くは，酸素などの不純スの価格は異常な状況と言えよう．
今後も，ネオジム磁石の基幹原料であるレアアース金属や物濃度が高くオフスペックになったものや，合金を加工する

その化合物を，長期的かつ安定的に供給するためには，産官際に発生する削り粉などである．また，磁石の製造の際には，学が連携して①資源供給源の多様化，②備蓄（資源バッファ）

切削加工時に生じる切削屑（スラッジ）に加え，各段階で規格の構築，③リサイクル，製品のリユース・長期利用のほか，からはずれた個体のスクラップも発生する．このため，合金④代替材料の開発，使用量の削減技術の開発などの解決策に原料から最終製品への歩留まりは，現状では 5 割から 8 割と多角的に取り組む必要がある 3)．

低い．

供給資源の多様化については，オーストラリアのマウント

製品の中に組み込まれる前の製造工程で発生する内製スク

ウェルド鉱山の開発や，カザフスタンのウラン製錬の残渣（廃ラップは，回収・分別のコストがほとんどかからず，また必要棄物）からジスプロシウムを抽出する試みなど，複数の民間とする有価なレアアースを多量に含む．このため，これらの企業が海外での権益確保に動いている．しかし，ジスプロシ

スクラップを鉱石と見立てた場合，非常に高品位の原料と考ウムについては現状では中国以外に低コストで生産できる鉱えることができる．しかし，工程内で発生したスラッジは，水床がほとんど存在しないため，レアアース原料の生産コスト

分や油分による汚染が激しいため，一般的には湿式法によりが圧倒的に低い中国への依存から脱却するのは容易ではな酸に溶解して一度水溶液に戻してから，分離精製される．一い．希少性の高いジスプロシウムについては，ネオジム磁石

方，規格外品などの比較的汚染の少ないものについては，高への添加量を減らすための技術開発や，価格が低下したとき温で再溶解して再び原料合金として再利用される場合もあに国家備蓄を進められるような法制度の整備も必要である．

る．現在，磁石の製造時に発生するスクラップについては，工経済合理性の枠に捉われず，環境保護の観点から資源問題

程内での回収および再利用の技術は確立されており，高い回について論じることも重要である．レアアースの鉱石を採掘

収率でリサイクルされている．ネオジム合金磁石の工程屑のする際には多くの場合，放射性物質（NORM）を含む廃棄物のリサイクルについては，処理コストの問題などから，一部は処理が問題となる．前述のイオン吸着鉱のようにウランやト海外の製錬業者に委託されているようであるが，これらの流リウムをほとんど含まない特殊な鉱物を利用する場合でも，通については不明な点が多い．

地中に直接，抽出剤を打ち込んで採掘するため，自然環境を一方，一度製品に組み込まれ，市場に出たネオジム磁石に破壊する．また，イオン吸着鉱は重希土類に富んでいるもの

関しては，主としてコストの問題から MRI 用の磁石などの一の，鉱石中のジスプロシウム品位は 30~100 ppm と低い．イ

部の大型のものを除いてはほとんど回収されていない．しかオン吸着鉱からジスプロシウムを抽出する場合，図 43),5) にし先に述べたように，将来的には EV や HEV などに比較的大–5–

No. 44 October 2012Materials and Processing Division Newsletter型の磁石が組み込まれ，一定の割合で長期間にわたって製品は，我が国の生産シェアが際立って高く，抜群の国際競争力

スクラップが発生すると予想される．したがって今後，大型を有している．今後も日本がレアメタルの生産において世界

モータなどの製品スクラップから，ネオジムやジスプロシウのトップを走り続けるために，また，資源セキュリティという

ムなどの有価元素を効率良く回収することは重要な課題であ観点からも，国内に蓄積されているスクラップ（都市鉱山）をる．

活用したリサイクルを含めた新規なプロセス技術の開発が不日本で発生するレアアースを含むスクラップの多くは，リ可欠である．

サイクルする場合でも海外に持ち出して製錬プロセスの上工

今後も需要が大幅に増大すると予想される永久磁石の原程に投入して再処理されることが多いようであるが，今後は料であるネオジムやジスプロシウムなどのレアアースのリサ

資源の安定供給や環境保全の観点から，国内で効率良く回収

イクル技術についても，資源セキュリティに関する議論をす

して分離・抽出し，循環利用できる新しい技術の開発が望まる上で欠かすことのできない一例である．レアアースやそのれる．

化合物の用途も需要も 21 世紀を通じて拡大を続け，その重レアアースのリサイクル技術の詳細については，著者らが要性はいっそう高まるだろう．用途や需要が増えれば，多様すでに幾つかの解説を行っているのでそれらを参照された

なスクラップに適した新しいリサイクル技術を開発しなけれい 13), 14)．

ばならない．レアアースの優良な鉱山が中国一国に偏ってい鉱石

中国における年間生産量
Nd: 27,000 ton, Dy: 4,000 ton

製錬・精製

日本の需要(合金製造時)
Nd: 5,700 ton, Dy: 760 ton(磁石合金: 19,000 ton)

金属Ｎｄ，Dy, Ｎｄ合金 工程屑
合金原料製造

この段階で発生する
レアアースを
含む工程屑
などは
リサイクル
されている．

磁石製造
Ｎｄ-Ｆｅ-Ｂ磁石
製品への組み込み製品
使用・廃棄製品として出荷された
Ｎｄ, Dyを含むスクラップ
レアアースはほとんどリサイクル
されていない．
廃棄物処理

図５

るということも念頭に置き，資源のセキュリティ・安定供給の面からも，ネオジムやジスプロシウムなどのレアアースの高度なリサイクル技術を開発し，日本国内に蓄積された製品
やスクラップを都市鉱山として利用する必要がある 15)．

～6,000 ton の合金やスラッジが発生し,リサイクルされる．

レアアースをはじめとするレアメタルのリサイクル技術や社会システムを発展させ，信頼性の高い資源バッファ（緩衝磁石製品中の使用量
Nd: 3,900 ton, Dy: 520 ton(磁石合金: 13,000 ton)機能）を築き上げ，継続的な供給と循環利用ができる安定した資源ルートを確立することは，循環資源立国を目指す日本磁石合金の代表組成
Nd: 30%, B: 1%, Fe: Bal.
(保磁力を高めるため
Dy (3～10%)が添加される．
Pr, Tb も使用される．)

にとって重要な課題である 16)．新しいリサイクル技術によるスクラップからのレアメタル生産は，有限かつ貴重な鉱物資源の保全はもちろんのこと，環境問題を解決するとともに，Ｎｄ磁石の主な用途
モータ :37%
VCM(ハードディスク) : 34%
MRI(医療機器) :
11%
音響機器:
8%
他:
10%

循環型社会の構築に対して多大な貢献をもたらすと考えられる．

磁石生産におけるネオジム、ジスプロシウムの謝

辞

本稿をまとめるにあたり，東北大学 工学研究科 竹田 修 助

マテリアルフロー 12),13)

教に貴重なコメントや情報の提供を戴いた．記して感謝する．
5. おわりに
現代のいわゆるハイテク技術はレアメタルなしには成立

参考文献し得ない．レアメタルを活用したハイテク技術により，日本

1） ' 誰も知らないレアアースの現実 ', ECO JAPAN リポート

は世界トップの性能を誇る工業製品を世界に供給してきた．

（中西清隆 , 日経エコロジー）, 2010 年11月15日（http://

しかしながら，国内のレアメタルの鉱物資源は乏しく，重要

eco.nikkeibp.co.jp/article/report/20101112/105248/）.

なレアメタル資源の多くは，中国などのごく限られた国に偏2） 岡部 徹 , 野瀬 勝弘 : ' レアメタル資源の物質フローに関在することから，レアメタルの継続的な入手可能性は，日本する中長期展望 ', 廃棄物資源循環学会誌 , vol.22, no.6,の産業競争力や安全保障にとって極めて重要である．このた（2011）, pp.403-411.

め，高度循環型社会を構築して，物質・資源の循環により環

3） ' ネオジム磁石のすべて―レアアースで地球（アース）を

境を保全すると同時に，海外資源に依存しない工業プロセス

守ろう―',［監修］佐川 眞人 , 発行 アグネ技術センター

による産業構造の変革をもたらし，循環資源立国を目指すの（ISBN 978-4-901496-58-2 C3054）（2011）,.

は重要な課題である．

4） 'レアメタルの最新動向 ', シーエムシー出版 , 岡部 徹 , 野

ハイテク産業に不可欠な高い付加価値のレアメタルに関し

瀬 勝弘 監修（2012）,, 316 頁 .

ては，今もなお日本は世界に冠たる生産大国・技術 ” 超 ” 大5） 白山 栄 , 岡部 徹 : ' レアアースの現状とリサイクル技術 ',国である．日本は高い人件費とエネルギーコスト，厳しい環自動車技術 , vol. 65, no. 11,（2011）, pp. 87-94.

境規制という幾つものハンディがありながらも，鉱物資源を

6） ' 循環型社会における 3R に関する研究調査（産業機械分

全量輸入して多量のレアメタルを生産している．特に，製錬

野の 3R に係るレアメタル対策推進に関する調査委員会）が困難で高度な製造技術を要するものや，ハイテク機器の電報告書 ', 財団法人クリーン・ジャパン・センター : 平成

子材料用の高純度・高機能レアメタルやその化合物について

21 年度財団法人 JKA 補助事業（2010）.
–6–

Materials and Processing Division Newsletter

No. 44 October 20127） 石原舜三ほか : ' レアアース資源を供給する鉱床タイプ ',12）工業レアメタル , アルム出版社 , No. 126,（2010）p.60.

地質ニュース , 624 号（2006）,
pp. 10-24.

など

8） U.S. Geological Survey: Mineral Commodity Summaries,13）岡部 徹 : ' 希土類金属の製造技術とリサイクル ', 金属 ,URL: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/

vol. 77, no. 6,（2007）pp. 10-16.

commodity/rare_earths/

14）白山 栄 , 岡部 徹 : ' 希土類合金磁石の現状と乾式リサイ

9） 南博志 , 'レアメタル 2007（2）レアアース（希土類）の需

クル技術 ', 溶融塩および高温化学 , vol.52, no.2,（2009）,

要・供給・価格動向等 ', 金属資源レポート（独）,石油天

pp.213-225.

然ガス・金属鉱物資源機構 , vol. 37, no. 2,（2007）, pp.

15）' 使用済製品からのネオジム磁石の回収・リサイクルに

127-133.

関する調査研究 ', 2009 年 3 月 , 財団法人クリーン・ジャ10）' 自動車技術ハンドブック第 10 分冊（EV・ハイブリッド）

パン・センター（平成 20 年度財団法人 KJA 補助事業

編 ',（編集 : 自動車技術ハンドブック編集委員会（委員長 :新規資源循環社会システムの形成に関する調査研究 , 委堀洋一）, 社団法人自動車技術会 , 東京）, ' 第 1 章 自動車

員長 : 小林 幹男）.

を取り巻く諸情勢 , 1.6 自動車用のレアメタルとリサイ16）岡部 徹 : ' レアメタルの実情と日本の課題 ', 工業材料 ,クル ',（2011）.

vol.55, no.8,（2007）, pp.18-25.

11）
レアメタルニュース, アルム出版社 , No. 2493,（2011）p.1,
No. 2487,（2011）p.1, No.2460,（2010）p.3. など

□

特集 2

永久磁石

□

東北大学
杉本

大学院工学研究科

諭

現在の永久磁石は大別すると金属系磁石と酸化物系磁石

1. はじめに
電気自動車（EV），ハイブリッド自動車（HEV），風力発電，に分けられるが，金属系磁石は金属間化合物の強い結晶磁気

高性能モータ，ハードディスク（HDD）など，身の回りにある異方性を利用して保磁力を発現し，高い（BH）max が得られる製品の近年における高性能化，特に省エネルギーならびに高Sm-Co 系磁石や Nd-Fe-B 系磁石などの希土類磁石と，高飽和効率化に向けた発展には目を見はるものがある．これらの機

磁気分極を有する FeCo 粒子の形状異方性によって保磁力を器やデバイスの高性能化に貢献している材料のひとつに永久発現するアルニコ磁石や Fe-Cr-Co 系磁石に分けられる．一方，

磁石がある．本稿では，その永久磁石におけるレアメタル，特酸化物系磁石は，鉄の酸化物を主成分とする化合物磁石であにジスプロシウム（Dy）の使用量削減技術について述べる．

り，作製コストが既存の磁石の中では最も安く，重量当たりの生産量で全磁石生産量の約 80% 以上を占めるフェライト磁石である．これら現在使用されている主な永久磁石材料の中

2. 磁石の歴史と Nd-Fe-B 系磁石の用途
人類が永久磁石を作れるようになったのは意外と新しく，で飛躍的に発展しているのは Nd-Fe-B 系磁石といえる．

1917 年本多光太郎の KS 鋼の発明がその発端である．それ

Nd-Fe-B 系磁石の用途をみると，2000 年ごろはハードディ

以来 90 年あまりが経過するが，最近の Nd-Fe-B 系磁石を KS

スクの VCM に用いられているものが多かったのに対し，最鋼と比較すると，その強さ（最大エネルギー積（BH）max）は

近ではモータや発電機への用途が急増している．この傾向に

図 11) のように約 60 倍に達している．

は環境問題，すなわち CO2 排出量低下のため電力消費の低減，省エネが求められるようになったことが関係している．日

500

50

Nd-Fe-B

40

300
2-17:Sm-Co
200

30

1-5:Sm-Co

AlnicoNKSKS MK OP

Pt-Fe
Pt-Co

モータで消費される電力は全体の約 50% に達している．モー

SmFeN 20
FeCrCoタの効率を 1% 向上させれば原子力発電所 1 基分の電力が節約できると試算されていることから，モータが誘導モータか(BH)max / MGOe

(BH)max / kJm-3

400

100

本における年間の電力消費量は約 9000 億 kWh，そのうち60

ら効率の高いマグネットモータに切り替わり，高性能の NdFe-B 系磁石が利用されるようになってきた．
さらに環境問題から考えると Nd-Fe-B 系磁石がなければ実現できなかったもののひとつに HEV が挙げられ，この駆動

10モータならびに発電機に用いられているのが Nd-Fe-B 系焼結001900 1920 1940 1960 1980 2000year

磁石である．また，HEV の需要も環境問題対策などから拡大

MnAlC
Ferrite

しており，HEV だけでなく EV も市販されるようになってきた．最近では東日本大震災の影響から代替エネルギーの大き図1な柱となりつつあるものに風力発電があり，この発電機にも永久磁石の歴史 1)–7–

No. 44 October 2012Materials and Processing Division Newsletter

Nd-Fe-B 系磁石を用いたものが検討されている．このような

5. Dy 使用量削減技術の紹介
4 で示した 3 つのアプローチにおいて，まず，①についてことから，Nd-Fe-B 系磁石はまさに低炭素社会実現に向けては Dy の添加が最も有効であるが，上述したようにこの量がのキーマテリアルと位置づけられる．

問題となる．Nakamura ら 2) は，Dy を Nd-Fe-B 系焼結磁石の粒界部にのみ偏析させ残留磁束密度 Br の低下を招かないで

3. Nd-Fe-B 系焼結磁石における Dy 量削減の要望
しかしながら，Nd-Fe-B 系焼結磁石の主相の Nd2Fe14B 化

保磁力を増加させることが工業的に可能な粒界拡散法 “Grain

合物のキュリー温度が低く，保磁力の温度係数も大きいこと

Boundary Diffusion Process（GBDP）” を開発した．GBDP でから，HEV の駆動モータなど使用環境が高温となる用途では重希土類元素の Tb または Dy の酸化物，またはフッ化物

は，Nd-Fe-B 三元系合金では保磁力が低下し，磁石として機をスラリー状にして焼結磁石に塗布し，800 ℃ 〜 900 ℃の

能しなくなってしまうという問題がある．この対策として，図温度域で熱処理する．この温度域では，焼結磁石の粒界に存

2 のように Dy を添加して室温で高い保磁力を実現し，高温在する Nd-rich 相が液相となり，重希土類元素と置換し，そでもある程度保磁力を確保する方法がなされている．しかしの液相が主相の Nd2Fe14B 相と希土類元素の置換を行うた

Dy の添加は（BH）max を下げ，さらに Dy は希土類鉱石中のめ，主相の粒界部に近いところが（Nd，Dy）2Fe14B 相となっ含有量が少なく原産地も中国に限定されることから，Dy 量がて，保磁力が増加する．従来の焼結法と比べて温度が低いた

少なくても保磁力の高い Nd-Fe-B 系磁石の開発が切望され，め，Dy が粒内深く拡散せず粒界部に偏析することから，図 4

様々な研究機関で研究されている．

のように高保磁力が得られ，かつ大きな磁化の減少は生じず，高い（BH）max が維持されるという長所がある．また，この方法を用いることによって Dy 使用量を減らすことができるというメリットもある．さらに最近では塗布法ではなく，Dy の蒸気圧が比較的高いことに基づき真空蒸着を利用する方法も報告され，同様に高い磁気特性が報告されている．

図２

Nd-Fe-B 系磁石における Dy 添加効果

4. 保磁力向上へのアプローチ
Nd-Fe-B 系磁石の保磁力は，主相の表面や欠陥からの逆磁区の発生によって左右される核発生型と考えられている．結晶粒界に存在する Nd-rich 相は高温で液相となるため，焼結図４

粒界拡散法による磁気特性の向上 2)

時に充填化に寄与するだけでなく，Nd2Fe14B 相の表面にある欠陥を修復し，逆磁区の発生を抑える役割を果たしていると

一方，日高ら 3) も，従来の 2 合金法を改良し，Dy 源合金をいわれている．したがって，保磁力を増加させるには逆磁区

主相合金の 1/10 程度まで小さくして混合させることによっの発生確率を減らすことが重要であり，そのためには図 3 でて，Dy をより薄く主相内の粒界部に近い領域に偏析させるこ示したように① Nd2Fe14B 結晶粒表面のみの磁気異方性を向とに成功している．この方法は H-HAL（Homogeneous High

上させること，②主相の Nd2Fe14B 相と Nd-rich 相との界面のAnisotropy Layer）法と呼ばれ，この方法を用いることによっ状態を良好にすること，③磁石の結晶粒径を小さくし単磁区て 6.5mass% 以下の Dy 添加で µ0HcJ = 3 T 以上の保磁力が粒径に近づけること，が必要と考えられている．

得られ，従来より Dy を 35% 削減できると報告されている．
② に つ い て は，Nd-Fe-B 系 焼 結 磁 石 の 保 磁 力 機 構 が

Nd2 Fe14 B相 Nd-rich相

界面整合(Dy, Nd)2 Fe14 B相Nd2 Fe14 B相

保磁力 (kOe)

Nd2Fe14B 相と Nd-rich 相の界面組織が関係していると考えられていることから，数多くの研究者によって界面組織の観10050

察がなされてきており，Nd-rich 相の組成や磁性（強磁性であ

20
10

ること）
，などが明らかにされてきている．

Nd2 Fe14 B相Nd-rich相1 5 10 50 結晶粒大
結晶粒径 (μ m)⇒逆磁区存在

0.1 0.5

不均一分散(a) 有効利用

均一分散(b) 界面制御

図３

一方，③の結晶粒微細化では，焼結磁石の結晶粒を微細化させるため，各プロセスにおける組織を微細にする工法がと(c) 結晶粒微細化られている．Sagawa と Une4) は He ガスを用いた高速ジェットミルを利用することによって，2µm 以下の微粉末の製造

保磁力向上の方法–8–Materials and Processing Division Newsletter

No. 44 October 2012に成功するとともに，高圧力を要せず微粉末を成形できる

もに，（BH）max も 400kJ/m3 を示すことが報告されている．

“Press-less Process（PLP）” という磁場プレス方法を開発しまた，この磁気特性が従来から Dy を 40% 程度削減した磁石

た．PLP 法はジェットミル粉末をモールド中にタッピング処と同等の磁気特性に匹敵することから結晶粒微細化の有効性

理によって充填し，磁場を印加して Nd2Fe14B 相の磁化容易が示唆されている．

軸方向である c 軸方向を配向した後，モールドに粉末を充填したまま焼結，熱処理を行う方法である．2 µm 以下のジェッ

6. まとめトミル粉末と PLP 法を用いて作製した焼結磁石は，図 5 に示

今後，上述した①から③に関係した研究が複合的に行わしたように Dy 無添加でも 2 T 以上の保磁力を発現するととれ，その相乗効果によって，さらに磁気特性やプロセス技術が発展していくと考えられる．今後の研究に期待したい．
参考文献
1） S. Sugimoto, J. Phys. D: Appl. Phys., 44, 064001,（2010）.
2） H. Nakamura et al, IEEE Trans. Magn., 41, pp.3844（2005）.
3） 日 高 徹 也 , BM NEWS（ 日 本 ボ ン ド 磁 性 材 料 協 会（JABM））, 43, pp.105（2010）.
4） M. Sagawa and Y. Une, Proc. 20th Int. Workshop on
Rare Earth Permanent Magnet & their Applications,(Knossos-Crete）ed D. Niarchos（Greece: Admore）, pp

図５103-105,（2008）.

結晶粒微細化による保磁力の向上

□

特集 3

自動車触媒に用いられるレアメタルについて
日産自動車㈱藤川□

パワートレイン生産技術本部真一郎，内川文博

排気が周辺の大気よりも清浄であるほど後処理技術は進んで

1. はじめに環境への高い関心，エネルギー源の多様化といった観点かいる．浄化反応は共に含まれる酸素や水分，水素などが関与

ら，内燃機関による自動車はハイブリッド車をはじめ EV,FCVする複雑な反応であるが，HC，CO の浄化である酸化反応と，等新たな動力機構にシフトすると見られている．それでも新NOx の浄化である還元反応を同時に行うことが開発当初は難興国を中心として増加する自動車では内燃機関が動力の中心課題であった．この三成分を同時に浄化する触媒は三元触媒であり，排気浄化触媒が果たすべき役割はまだまだ重要であと呼ばれ，一般的には，貴金属（Pt，Pd，Rh），貴金属を高分散ると言える．一方，最近の供給懸念から注目されるレアアーに保持する土台である基材（アルミナなど），そして助触媒（レスは排気触媒にとり重要な材料である．本稿では自動車触媒

アアースなど）が主な成分であり，これらを含むコート層がハとレアアースの関わりについてその一端を紹介する．

ニカム構造体の貫通孔（セル）内部に形成されている（図 1）．
この触媒をうまく機能させるのにエンジンの空燃費の制御が重要である．空燃費とはエンジンに供給される空気と燃料

2. 自動車触媒におけるレアアース
自動車のエンジンから排出されるガスには有害な一酸化炭の重量比であり，空気が多ければ酸化反応が有利に，空気が素（CO）や窒素酸化物（NOx），未燃の炭化水素（HC）が含ま少なければ還元反応が進みやすい．酸化される成分と還元される．この有害成分を浄化するよう，エンジンに供給される

100

燃料・空気の吸入量やエンジン燃焼の点火時期などの精密/％な制御が高度に組み合わされた結果，最近の小型乗用車では浄化率

貴金属（Pt、Pd、Rh）
基材（ｱﾙﾐﾅ等）

NOx
HC

空燃比= 14.6(理論空燃比)

50

CO

酸素貯蔵材
（CeO2等）

触媒粉末粒子013

触媒ｺｰﾄ層図1

自動車触媒の一般的な構造

図2
–9–

14
15
16
空燃比（A/F）

17

三元触媒の浄化特性

No. 44 October 2012Materials and Processing Division Newsletter

れる成分が合致する理論空燃比の近傍では，三成分が最も良よるものと説明する報告 2) など，様々に研究されレアアース

い転化性能を示す領域となる（図 2）．しかしこの好ましい空を用いた助触媒は相当な進化を遂げてきた．しかし自動車触燃比の範囲から逸脱すると著しく転化率が下がってしまう．

媒に使用されるレアアース量はさほど変わっていない．これ

これを補うのがレアアースである．

はより高価な貴金属の使用量削減に助触媒改良の成果が適

レアアースの中でもセリアは酸化数の変化により酸素雰囲用されてきたためである．

気の変動を緩衝する働きを持っている．

よく知られていることだが，貴金属とレアアースでは価

2CeO2 ⇔ Ce2O3+O2

格，産出量ともに大きな差がある．Pt の価格は，2011 年は周囲の酸素が不足すると酸素を放出し，逆に周囲に酸素

1722$/g に対して，Ce は乱高下したものの 2011 年末にはが過剰となると酸素を吸収する．このようなセリアの酸素を

50$/kg，言い換えると 0.05$/g となる．供給量については Pt

貯蔵し吸放出する能力は酸素ストレージ能（OSC : Oxygenは全世界あわせて 2.36t/ 年（2002 ～ 2011 年の平均値）3)

Storage Capacity）と呼ばれ近傍の酸素濃度変動を緩和するが供給されているが，対してセリウムは日本だけの輸入量でため，セリアは排ガス浄化に不可欠と言える．

も 9847t/ 年（2000 ～ 2009 年の平均値）4) と桁違いである．

3. 自動車触媒の開発

4. リサイクル
触媒はコージュライトを材料とするハニカム担体が重量上

3.1 自動車触媒開発
一般に工業用触媒は最適な環境・条件で使用されるが，自は過半を占めており，含まれる貴金属やレアアースは含有濃

動車触媒は始動・加速・減速と変化する運転状況で，排ガス度が低くその抽出は容易ではないが，貴金属のリサイクルはの温度・流量・成分比も大きく変動する．排ガス温度はエン活発である．例えば 2011 年のプラチナ供給量に占める廃車

ジン始動時の常温から 800 ～ 900℃のような高温となるこからのリサイクル量は 30% 弱にも及ぶ．しかし廃触媒からのともあり，この過酷な条件で使用され続けた三元触媒では，レアアース（セリアなど）のリサイクルはまだ実用化されて含まれる貴金属やその基材，助触媒であるレアアースが凝集いないようである．技術的には廃触媒からレアメタルの抽出して肥大化し表面積が小さくなる．つまり反応する場所が減が可能であることは検証されており，当社においても溶媒抽るので反応活性が低下する．そこで触媒の開発では，浄化性出法による貴金属回収の過程でレアアースも分離回収できる能の向上として劣化の抑制が重要である．特に希少で高コスことを確認しているが，この工程では高コストであったため

トである貴金属については，耐久性を向上させることで使用

結局実用化には至っていない．しかし最近のレアアース供給量を減らす研究が盛んである．貴金属と基材の結びつきを強懸念からリサイクルについて新たな研究が開始されている．

めて凝集を抑制する技術が様々に開発されているが，弊社で例えば，経済産業省が取り組む「希少金属代替材料開発プロはさらに貴金属を担持した基材粒子同士も凝集しないようにジェクト」の一環として，三菱マテリアルは，NEDO（新エネ

仕切る構造を組合せて実用化している（図 3）．ここでも Pt 粒

ルギー・産業技術総合開発機構）の助成を受け，使用済み自子の基材には結合力の強いセリアを選択している．

動車から希少金属を回収する技術の実証に着手されている．

従来の触媒

劣化

危ぶまれている計画もあり，まだ予断を許さない．そこで自動車触媒に適用されるレアアースについても，高価な貴金属

貴金属が微細のまま維持

貴金属

Pt

劣化

図3

が解消されると見られてきたが，環境の懸念から事業認可が
20 nm

基材

新開発の触媒中国以外からのレアアース供給が本格化すれば供給懸念

Pt

基材

基材

5. 今後の展望

劣化で貴金属が肥大化

貴金属

量削減に影響するものの，その使用量を減らす取組みを要望

基材

されていくであろう．日本は世界の中でも触媒研究者数が上位であり，かつ産学連携による新技術開発が促進されており，

しきり材
しきり材

20 nm

今後の助触媒開発に期待したい．

自動車触媒の改良事例

参考文献
1） T.Murota : J. Alloys&Compounds, 193（1993）,298.
2） 八尾 : 資源・素材 ’94（秋季大会）

3.2 レアアースによる助触媒の開発
レアアースを主成分とした助触媒の開発は三元触媒浄化

3） PLATINUM Interim Review Johnson Matthey 社

性能向上に寄与してきた．酸素の吸収・放出を素早く大量に，そして高温での使用後も高表面積を維持する高性能な複日本

語版（平成 23 年 12 月 田中貴金属工業株式会社）
4） 財務省貿易統計

合酸化物が研究されてきた．1990 年代初頭に CeO2 に ZrO2を添加することで酸素の吸収放出機能が上昇するとの報告 1)
や，CeO2-ZrO2 系の状態図から助触媒作用の変化を相変化に– 10 –

Materials and Processing Division Newsletter

□

特集 4

No. 44 October 2012

固体高分子形燃料電池用 Pt カソード触媒の Pt 使用量低減の試み
九州大学大学院
竹中

□

工学研究院

壮，岸田昌浩

た量の Pt が用いられており，触媒の耐久性が改善されれば，

1. はじめに二酸化炭素排出削減，都市部の環境改善，非常用電源確保

Pt 使用量を低減できる．

等の観点から，固体高分子形燃料電池（PEFC）の普及が期待されている．我が国では，家庭用 PEFC システム（エネファー
ム）が世界に先駆けて発売されている．しかし PEFC の本格的普及に向け，様々な技術課題が山積している．それらの課題の 1 つとしてカソード触媒の低コスト化と耐久性向上が挙げ，られる．PEFC ではアノードで水素の酸化（H2 → 2H+ + 2e）
カソードで酸素の還元（O2 + 4H+ + 4e → 2H2O）が進行することで発電する．現行の PEFC 両極で炭素担持 Pt 触媒が利用されているが，アノードでの水素の酸化に比較して，カソー

10 nm

ドでの酸素の還元の反応速度が著しく遅いため，カソードで多量の Pt 触媒が利用されている．Pt は高価であり，資源量も

図1

炭素担持 Pt 触媒の TEM 写真

限られるため，カソード触媒中の Pt 使用量低減が求められている．そこで炭素担持 Pt カソード触媒の高活性化が検討されている．図 1 には現行の炭素担持 Pt カソード触媒の透過型
電子顕微鏡（TEM）写真を示した．直径 50 ～ 60nm 程度の炭素（カーボンブラック）上に直径 2 ～ 3nm 程度の Pt 粒子が高密度に担持されていることが分かる．Pt 粒子表面が触媒活性点として作用するため，粒子径を小さくすることで Pt 重
量あたりの表面積は大きくなり，その結果 Pt 使用量を低減できる．しかし現行触媒の 1/10 程度まで Pt 使用量を低減させることが目標とされており，微粒子化だけでこの目標を達成

10 nm

することは難しい．そこで近年，異種金属添加による Pt 触媒の高活性化が検討されている．その代表例としてコア－シェ

図2カソードで使用した炭素担持 Pt 触媒の TEM 写真

ル型触媒が挙げられる 1)．この触媒では，粒子コア部分に直径 2 ～ 3nm 程度の金属粒子（例えば，Pd，Au など）が使用

2. シリカでの被覆による炭素担持 Pt 触媒の耐久性向上

され，その粒子表面に Pt が単原子層で析出されている．コア

我々は炭素担持 Pt カソード触媒を厚さ数 nm のシリカ

－シェル型触媒では粒子表面にのみ Pt が存在し，コア部の層で被覆することで，触媒の耐久性向上に成功している 2)．

金属との化学的相互作用により Pt の触媒活性が向上するた

図 3 にはシリカ層で被覆されたカーボンナノチューブ担持

め，Pt 使用量低減に貢献できる．しかし PEFC カソード触媒

Pt 触媒（SiO2/Pt/CNT）の TEM 写真を示した．CNT 上に直径

では耐久性も要求される．PEFC では電解質として酸性の固2 ～ 3 nm 程度の Pt 粒子が担持されており，Pt 粒子と CNT

体高分子（通常はナフィオン）が利用され，カソード触媒はこが厚さ 2 nm 程度のシリカ層で被覆されていることが分かの電解質と接触するため，触媒は酸に対して耐性をもたなける．図 4 には Pt/CNT（シリカ未被覆）および SiO2/Pt/CNT のればならない．さらにカソード触媒は，高い正電位，酸素雰囲

酸素還元活性を示した．図では Pt/CNT の初期活性を 1 とし気，高温（80℃程度）にさらされるため，この条件では金（Au）て，その他の触媒の比活性を示している．SiO2/Pt/CNT は Pt/

以外のすべての金属は金属カチオンとして溶解する．図 2 にCNT と同程度の初期活性を示し（図中 fresh），長時間使用しは PEFC で長時間使用した炭素担持 Pt カソード触媒の TEMても SiO2/Pt/CNT の活性は高く保持されていることが分かる

写真を示した．PEFC で使用する前の触媒と異なり（図 1），使（図中 used）．図 5 には使用後の SiO2/Pt/CNT の TEM 写真を用後には直径 5 nm 以上の Pt 粒子が数多く存在する．炭素担示した．シリカ層で被覆されていない Pt 触媒をカソードに使体上を Pt 粒子が移動し，粒子同士が接触するため，Pt 粒子

用すると Pt 粒子径は増大したが（図 2），SiO2/Pt/CNT では径が増大する．また大きな Pt 粒子に比べ，小さな粒子は熱力

Pt 粒子径増大は確認できなかった．シリカ被覆 Pt 触媒では，学的に不安定であるため，小さな粒子表面からカチオン性 Pt

Pt 粒子がシリカ層で被覆されているため，Pt 粒子同士が接触

種が溶解し，それらが大きな粒子上に再析出することで粒子しない．またシリカ層で被覆された Pt 粒子表面からもカチオ径が成長する．この Pt 粒子径の増大により，カソード触媒はン性 Pt 種が溶解するが，それらがシリカ層外部に溶出せず，失活する．現行の PEFC カソードでは触媒活性低下を考慮し元の Pt 粒子表面に再析出したと考えられる．これらの理由に– 11 –

No. 44 October 2012

SiO2

Materials and Processing Division Newsletter

CNT
CNT

SiO2

図3

SiO2/Pt/CNT の TEM 写真

図4

各 Pt カソード触媒の比活性

図5カソードで使用した SiO2/Pt/
CNT の TEM 写真

より，シリカ被覆 Pt カソード触媒は優れた耐久性を示したと謝辞考えている．

本 研 究は（ 独）新エネルギ ー・産業 技 術 総 合開 発 機 構（NEDO）の支援により行われた．

3. さいごにカソード触媒の低コスト化に向け，触媒の非 Pt 化は理想的である．しかしカソード条件でほとんどの金属種は溶解―溶

参考文献
1） J. Zhang, et. al., J. Phys. Chem. B, 108, 10955-10964

出するため，カソード触媒の非 Pt 化は極めて困難である．一
方我々が開発したシリカでの被覆法を応用すれば，カソード（2004）.
2） S. Takenaka, et. al., J. Phys. Chem. C, 111, 15133-15136の非 Pt 化も達成できる．Pd は Pt の 1/4 程度の価格であり，高い酸素還元活性を示す．しかし Pd は Pt より安定性に劣る（2007）.
3） S. Takenaka, et. al., Chem. Commun., 46, 8950-8952

ため，Pd をカソード触媒として利用できない．一方シリカで（2010）.

の被覆を応用すると，カソード条件での Pd の溶出も抑制できる 3)．現在，カソード触媒の更なる低コスト化に向け，貴金
属以外の金属種の利用を検討している．

□

特集 5

ガスセンサとレアメタル
長崎大学

□

清水

大学院工学研究科

康博

用して被険ガスを検出する 2)．通常，線径 10 〜 20 µm でコ

1. はじめに
民生用のガス漏れ警報器や産業用のガス保安管理システ

イル巻数が 6 ターン程度の Pt 線コイルが用いられる．実際

ム等のガス検知素子として，ガスセンサが広く利用されていには，この検知素子と，貴金属触媒無担持のアルミナで Pt 線

る．これらのガスセンサには，その量は少ないが Pt や Pd な

コイルを被覆した補償素子とでブリッジ回路を構成し，電気

どのレアメタルが使用されている．これらのレアメタルは，電的出力信号を取り出している．その出力は可燃性ガス濃度に極，リード線およびヒーター線として使用されるだけではな

比例し，可燃性ガスの爆発下限濃度の 1/20 程度まで検出でく，それらの超微粒子が増感剤として添加され，ガス応答特きる．
なお，大きなガス応答のためには，アルミナ担体の高比表性等の性能を支配する重要な役割を担っている．
本稿では，種々のガスセンサの中で，接触燃焼式ガスセ面積化や担持触媒の高分散化による可燃性ガスの効率的なンサと半導体ガスセンサに絞って，レアメタルの役割を解燃焼と，検知素子の小型化による熱容量の低下が重要であ説する．

る．また，担持する貴金属触媒を変えることにより，特定の可燃性ガスに対する応答特性を制御・調整できる．このタイプのセンサでは，次に述べる半導体ガスセンサに比べて，数〜

2. 接触燃焼式ガスセンサ
主に Pt の超微粒子を担持したアルミナで Pt 線コイルを被10wt% 程度の多量の Pt や Pd 等の貴金属触媒が担持されて覆した検知素子（図 1（a）1) 参照）が，室温以上の適切な温度いる．市販のセンサでは，10 年以上の長期安定性を賦与・保に保持された状態で可燃性ガスを含む空気に曝されると，可証するために，少量の添加剤等により貴金属担持アルミナの燃性ガスの接触燃焼に伴う温度上昇により Pt 線コイルの抵

触媒材料が失活しないように材料設計が行われている．

抗値が増加する．接触燃焼式センサは，この抵抗値変化を利– 12 –

Materials and Processing Division Newsletter

No. 44 October 2012
表面近傍の電子濃度は，粒子内部のバルクのそれに比べて低3. 半導体ガスセンサ
金属酸化物半導体粉末の多孔質厚膜（図 1（b）参照）またくなり，表面近傍に空間電荷層（空乏層）が形成され，高抵抗は多孔質焼結体（図 1（c）参照）からなる検知素子が，室温以状態になっている．特に，部分焼結状態で作製されているセン

上の適切な温度に保持された状態で可燃性ガスまたは酸化サ素子内部では，粒子間の粒界またはネック部は完全に空間性ガスに曝されると，抵抗値の変化が起こる．半導体ガスセ

電荷層で占有され，粒子間に電子移動の障壁，すなわちポテ

ンサは，この抵抗値変化を利用して被検ガスを検出する．こンシャル障壁，が形成されている（図 2 参照）．センサ素子がのタイプのセンサ素子で多孔質厚膜型の場合，絶縁体基板表

可燃性ガスに曝されると，化学吸着酸素種が可燃性ガスとの面の櫛形電極に Pt が，また，基板背面のヒーターに Pt また反応で消費される．そのため，定常状態での化学吸着酸素種

ペースト 3) 等のレアメタルまたはその酸化物材料がの被覆率が低下し，化学吸着酸素種にトラップされていた電は RuO2使用されている．

子が金属酸化物半導体粒子に戻され，空間電荷層が薄くなる．
その結果，粒子間のポテンシャル障壁が低下し，センサ素子の抵抗が空気中の値より低下する．一方，オゾンや NO2 などの酸化性ガスに曝されると，これらのガスが粒子表面に負電荷吸着して空間電荷層が厚くなり，ポテンシャル障壁が高くなるために，センサ素子の抵抗が空気中の値より増加する．このようなセンサ素子の抵抗変化を電気信号として取り出すことにより被検ガスの存在を検知し，その濃度を測定できる 5)．
ちなみに，スパッタリング法で調製された SnO2 膜の空気
中，250℃での空間電荷層の厚さは，約 3 nm と計算されている 6)．従って，センサ材料の金属酸化物半導体粒子の直径が

図110 nm 以下と超微細な場合には，作動温度の空気中で粒子全各種ガスセンサ素子の構造 1)体が空間電荷層で占められている可能性がある．この場合にもちろん，櫛形電極材料には，レアメタルではないが Au もは，可燃性ガス雰囲気中での粒子内部の空間電荷層の完全消多用される．焼結体型素子の場合には，コイル状貴金属電極失による大きな導電率変化に基づくガス検知モデル，すなわが焼結体内部に直接埋め込まれており，それがヒーターとしち超微粒子モデル 7) または粒径制御モデル 8)，が支配的であても機能する．コイル状貴金属電極材料には，Ir-Pd 合金線 4)ることを示す実験結果が得られている．

のレアメタルが使用されている．

なお，このタイプのガスセンサでも，被険ガス，特に可燃性

このタイプのセンサ材料として，主に SnO2 や WO3 などのガスに対する応答を大きくするために，金属酸化物半導体粒

n 型金属酸化物半導体が利用される．大気中の高温での試料

子表面に Pt や Pd などのレアメタルが担持されている．ただ

調製段階等（活性化吸着過程）で，酸素分子が n 型酸化物半し，その担持量は，通常，1wt% 以下程度と，接触燃焼式セン

導体粒子から電子を奪い，粒子表面に分子状または解離してサの場合の担持量に比べて小さい．これらの担持貴金属の増負電荷吸着（化学吸着酸素種：O2-，O-，O2-）している．

感効果は，表 1 に示すように，可燃性ガスの化学吸着酸素と

これは，n 型酸化物半導体のフェルミレベルに比べて化学の反応を促進する化学的増感作用の他に，電子的増感作用が吸着酸素の表面準位が低いことに起因する．その結果，粒子（i）担持貴金属の仕あることが実証されている 9)．後者では，
事関数と金属酸化物半導体の電子親和力との差に基づく金
属酸化物半導体粒子から担持貴金属への電子移行，（ii）空気中での担持貴金属表面への化学吸着酸素の形成または表面の部分的な酸化層の形成による金属酸化物半導体粒子から
担持貴金属へのさらなる電子移行のために，空気中での金属酸化物半導体粒子内の電子濃度が低下し，高抵抗状態になっている．この状態では，被険ガスと化学吸着酸素との反応で金属酸化物半導体粒子に戻される電子数が，貴金属担持前と例え同じでも，電子濃度の増加の割合が相対的に増えるので，ガス応答は増加する．また，担持貴金属表面の化学吸着酸素も反応で消費され，さらに貴金属表面の酸化物層が還元されれば，ガス応答はさらに増加する．
このタイプのガスセンサ素子では，厚膜型でも焼結型でも感応部は内部の電極近傍なので，担持貴金属量を多くして，センサ材料表面での化学吸着酸素と可燃性ガスの反応性を

図2

半導体ガスセンサの粒界ポテンシャル障壁モデル

高めすぎると，ガス応答値は逆に低下する．これは，センサ素– 13 –

No. 44 October 2012Materials and Processing Division Newsletter

子表面部で可燃性ガスが燃焼消費され，内部まで到達する可3 nm

燃性ガス量が減少するためであることが実証されている 5,10)．
したがって，センサ材料の粒子表面での被険ガスの反応性と，多孔質センサ素子内部への被険ガスの拡散性の両因子のバ
ランスの取れた材料設計が重要である．
表1
種類

20 nm

担持貴金属による増感効果の種類 9)(a) メソポーラスSnO2

モデル図

図4

化学的
増感作用

貴金属の役割

センサ例

被険ガスの活性化（触媒作用：反応性の促進）

Pt/SnO2

メソ、マクロポーラス金属酸化物半導体粉末

成するとともに，過渡応答挙動からガス種の識別も可能にしている 12)．
また，原子価制御法で低抵抗化した SnO2 や In2O3 の金属

担持貴金属と半導体粒子間の電子移行
Ag/SnO2（空気中でのセンサ
Pd/SnO2
素子の高抵抗化）

電子的増感作用

200 nm(b) マクロポーラスIn2O3

酸化物半導体で，Pt 線コイルを覆った素子構造（図 1（d）参照）の熱線式半導体型ガスセンサでも，焼結体型半導体ガスセンサ素子（図 1（c）参照）に比べて，マイクロ化に成功している．なお，このタイプのセンサは，比較的低濃度の可燃性ガ
スに曝露されても金属酸化物半導体の抵抗が減少し，その結果，金属酸化物半導体と Pt 線コイルの合成抵抗も減少する

4. ガスセンサ素子中のレアメタル使用量の低減
ガスセンサ素子に使用するレアメタル量を減らすためにことを利用して被険ガスを検知している 13)．さらに，長期間は，の径時安定性の観点からも，貴金属担持量の低減の検討も行

a） センサ素子のマイクロ化： センサ素子１個当たりの貴われている．

金属担持センサ材料の使用量の低減

センサ材料の高比表面積化については，調製条件の最適化b）センサ材料である金属酸化物半導体の微粒子化：反応面積の増加による触媒活性の向上

により，10 nm 以下の SnO2 超微粒子が調製できる 8)．このような粒径自体の微細化以外にも，界面活性剤をテンプレーc） 異種金属酸化物の添加や異種金属イオンの置換固溶：表面化学組成の制御による触媒活性の向上

トに用いて，SnO2 粒子内部にメソ細孔を導入（図 4（a）参照）
することにより，空気中，600℃，5 h の焼成後でも，300 m2/d）異種金属イオンの置換固溶： 原子価制御法による金属

g 以上の高比表面積を維持することが可能である 14)．ただし，酸化物半導体の電子濃度の最適化

焼成段階での結晶子成長を抑制し，高比表面積を維持するた等々の方法が考えられ，実際には，a）〜 d）を複合化した

めには，焼成前の試料粉末をリン酸で処理することが不可欠

様々な検討が行われている．

である．このような高比表面積の SnO2 粉末をセンサ材料に具体例をいくつか紹介すると，まず，従来の接触燃焼式セ用いることで，ガス応答の向上が実現できる．また，ポリメチ

ンサをマイクロマシン技術で小型化した吸着燃焼式マイクロルメタクリレート球状粒子をテンプレートに用い，このテン

ガスセンサ（図 3 参照 11)）が挙げられる．このセンサは室温プレートを含む金属酸化物前駆体溶液の噴霧熱分解法 15) に保持と設定測定温度とのパルス加熱サイクルの採用により，より，マクロ細孔を有するかご型金属酸化物半導体粒子も調接触燃焼式センサにガス濃縮機能も賦与され高感度化を達製できる（図 4（b）参照）．なお，センサ材料の粒子内部へのマクロ細孔の導入は，ガス応答の大きさを向上させるだけでは無く，応答・回復速度の改善にも有効である．

触媒層（検知層）
参照層（γ-Al2O3）（15 wt% Pd/γ-Al2O3）
PtヒーターAl2O3保護層：50 nm

15 µm
Si

Si

Si

電気絶縁層（HfO2,
Si3N4, SiO2: 50 nm）
400 µm

5. おわりに
現時点では，接触燃焼式ガスセンサと半導体ガスセンサのどちらも，Pt や Pd などのレアメタルが使用されている．空気ダイヤフラム構造（低熱容量化）

中，高温で，雑ガスを含む過酷な作動環境を考えると，電極(a) 断面図
ヒーターボンディングパッド

材料，リード線およびヒーター線に関しては，適切な代替材

Ptヒーター

料が無いのが現状である．しかし，増感剤として使用されて1.6 mmいる担持貴金属については，必要なガス応答値やガス選択性を実現するための代替手法開発の余地はあり，現実に精力的な検討が行われている．今後，筆者も含めて，多くのセンサ技

図32.6 mm

術者・研究者の研究の益々の進展により，センサ技術が快適(b) 平面図

で安全・安心な社会システムの構築に貢献できることを願っ

吸着燃焼式マイクロガスセンサ 11)ている．
– 14 –

Materials and Processing Division Newsletter

No. 44 October 2012
Semiconductor Gas Sensors, in Chemical Sensors

参考文献
1） 新コスモス電機（株）ガス検知警報装置総合カタログ

Technology, Vol. 4, Ed. by S. Yamauchi, Kodansha-（http://www.new-cosmos.co.jp/infor/index_3.html）, p.39.
2） 江頭

Elsevier（1992）p.19-42.

誠，接触燃焼式センサ，センサ実用便覧，清山哲

10）Y. Shimizu, Y. Nakamura, M. Egashira, Effects of Diffusivity

郎監修，フジテクノシステム（1986）pp.61-71.

of Hydrogen and Oxygen through Pores of Thick Film

3） 兼安一成 , 自動車用ガスセンサ，月刊 Material Stage, 9

SnO2-based Sensors on Their Sensing Properties, Sens.

（1）, 46-48（2009）.

Actuators B, 13/14（1-3）,128-131（1993）.

4） 松浦吉展 , 酸化物半導体ガスセンサの高性能化に関す

11）江頭

る研究ならびにその実用化による新領域開拓，Chemical
Sensors, 17（2）, 42-48（2001）.

誠，笹原隆彦，吸着燃焼式マイクロガスセンサ，

マテリアルインテグレーション，21（5）, 87-92（2008）.
12）T. Sasahara, A. Kido, T. Sunayama, S. Uematsu, M.

5） Y. Shimizu, M. Egashira, Basic Aspects and Challenges

Egashira, Identification and Quantification of Alcoholof Semiconductor Gas Sensors, MRS Bulletin, 24（6）,by a Micro Gas Sensor based on Adsorption and

18-24（1999）.

Combustion, Sens. Actuators B, 99（2-3）, 532-538

6） H. Ogawa, M. Nishikawa, A. Abe, Hall Measurement（2004）.

Studies and an Electrical Conduction Model of Tin13）皆超知世，前川 亨，鈴木健吾，野村勝裕，蔭山博之，半Oxide Ultrafine Particles Films, J. Appl. Phys., 53（6）,導体式ガスセンサの信頼性の向上，マテリアルインテグ

4448-4455（1982）.

レーション，21（5）, 37-42（2008）.

7） M. Ippommatsu, H. Ohnishi, H. Sasaki, T. Matsumoto,14）T. Hyodo, N. Nishida, Y. Shimizu, M. Egashira,Study on the Sensing Mechanism of Tin Oxide

Preparation and Gas-Sensing Properties of Thermally

Flammable Gas Sensors Using the Hall Effect, J. Appl.

Stable Mesoporous SnO2, Sens. Actuators B, 83（1-3）,

Phys., 69（12）, 8368-8374（1991）.

209-215（2002）.

8） C. Xu, J. Tamaki, N. Miura, N. Yamazoe, Grain Size

15）K. Hieda, T. Hyodo, Y. Shimizu, M. Egashira, Preparation

Effects on Gas Sensitivity of Porous SnO2-basedof Porous Tin Dioxide Power by Ultrasonic Spray

Elements, Sens. Actuators, B3（2）, 147-155（1991）.

Pyrolysis and Their Application to Sensor Materials,

9） N. Yamazoe, N. Miura, Some Basic Aspects of

□

特集 6

Sens. Actuators B, 133（1）, 144-150（2008）.

レアアースを含むガラス□

京都大学大学院人間・環境学研究科
相間環境学専攻

物質機能相関論分野

田部 勢津久子切断波長変換材料に的を絞って例に取り上げ，4f 電子エネ

1. はじめに
レアアースは周期表 IIIB 族を構成する Sc，Y と第 6 周期のLa に始まる 15 種類のランタニド元素からなるが，Sc と Pm

ルギー準位を利用した光学遷移が機能発現にどう生かされているかを紹介してみたい．

を除くいずれの元素も種々の機能性ガラス材料の重要な構成元素であり，その役割は元素毎に個性的かつ様々である．ガ2. 希土類光ファイバ増幅器

ラス形成能と分極率に優れる La2O3 高含有低分散高屈折率

2.1. 波長多重通信（WDM）における増幅器

レンズや Y2O3 を含み高強度を実現したハードディスク基板

光ファイバの低損失化と分散制御が完成した 80 年代の第ガラスなど，主成分として用いられる例も少なくないが，多く

2 世代光通信波長は 1.55µm であり，Er3+ 添加光ファイバ増の光機能性ガラスにおいてはランタニドが微量添加発光中心

幅器（EDFA）が 90 年代に通信能力を飛躍的に向上させた．

元素として利用され，それらイオンの内殻 4f 電子の関与す今後，波長多重方式による容量増大を計るためにも，波長領る蛍光を利用した波長変換ファイバ 1)，固体照明 2) など広い域の拡大は必須である．図 1 は通信用光ファイバの近赤外域分野で材料開発が進んでいる．固体レーザ 3) や通信用光ファ

損失スペクトルにランタニドイオンの発光波長域を重ね書き

イバ増幅器 4-6) の様な誘導放出を利用したものも例外ではなしたもの 6) であるが．希土類ドープファイバでアンプを構成い．最近では入射光子の 2 倍数の光子を生成する量子切断蛍する限り，候補となる元素は右図にあるものに絞られてくる．

光を太陽光発電の効率向上に利用しようという研究も盛んに

適切な波長のレーザダイオード（LD）が開発され，かつシリ

なりつつあり 7)，その応用分野はますます広がりを見せていカをホストとできるが故に開発直後に大成功を収めたエルビ

る．4f 電子軌道は 7 つあるために，ランタニドは 3 価イオン

ウム（Er3+）とは異なり，多くの元素はエネルギー準位の特質に限っても原子番号に応じて 13 種類の多彩なエネルギー準から，高い増幅利得を実現するためにシリカ以外のガラスを位を有する．本稿は，機能，材料例も多岐にわたるレアアース

ホストとする必要がある．

含有ガラスの紹介文であるが，今回は光ファイバ増幅器と量– 15 –

No. 44 October 2012Materials and Processing Division Newsletter

Fiber Attenuation (dB/km)

半導体の多接合型デバイスの開発が進んでいる．今後，高効

101

Yb3+

率化は進むであろうが依然，実用段階での最も高い変換効率

3+

Er

Pr3+

（～ 25%）と普及率を誇っているのは結晶シリコン（c-Si）系
であり，他の材料系と比べ，総合的優位は続くものと考えら

Ho3+

Nd3+
Dy3+

Tm3+

100

れる．c-Si の Eg は 1.1eV であり，分光感度は波長約 1µm でTm3+最大となる．太陽光スペクトルのピークは 0.5µm 付近であるが，Eg より遙かに高エネルギーのフォトンの入射は熱損
失の原因になる．Shockley-Queisser の予測 7) によれば，c-Siに限らず単接合型太陽電池の変換効率の理論的限界は 30%

←Loss
-1

10

0.9

1.1 1.3 1.5 1.7
Wavelength (μm)

であり，これ以上の高効率化は望めない．ところが，もし波1.9

長 0.5µm 以下の成分を効率よく吸収して，量子切断により2 倍数の 1µm フォトンに変換できれば，c-Si 太陽電池の光電図1

変換効率を 1.3 倍高めることができるはずである．

光ファイバの損失スペクトルとランタニドのYb3+ イオンは 4f13 電子配置（ホールが 1 つ）であるため，

光増幅遷移波長

励起準位が 1 つしかないため，0.9µm 以下の波長では完全に透明であり，Yb3+ レーザがそうである様に，本質的に高効率

2.2.1. 3µm 帯プラセオジム：PDFA
当初シングルモード光ファイバのゼロ分散波長は 1.3µm

な 1µm 発光を示す．我々は太陽光の 0.5µm 以下の高エネルであったため，第一世代通信波長でもあり，この波長域は現

ギーフォトンを吸収し，1µm に変換する材料の開発を行って

在 WDM の帯域の中で，O バンドと呼ばれる．90 年代まではおり 8)，その一部を紹介する．

Nd3+ や Dy3+ イオンも研究されたが，励起状態吸収（ESA）や多フォノン緩和（MPR）による損失が回避できないことがわ

3.2．Pr-Yb 共添加ガラス

かってきて，Pr3+ イオンがこの波長域で唯一の実用化アンプ

Pr3+ イオンは波長 590nm に弱い吸収帯（1D2 準位）と 430の構成元素で高性能化の可能性が有力な候補である．2 つの〜 490nm の波長範囲により強い吸収帯（主に 3P2，1，0 準位）

欠点は光増幅始準位である 1G4 の下準位 3F4 とのエネルギーを有する（図 3 参照）．同ホストに Yb3+ を共添加すると両ギャップΔ E が 3300cm-1 しかないために，フッ化物など低準位はいずれも励起ドナーとなり，1µm 発光が観測される．

フォノンエネルギーホストでしか発光が観測しにくい，また
1G より上に適切な励起可能な準位がなく，かつ 1G への吸44

収遷移断面積が極めて小さく，適切な LD が存在しないために，パワー変換効率が低いことである．後者の欠点はファイ
バ長を長くして，また LD 励起 Nd3+ 固体レーザを光源とする
ことによりカバーされている．
3. 高効率太陽光発電のための量子切断蛍光体
3.1. その意義
温暖化ガス削減が叫ばれる中，太陽光発電の高効率化の重要性について，議論の余地はなかろう．新材料として，CdTe
系，CuInGaSe 系，またバンドギャップ（Eg）の異なる III-V 族

図3

Pr3+，Yb3+ のエネルギー準位と量子切断機構

図4

可視域での Pr3+ 吸収と Yb3+ 励起スペクトル

4

G7/2

12

D2

0.80µm

6

4

6

F5/2
F3/2 0.90µm
1.1µm

G4 1.02µm

1

8

F5/2
F7/2

6

F9/2+6H7/2
F11/2+6H9/2

6

6

H11/2

4

4

I13/2

3

H5

0

図2

4

MPR

Energy (103cm-1)

16

ESA1.3µm

1

1.3µm

4
I11/2
1.06µm

3H

4I

Pr

Nd

4
3+

9/2
3+

6H

15/2

Dy 3+

1.3µm 帯光増幅元素である Pr3+, Nd3+, Dy3+
イオンのエネルギー準位– 16 –

Materials and Processing Division Newsletter

No. 44 October 2012

図 4 に共添加ガラスの可視域の吸収スペクトルと Yb3+:1µm

参考文献

発光の励起スペクトルの比較を示す 9)．吸収係数の違い以上

1） 田 部 勢 津 久 : 平 尾 一 之 , 虎 渓 久 良 : 固 体 物 理 27[3]に短波長側の Pr3+:3PJ 帯が 1D2 帯よりも 1.6 倍高い励起効率（1992）186-196.

を持っていることがわかる．Pr3+ イオンが中間の 10,000cm-1

2） 田部勢津久 : 応用物理 79[1]（2010）54-58.

に 1G4 準位を有しているために，青色励起の後，2 段階的に，

3） 例えば「希土類の機能と応用」,（足立吟也監修，シーエム

3P → 1G と 1G → 3H という 2 段階の遷移により共鳴エネ
0
444

ルギー移動を 2 つの Yb3+ イオンに対して起こし，量子切断

シー出版 , 2006）第 3 章 : 光機能分野への応用 .
4） S.Tanabe: “Advances in Photonic Materials and Devices”,

による 1µm 発光が観測されるということである．

（The Am. Ceram. Soc., 2005）pp.1-16.
5） 田部勢津久 : 希土類 41,（2002）pp.1-10.
6） S. Tanabe: C.R.Chimie 5,（2002）815-824.

4. おわりに
レアアースの有する各種機能や物性は，ガラスに限らず多

7） W.Shockley, H.J.Queisser: J.Appl.Phys. 32,（1961）510-

くの材料において欠くことができず，それらは基幹材料として活用されている．安価な元素だけからなる代替材料を探す

515.
8） 田部勢津久 , 上田純平 : マテリアルインテグレーション研究も必要であるが，レアアースの高い機能を考えると「言うは易し」というのが現状である．

23[1],（2010）34-39.
9） Y.Katayama, S.Tanabe: Materials 3[4],（2010）24052411.

□

特集 7

ガラス用鏡面研磨材酸化セリウムの使用量低減技術
立命館大学
谷

□

理工学部

泰弘，村田順二種類の固体が存在する 4BODY 研磨の適用で解空間を増加さ

1. はじめにガラスの鏡面研磨材である酸化セリウムは，優れた研磨特せ，研磨能率と仕上げ面粗さをともに向上できないというト性が得られる一方，希土類金属の酸化物の一つであり，そのレードオフの関係を打破し，研磨特性を向上させることを検供給量の 90% 以上を中国が占める供給リスクの高い材料で討している．③では，研磨パッド材質の最適化による研磨特ある．中国のレアアース輸出制限を受け，2010 年の中頃から性の向上を，④では化学複合研磨による代替砥粒を開発して酸化セリウム研磨材の価格が高騰しており，ガラス研磨においる．本稿では，プロジェクトの研究成果の一部として，エポける酸化セリウム研磨材の使用量低減技術が強く要望されて

キシ樹脂研磨パッドと酸化ジルコニウム系代替砥粒についている．このような状況を受け，立命館大学は（株）アドマテッ

紹介する．

クス，
（株）
クリスタル光学，九重電気（株）の 3 機関とコンソー
シアムを形成し，経済産業省の「希少金属代替材料開発プロ

3. 多孔質エポキシ樹脂研磨パッドによる使用量低減

ジェクト」に参画し，鏡面研磨における酸化セリウムの使用

研磨パッドは砥粒を保持し，工作物表面に作用させる工具量を低減する研究開発を遂行している．本稿ではこの研究プであり，遊離砥粒研磨の研磨特性を左右する重要な要素の一

ロジェクトの一端を紹介する．

つである．現在，主流となっているのはポリウレタン樹脂を用いた研磨パッドである．著者らは研磨パッドの材質を見直すことで砥粒の滞留性改善を図り，様々な樹脂の中からエポ2. 酸化セリウム使用量低減の研究戦略
本プロジェクトでは砥粒（研磨材粒子）の滞留性（動きにく

キシ樹脂が研磨特性の向上に有効であることを見出した．そさ）に着目し，それを改善した高付加価値研磨技術の開発をこで，図 1 に示すようなエポキシ樹脂を採用した多孔質研磨行っている．砥粒の滞留性が向上すれば，ガラス工作物表面

パッド（エポキシパッド）を開発した．一般にエポキシ樹脂はに作用する砥粒の数が増加するため，研磨能率の向上や仕上
げ面粗さの改善が可能となる．また，工作物と砥粒の相対速度が向上するため，これによっても研磨能率の向上が見込め
る．研磨能率の向上により短い研磨時間で所望の仕上げ面が得られるため，砥粒の使用量を低減することができる．上記の研究戦略のもと，現在，大きく分けて①複合砥粒の研究開発，②複合粒子研磨法の適用，③高機能研磨パッドの開発，④新プロセス技術の 4 つの研究開発テーマを遂行している．
①では酸化セリウムより比重の軽いコアシェル構造の複合砥粒を開発し，砥粒の滞留性と分散性を高め，加工圧を集中させることで研磨能率の向上を図っている．②では加工域に４– 17 –

ウレタンパッド
図１

エポキシパッド
研磨パッドの外観

No. 44 October 2012Materials and Processing Division Newsletter

ウレタン樹脂に比べ硬くて脆い性質を示すが，樹脂の種類やのが図 4 である．いずれの砥粒を使用しても，エポキシパッド

製造条件の検討によりウレタン樹脂並の硬度や柔軟性を持によりウレタンパッドを上回る研磨能率が得られた．特に，市つエポキシ樹脂研磨パッドの製造が可能となっている．開発

販の酸化ジルコニウム砥粒を用いた場合，ウレタンパッドとしたエポキシパッドを用いて酸化セリウム砥粒によるソーダ

比較してエポキシパッド使用時に約 4 倍の研磨能率が得られガラスの研磨特性を評価したものが図 2 である．同硬度のウ

た．またウレタンパッドと酸化セリウム砥粒を使用した従来

レタンパッドと研磨特性を比較すると，硬度（JIS-A）78 と 90

研磨に比べて，研磨能率が７割程度向上する結果が得られた．

のパッドのいずれの場合も，エポキシパッドにより 1.5~2 倍

酸化ジルコニウム砥粒とエポキシパッドにより研磨した仕上程度の研磨能率が得られた．また，ウレタンパッドよりも優げ面粗さは従来研磨と同等であり，これにより酸化セリウムれた仕上げ面粗さが得られることがわかった．

の完全な代替を実現した．この多孔質エポキシパッドは 2012
年 4 月から九重電気（株）より市販を開始している．

0.6

エポキシ

1.0
0.8
0.6

ウレタン

0.4

0.4

0.2

0.2

0.0
図２

硬度78

硬度90

1.0
0.8

0.0

研磨能率

仕上げ面粗さ

工作物：ソーダガラス
砥粒濃度：3wt%
研磨圧力：20kPa
定盤/工作物回転速度：90rpm

0.8

エポキシ

0.6
0.4

0.6
0.4

ウレタン

0.2

0.2
0.0

ウレタンパッドとエポキシパッドの研磨特性の比較

1.0

SiO2

Fe2O3

Mn2O3

ZrO2

CeO2

仕上げ面粗さ (nmRa)

0.8

仕上げ面粗さ

研磨能率(µm/min)

研磨能率(µm/min)

工作物：ソーダガラス
砥粒：酸化セリウム(3wt%)
研磨圧力：20kPa
定盤/工作物回転速度：90rpm

仕上げ面粗さ (nmRa)

研磨能率

1.0

0.0

使用砥粒

図４

上記のエポキシパッドによる高い研磨特性の要因を調査す

エポキシパッドによる代替砥粒の研磨特性るため，研磨パッド上における砥粒の滞留性を評価した．図3 に示すようにスラリーを滴下した研磨パッドの傾斜角を変4. 酸化ジルコニウムによる酸化セリウム代替の検討化させて，スラリーが滑り落ちる時の角度（滑落角）を測定しエポキシパッドはスラリーの保持力が高く，砥粒の滞留性

た．ウレタンパッド上では約 30°の傾斜でスラリーが滑落しを改善することができた．一方，砥粒そのものを改良し滞留たのに対し，エポキシパッドでは 90°近くまでスラリーを保性を向上すれば，いかなる研磨パッド上でも研磨特性の向上

持することがわかった．上記のように，エポキシパッド上ではが期待できる．そこで，滞留性を改善した酸化ジルコニウム

ウレタンパッドに比べ砥粒の滞留性が改善されることが示さ

砥粒を開発し，酸化セリウムの代替を図った．

れており，これがエポキシパッドにより研磨特性が向上する要因であると言える．

酸化ジルコニウム砥粒の滞留性を高める手段の一つとして，砥粒をスラリー中において凝集させる化学液の添加を検討した．酸化ジルコニウム（比重：5）は酸化セリウム（比重：7）エポキシパッドよりも比重が小さいため滞留性が悪いが，砥粒を凝集させる

ウレタンパッド

ことによってスラリー中での沈降速度が高まり，滞留性が向上すると考えた．酸化ジルコニウムのゼータ電位を評価した
結果，等電点となるpH はおよそ 5であった．そこで，スラリーの pH が 5 付近となる添加剤を検討し，研磨特性を調べたものが図 5 である．酸化ジルコニウムのみでは，酸化セリウムと比較して研磨特性が劣るが，ガラスに対する腐食性の小さ
い硫酸第一鉄を添加することで研磨能率が向上することがわ

図３

研磨パッド上におけるスラリー滑落角の測定

かった．この酸化ジルコニウム砥粒は酸化セリウムの研磨能率には及ばないものの，10 分研磨後の表面粗さは酸化セリウ

エポキシパッドによる砥粒の滞留性改善効果は，酸化セリ

ムよりも優れており，代替砥粒としての可能性が示された．

ウム以外の砥粒にも有効である．エポキシパッドと代替砥粒滞留性を改善するもう一つの方法が，砥粒の転動を抑制の組み合わせにより，ウレタンパッドと酸化セリウムを用いたする高比重粒子の添加である．比重の高い粒子が障害物とな

従来研磨と同等以上の研磨能率が達成できれば，酸化セリウ

ることで，酸化ジルコニウム砥粒が動きにくくなり滞留性がムを完全に代替することが可能である．そこで，エポキシパッ

改善される．様々な添加物粒子が酸化ジルコニウム砥粒の研ドを用いて各種酸化物砥粒による研磨特性の評価を行ったも磨特性に与える影響を調べたものが図 6 である．酸化ジルコ– 18 –

No. 44 October 2012

ニウム 3wt% に対し，比重が 7 程度の酸化タングステンを

0.4

1wt% の濃度で添加した結果，研磨特性が向上し酸化セリウ
ムと遜色ない研磨特性を達成した．酸化タングステンそのも0.3

研磨能率( µm/min)のはガラスの研磨作用が極めて小さいため，酸化ジルコニウ
ム砥粒の滞留性を改善することに寄与したと考えられる．
図 5 と図６の効果は独立に作用するため、相乗効果で酸化セリウムと研磨特性が同等か優れる酸化ジルコニウム代替砥
粒が実現可能である．また，酸化ジルコニウムは洗浄性が優れるため，この点において酸化セリウムに対し優位性があると言える．この酸化ジルコニウム砥粒は近々の商品化を目指

10分研磨後の表面粗さ

4
3

0.2

2

0.1

1

0.0

している．

研磨能率

工作物：ソーダガラス
砥粒濃度：3wt%，添加剤濃度：1wt%
研磨圧力：20kPa
定盤/工作物回転速度：60rpm

なし

CH3COOH

FeSO4

CeO2

表面粗さ(nmRa)

Materials and Processing Division Newsletter0

ZrO2 + 添加剤
本稿では，著者らが国家プロジェクトとして取り組んでい図５

る「鏡面研磨用酸化セリウムの使用量低減技術」の成果の一0.5部を紹介した．エポキシ樹脂研磨パッドはガラスだけでなく研磨能率( µm/min)

シリコン基板など他材料の研磨においても高い研磨特性を発揮することがわかっている．また，滞留性を改善した砥粒
は粗研磨（ラッピング）への応用も可能であり，本プロジェク
トで開発した技術は，遊離砥粒研磨技術の高付加価値化に貢献できるものと期待される．
謝辞
機構（NEDO）の希少金属代替材料開発プロジェクトの援助

□

特集 8

0.4

研磨能率

10分研磨後の表面粗さ

工作物：ソーダガラス 研磨圧力：20kPa
定盤/工作物回転速度：60rpm
砥粒濃度：3wt%
添加粒子濃度：1wt%

2.0
1.6

0.3

1.2

0.2

0.8

0.1

0.4

0.0

本研究は，経済産業省 / 新エネルギー ･ 産業技術総合開発を受けて行われました．ここに深く謝意を表します．

化学液添加による酸化ジルコニウム砥粒の研磨特性

なし

CuO

NiO

AgO

WO3

CeO2

表面粗さ(nmRa)

5. おわりに

0.0

ZrO2 + 添加粒子
図６ 高比重粒子添加による酸化ジルコニウム砥粒の研磨特性

希土類蛍光体□新潟大学大学院

自然科学研究科戸田健司に担わせているということである．

1. はじめにルミネセンスとは，物質中の電子が基底状態から励起状態

蛍光体の発光イオンとして希土類がよく用いられるのは，に遷移して再び基底状態に戻る時に受け取ったエネルギー

図１に示すように発光に関わる 4f 電子軌道が比較的に原子をある波長の光として放出する発光現象である．このルミネ

核に近い位置にあり，エネルギーの高い励起状態でも電子雲

センスの原理に基づき，発光する粉末や薄膜材料を蛍光体とが容易に広がらないために，熱によりエネルギーを失いにくいう．化学的な安定性から実用蛍光体としては，主として無く高い発光効率を示すことができるためである．一方で，許機蛍光体が利用されている．一般的な無機蛍光体は，母体結容遷移である 5d - 4f 遷移で発光する Ce3+ や Eu2+ イオンで晶と呼ばれる物質に発光イオンを微量に添加することによりは，外殻軌道である 5d 軌道の準位が結晶場により影響を受作られる．例えば，蛍光灯に用いられている赤色蛍光体であけるために，母体結晶に依存して発光波長が変化すると共にる Y2O3:Eu3+ を例に挙げると，コロン（：）の左側に書かれた発光スペクトルも幅広くなる．一般的に発光イオンが存在す

Y2O3 が母体結晶であり，右側の Eu3+ が発光イオンとして母る母体結晶のサイトが小さくなれば，結晶場の影響が強まる

体結晶の構造に添加されていることを表している．母体結晶

ことにより 5d 軌道の分裂が大きくなり，基底状態と励起状に微量の発光イオン（賦活剤や発光中心と呼ばれることもあ

態の間のエネルギー差が小さくなるために発光波長は低エネる）を固溶させ，それぞれの組成や種類を変えることによりルギー側すなわち長波長にシフトする．すなわち，希土類イ

様々な光が得られる．発光イオンを導入する理由は，励起エオンは，結晶場の制御すなわち母体結晶の構造変化により必ネルギーを空間的に閉じ込める働きにより発光を効率的にす

要に応じて発光波長を変化させ，またそのスペクトル幅を自るためである．言い換えるならば，半導体に見られる量子井在に設計できるという点で，まさに蛍光体の発光イオンとし戸や量子ドットのような量子構造を，発光イオンの電子軌道て最適な元素群である．

– 19 –

No. 44 October 2012Materials and Processing Division Newsletter

ただし，希土類には供給に関する問題がある．最近の中国て炭素系材料の特性向上が著しく，蛍光体と組み合わせたによる希土類輸出の制限から，価格が高騰している．Y が 33

フィールドエミッションランプ（FEL）として特殊照明分野へ

ppm，La が 30 ppm，Ce が 60 ppm（例えば Zn が 70 ppm，Pbの展開が図られている．最新の FEL では，高加速電圧と高電が 12.5 ppm）という地殻中の存在量が希少ではないという事

流密度という過酷な励起条件の下で安定な材料が要求され実より，現在休業中の鉱山の再開や新鉱山の開発により希土類ており，重要な研究課題となっている．

問題はなくなるという楽観論も多い．しかし，蛍光体に使用される中重希土類の Eu や Tb イオンはイオン吸着鉱という形で

3. 真空紫外線励起用蛍光体（PDP）

中国南部に偏在している．ベトナムで新しい鉱床を探索する試

他に母体励起を利用する蛍光体としては，PDP 用蛍光体がみも行われているが，当面は中国からの供給に頼らざるを得なある．PDP では，Xe と Ne の混合気体の放電により紫外線をい．中国政府の希土類政策が不透明な事もあり，希土類フリー発生させ，この紫外線が蛍光体を光らせて表示する．Xe 放電

蛍光体の開発は依然として重要なテーマである．

では，147 nm（8.4 eV）および 173 nm（7.2 eV）の真空紫外無機蛍光体における励起源は非常に多種多様であり，同じ線が放出される．このエネルギーは，一般的な酸化物のバン

無機蛍光体であっても，用途により材料の選択および設計のドギャップよりも大きく，蛍光体は母体結晶の吸収を経由し指針は大きく異なる．本稿では，実用の無機蛍光体を中心にて発光することになる．蛍光体としては，真空紫外線を効率して，それぞれの応用用途において使用されている材料につ・Zn2SiO4:Mn2+（緑）・的に吸収できる（Y,Gd）BO3:Eu3+（赤）いて基本的な解説を行う．

BaMgAl10O17:Eu2+（青）が用いられている．３D 表示 PDP で原子核からの距離

6p

原
子
核
か
ら
遠
い

る．液晶ディスプレイ（LCD）より表示が速く，自発光で明るいことから PDP の方が 3D 表示に適している．従来使用さ

6p

P殻

6s

は，左眼のデータと右眼のデータを交互に表示する必要があ

電子軌道のエネルギーの順番（電子の入り方の順番）れていた Zn2SiO4:Mn2+（緑）は残光が長いため，残光が短い

5d
エ
ネ
6s ル
ギ

Y3Al5O12:Ce3+（YAG:Ce）系の蛍光体が用いられている．

5p

4. 紫外線励起用蛍光体（FL）

4f

5d
5p
O殻

5s

が

4f

4d 高

4d

5s

4p

N殻

水銀を 10-2 mmHg 程度の蒸気圧で放電させると，効率的いな 254 nm（および 185 nm）の紫外線を発する．この紫外線4pを蛍光体により可視光に変換することが蛍光灯の原理であ4s

4s

る．蛍光灯における蛍光体に最も必要な特性は，254 nm の
図１

紫外線を吸収して効率よく可視光を発光できることである．

希土類の電子軌道

また，放電空間にさらされるために，化学的に安定な物質でなければならず，酸化物系の材料が用いられている．

2. 電子線励起用蛍光体（CRT，FED，FEL）
CRT ディスプレイ用蛍光体は，20 keV 以上のエネルギー

古くから利用されている代表的な蛍光体は，Sb3+ およびを持った電子線により励起される．そのため，CRT ディスプ

Mn2+ を付活したハロリン酸カルシウム 3Ca3（PO4）2・Ca

レイ用蛍光体は帯電せず長時間安定に発光することが要求さ（F,Cl）2 である．この蛍光体において Sb3+ は 480 nm 付近のれる．母体結晶としては硫化物または酸硫化物が用いられ，

青緑の発光を示し，Mn2+ は橙色の領域に発光を示す．Sb/

赤色蛍光体として Y2O2S:Eu3+ が利用されている．CRT ディ

Mn および F/Cl 比を変えることにより，一つの蛍光体で青白

スプレイ用蛍光体への電子の侵入深さは µm のオーダーであい白色から暖かみのある白色までの連続的な色の発光を得る

るので，蛍光体表面での帯電および劣化を抑制するためメタことができる一方で，赤色領域の光が不足しているので色をルバックと言われる金属膜被覆を行っている．これに対して，正確に再現するという演色性が低い．そのため，現在では三薄型のフィールドエミッションディスプレイ（FED）では，数原色の希土類蛍光体を用いた三波長型蛍光灯に切り替わっkV 以下にまで加速電圧を低くする方向にあり，電子線は蛍光てきている．発光の半値幅の狭い希土類を利用する三原色

体の内部まで侵入できない．そのため，FED ではメタルバッ

蛍光体を組み合わせることで，良好な演色性を保ちながら視クの技術を使用できない．また，FED における電流密度は神経における色を感じる三原色の錐体細胞を強く刺激し，明CRT よりも高くなるので，蛍光体の劣化が CRT よりも発生しるく感じる白色光を実現できる．使用されている材料としてやすくなっている．CRT で用いられていた硫化物系の蛍光体，LaPO4:Ce3+,Tb3+（緑），Y2O3:Eu3+
は，BaMgAl10O17:Eu2+（青）は，高密度電子線の照射で分解し，飛散した硫黄がカソード（赤）やその改良型の蛍光体がある．

を被毒することも問題となっている．そのため，Y2SiO5:Ce3+（青）のような酸化物蛍光体が評価されているが，やはり劣化

5. 可視光励起用蛍光体（長残光蛍光体，白色 LED）
長残光蛍光体（いわゆる夜光塗料）や白色 LED 用蛍光体は，が顕著である．
ブラウン管テレビ（CRT）および FED はビジネスとして，す

可視光によって励起できなければならない．そのため，5d -でに過去のものとなりつつあるが，最近では電子放出源とし4f 遷移で発光する Eu2+ や Ce3+ のような発光イオンを用いる．

– 20 –

Materials and Processing Division Newsletter

No. 44 October 2012

図２に Eu2+ と Ce3+ のエネルギー準位を示す．外殻軌道であせは，コストアップと演色性の低下をもたらす．LED の発光

る 5d 軌道の準位が強い結晶場により分裂すると，基底状態

スペクトルの形状は半導体のバンドギャップにより決まってと励起状態の間のエネルギー差は小さくなり，励起バンドをおり，スペクトルの幅を用途に合わせて自由に変化させるこ

長波長側に移動できる．Ce3+ では基底状態の分裂も見られるとは難しい．また，三原色の LED はそれぞれ異なる電気特性ため，長波長で発光させるほど発光のスペクトル幅が広くなを持つため補正回路が複雑になり，コストを押し上げる要因

る．そのため，幅広い波長領域をカバーする必要がある照明になる．紫外 LED も 400 nm 以下の短い波長で効率が低下

用途の蛍光体において，Ce3+ の発光は有用である．一般的に，する傾向にあること，および封止樹脂を劣化させるという問同一の結晶母体中では Ce3+ の発光は Eu2+ より短波長になる

題がある．そのため，現状では，高い演色性を必要とする用途

ため，青色光励起による赤色発光蛍光体のような長波長の発では，青色 LED と緑および赤色の二色の蛍光体を組み合わ光を得るためには Eu2+ が用いられる．蛍光体の母体としてせる方法が用いられている．照明用では黄色蛍光体を緑色側は，共有結合性の強いケイ酸塩，アルミン酸塩，リン酸塩のよにシフトさせて赤色蛍光体と組み合わせる方法が採用されてうな酸化物や，窒化物（酸窒化物）が用いられることが多い．

いる．赤色蛍光体としては，（Sr,Ca）SiAlN3:Eu2+ が代表的である．最近話題となっている液晶ディスプレイ（LCD）におけるLED バックライトでは，LCD における画素の色は白色光を三5d1

6原色フィルタに透過させることで作られる．各色の色純度を

1

4f 5d

保つために緑色フィルタの波長幅を超えないように狭い発光スペクトルを持つ緑色蛍光体である Si6-xAlxOyN6-y:Eu（z ベー
タサイアロンと呼ばれる）が用いられている．
EnergyLED において，しばしば蛍光体フリー半導体材料がアピー
ルされている．LED の発光スペクトル幅を変化させるためには，組成を連続的に変化させる必要があり，安価に実用的な特性を得られていない．特に，波長カバー範囲が広い照明用
白色 LED において蛍光体を用いないで演色性を高めることは困難である．そのため，照明およびバックライトの用途に
2
2

Ce3+

図２

合わせて，多くの新しい蛍光体が開発され，白色 LED におけ

F7/2
F5/2

8

る蛍光体材料の重要性は年々高まっている．

S7/2

Eu2+

Eu2+ および Ce3+ のエネルギー準位図1
Intensity / a.u.

既存の白色 LED 用蛍光体の代表的なものとして，青色光の励起の下で効率の高い黄色発光を示す（Y,Gd）3（Al,Ga）
3+
2+
5O12:Ce （YAG:Ce）および（Ba,Sr）
2SiO4:Eu （BOS）がある．

図３は，人間の目の比視感度曲線を示している．明るい環境

0.5の下では 555 nm において人間の目の比視感度が最も高いので，この領域に発光を示す黄色蛍光体を用いて，青色 LED か0らの青色光と補色の関係にある黄色光で白色光を構成する

500と，その光を明るく感じさせることができる．図４に白色 LED

600

700

Wavelength / nm

用黄色蛍光体として知られる YAG:Ce の励起および発光スペ

図３

人の標準視感度曲線

クトルを示す．また，青色光の利用は，紫外光からの色変換に比べて励起光と発光のエネルギー差が小さく，本質的なエネ1ルギー変換効率も高い．ただし，この組み合わせでは，演色Intensity / a.u.

性が悪い．現在の白色 LED が擬似的な白色と呼ばれる理由
は，三原色ではなく補色関係の二色の光を組み合わせていることにある．物体の色は，照射した光の反射により見えるので，擬似的な白色光照射の下では赤色の物体色が鮮やかでな0.5いという問題がある．
白色 LED において光の三原色を含む真の白色光を得るた

0

めには，三原色の LED を用いるか，紫外 LED で三原色の蛍– 21 –

500

600

700

Wavelength / nm

光体を発光させるか，または青色 LED で緑および赤色の二色の蛍光体を発光させる必要がある．三原色 LED の組み合わ

400

図４

黄色蛍光体 YAG:Ce の励起および発光スペクトルNo. 44 October 2012Materials and Processing Division Newsletter

□

特集 9

資源問題の現状と元素戦略□

物質・材料研究機構

特命研究員

原田幸明
設計に制約を与える段階に突入したのである．つまり，我々

1. 資源問題の新段階
我が国では資源問題を中国の戦略上の問題かのように誤解している論者も多いが，世界的に資源問題は新たな段階に突は過去の賢人が持続可能性の問題として指摘してくれた「将来世代」の入り口に立っているのである．

入している．20 世紀に入って資源の価格は長期低落傾向であり，それ以前のように資源貿易が価値を生み出す余地は小さ

2. 資源端重量で考えることの重要性くなってきていた．そのため資源メジャーもどちらかというとこのような資源問題は基本的に次の二つの要素によって大石油メジャーの後塵を拝していたが，ここ近年になって積極きくなっている．ひとつは，これまで取り残されてきた人口

的に M&A を繰り返して巨大化し過去の恐竜がよみがえって80% にもおよぶ発展途上国の当然の権利としての豊かさの食い合いを始めているといわれるほどである．そして，図 1 に追求であり，もう一つは先進諸国における環境・エネルギー・

金の価格の変化を示すように価格はリーマンショックをも振情報などでのイノベーションに対する新素材への期待であり切って急上昇している．この傾向は，石油がそうであるようる．これに対する資源の側からの制約の形成は一様ではなく，に石油そのものの物の価値よりも金融商品としての価値が先

図 2 の左下に示したような，量的．地政学的，エネルギー的，行する傾向が金属資源にももたらされだしたとみることがで

環境的要素となって表れる．特に注意したいのは，その下にきる．すなわち，これからは資源そのものの使用価値ではな

付け加えてある供給速度の問題であり，副産物の場合にはそく，資源価格の変動操作による金融商品としての価値が市場の需要ではなく主生産の需要により供給速度が決まるためアを席捲し，高値や変動が一時的なものではなく恒常的な市場

ンバランスが起き市場での不安定性を生み出しやすい．そし操作として展開される段階に入ってきたとみるべきである．

て，レアメタルの多くは副産物である．これは，先述した金融商品化の波にさらされやすいことも意味しており，レアメタ
ルについては特に供給変動のリスクに耐えるシステム作りを準備する必要がある．
このような中で様々な領域で持続可能性が危機にさらされるわけであるが，特に我が国では国民経済の持続可能性に敏感である．これは基本的に資源が国境を越えて偏在していることに起因している．末尾の周期表の三段目「占有」は生産シェア一位の国を国連に基づく国コードで（南ア ZA. 中国
CN, オーストラリア AU のように）表し，数字はそのシャア %

図1

である．有名な希土類はランタノイド（ln）のところに 97% 中金の価格の推移

国のように記載してある．
そのような中で，一部の貴重な金属では重要な変化が起き

人間経済の持続可能性となると国境を越えた全体の資源出している．本稿の末尾（図 8）に各金属資源の現状を知るた状況が問題となる．末尾の周期表の第一段「耐用」はいわゆるめのサステイナブル周期表を付けた．その 4 段目に「増大」「耐用年数」であり現有可採埋蔵量を年間消費量で割った値の項目があり 1999 年から 2009 年までの生産量の伸び指数である．もちろん年間消費量は年々変わるし，埋蔵量も現有を示している．鉄の例をとると指数 165 で 165% に生産が伸の技術と経済環境で採掘可能であるが未だ掘っていないもの

びたことを表している．このように多くの金属消費は右肩上がりの成長であり，それが将来の資源問題に危惧を持たせて近年の資源問題激化の2つの要因
世界の8割の人々による豊かさの追求による資源需要拡大いるのであるが，その中で有害性を指摘された Cd,Hg 等の金属の減少は致し方ないとして，重要な金属が生産の減少もし

環境・エネルギー・情報等技術イノベーションによる新規資源要求

くは停滞となっている．それは Nd（ネオジム）と Au（金）である．これらは片や電気自動車や風力発電のモータやダイナ
モの磁石として，片や情報産業や半導体にとっては高密度安定電子授受の接点として不可欠な素材である．これらの生産指数が停滞しているということは，その需要が減退している事を意味するものではない．使用量を徹底的に削減して素材効率を高める方法がとられ出してきたからである．これまで，資源問題のもたらす
3つの持続可能性への危機

資
源
制
約
の
四
タ
イ
プ
+1

量的要素

現有技術で掘りだせる絶対量に限界
Au, Cu, Zn

地政学的要素1-2カ国に資源が偏在
Pt, Nb, Dy Li Co

製造技術的要素(エネルギー要素)

電力価格等に依存

Ti, Al, Mg, Si

環境要素

廃水、廃鉱石など環境コストの増大

希土類

プラス1

地球環境の
持続可能性
人間経済の
持続可能性
国民経済の
持続可能性

供給速度の問題

副産物金属

資源問題は現世代の問題ではなく将来世代に対する責任の問題であると論じられてきた．しかし，今や，資源制約が製品の– 22 –

図2

近年の資源問題激化の２つの要因

Materials and Processing Division Newsletter

No. 44 October 2012と定義されており，経済の概念が入っているので経済状況で“ 循環 ” は一旦人間経済圏に取り入れられた物質を再利用変化する．そのため耐用年数は資源がいつまで持つかというし極力資源端での掘削を削減することで全体としての資源端年数を示すものではない．しかし，この値が小さいほど自転

重量を小さくする．この人間経済圏に存在する物質が形成す

車操業をしていると理解しておいてよい．

るのが「都市鉱山」である．
「都市鉱山」は使用済小型家電のよ

このような中で注意しなければならないのは地球環境のうな家庭屑を指すのではなく，産業屑，工場屑などすべての利

持続可能性である．多くの金属資源が生物多様性に富む地

用可能な人類経済圏内の資源を指す．むしろ，産業屑や工場域で採掘され，そこの環境破壊に大きくかかわっている．さ屑のほうが集中して存在し鉱脈としては利用価値が高い．

らに，資源の確保が厳しくなるにつれて対象とする鉱石の品

冒頭に述べた資源の状況を反映して，この都市鉱山の位置

位は年々低下しており，これは同一量の金属を得るためにづけが現在大きく変わってきている．かっては，図 4 の左の必要な土壌などの天然資源量を増大させている．このあるように，天然鉱山に対するもう一つの供給源でしかなかった．

量の金属などの製品を得るためにどのくらいの天然資源を

しかし現在では，まず，金，銀をはじめとする多くの種類の金必要とするかという量は関与物質総量（TMR:Total Material

属で，すでに採掘され人間経済圏に持ち込まれたものの量が，Requirement）と呼ばれる．図 3 には単位量の金属に相当す

地下に存在する天然鉱山の埋蔵量より多いという段階に至っ

る TMR 量を TMR 係数として縦軸に示した．なお，このグラている．著者が 2008 年に発表した我が国の都市鉱山蓄積ポフの横軸は 1 トンの金属生産に係る CO2 発生量，バブルのテンシャルもその一例で，我が国だけでも世界の埋蔵量の一大きさは細胞毒性の程度を表している．この図から鉄の TMR

割以上の金属が眠っているのである．次に重要なことは，資係数は 8 程度であるが，金では百万を超える値となっている．

源の偏在が問題となる中で，「都市鉱山」の持つ優れた優位性

多くの廃水を発生する希土類も一万以上と大きい．このようがある．それは，消費地が即原材料であるスクラップの発生に貴金属やレアメタルの TMR 係数は鉄やアルミニウムに対地であり，資源と消費の偏在の問題が大きく解消できることしてけた外れに大きく，たとえ製品の中で使われる量が微量である．さらに，リスク管理の側面が注目される．これから供であっても資源の採掘サイトでは大量の物質を取扱い，環境

給変動のリスクにさらされるレアメタル類に対して，消費直への影響も大きくなる．たとえば，消費者の手元では 100g に結もしくは工場直結の形でショートサーキットのサプライ・

満たない携帯電話機に数 mg の金が用いられているが，このサブチェーンを準備し，供給リスクに備えていくうえで，都市TMR でみると総量は 30kg を超え，その 2/3 は金が関与して鉱山はまさに身近にそれを形成できるルートである．資源供いる．このように消費段階の重量を消費端重量とよぶならば，給リスクが増大する中でリサイクル型のサブチェーンを持っTMR でみた重量は資源端重量になる．これはある意味では資ていないハイテク製造業は，復水器の機能しない原子炉にも源の重み，資源の価値ということもできる．この資源端重量

例えられるだろう．

で製品を見て，その減量化や代替を図ることが，資源国に対都市鉱山の役割が変化し大きくなる中で，リサイクルの方

するコミュニケーションにおいてこれから重要になってくる．

法や技術にもそれに対応すべき変化が求められる．リサイク
ルはこれまで廃棄物の減量化のためのリサイクルと資源の確保のためのリサイクルの二つの側面があるとされてきた．図3. 都市鉱山開発の新たな意義
このように 3 つの持続可能性が危機にさらされる中で，問5 でいう，廃棄物リサイクルと金属回収リサイクルである．しわれてくるのが元素戦略であり，“ 代替 ”，“ 減量 ”，“ 循環 ” がかしここにハイテク産業のリスク管理の観点が入るとそれでその柱となる．これは，資源問題に対してそれを使う側が “ 代は不十分になる．なぜならば金属回収リサイクルは必要とす

替 ”，“ 減量 ”，“ 循環 ” によって資源端重量を下げていく取りるハイテク製造業に戻るのではなく汎用製品として市場に出組みをすすめることに他ならない．

ていく構造になっている．市場においてリサイクルの位置が大きい鉄やアルミでは資源確保としての循環が行われるが，
リサイクル市場の未熟なレアメタルではむしろワングレード
落ちるものとして循環を形成しえなくなっている．すなわち，現状のリサイクルは資源確保のリサイクルではなく，使用済

TMR coeff. ton/ ton-metal

みの有価物を「お金」に変える「換金リサイクル」の側面が強いのである．今リサイクルに求められているのは，いかにして「換金リサイクル」を卒業し，供給リスクにも対応できる「原料Bubble size presents
the degree of toxicity

確保リサイクル」として循環を造りだすかである．
「換金リサイクル」の場合は汎用インゴットにして市場に出すことが目的となる．
「原料確保リサイクル」では，使用目的に応じた組成，不純物のコントロールが重要になる．たとえば電子材料に用いるときの金は銀の混入を嫌う．リチウムイオン

CO2 ton-CO2/ ton-metal

図3

金属元素の環境インパクト

電池に用いるコバルトはナトリウムを嫌う．これらは製品製造側から忌避物質と呼ばれる．これらの忌避物質をコントロー– 23 –

No. 44 October 2012Materials and Processing Division Newsletter

ルしレアメタルを的確に製品原料に繋げるリサイクル技術，

Zn代替
耐食メッキ
Al2O3

いうなればこれまでのメタラジーに対して「ファイン・ケミカ
ル・リサイクル」というべき新しい技術の誕生が待たれている．

ﾚｱﾒﾀﾙ代替
電極材
P, Ca

Li代替
二次電池
高分子

現在

1980年代ﾚｱﾒﾀﾙ代替
メモリ
Al2O3

In代替
透明電極
TiO2

既利用資源量が地下資源量を上回る時代

確定埋蔵量:
何があるか明確で探索の必要がない

In代替
透明電極
ZnO

品位:
集約的使用で天然鉱石より高品位

Pb代替
圧電素子
Ba

「資源の偏在」と「消費の偏在」の一致
省エネルギー:
採掘、製錬(還元)の必要がない

CeO2代替
研磨技術
ZrO2

W代替
超硬工具
TiCN

PGM代替
浄化触媒
遷移金属

Dy代替
磁石

Eu,Tb代替蛍光体
P

6

レアメタルの供給不安定に対するリスク管理

環境:
景観の改善、拡散による環境汚染防止

図6

世の中変わってきているよ元素戦略・希少金属代替プロジェクトでの取り組み例

ム代替で可能とした．このように，従来の代替は，資源の逼迫に押されて類似の資源による成分置き換えで行われていたの

図4

都市鉱山の意義に対して，機能発現に対する科学的知見をもとにして，そのメカニズムから代替しようと試みている．これは，従来の成

安定
ストック

原材料確保
リサイクル

分置き換えでは類似の資源は同様の資源問題に遭遇するとい

高機能性(付加価値性)工場屑

必要なものをリサイクルで確保する忌避物質を含
まない原料

産業屑

う制約を持っていたが，全く違った元素群を利用することが家庭屑

でき，代替の可能性を大きく書き換えている．また，このよう

これからにメカニズムからの代替は材料として使用される関連属性を経済性も大幅にコントロールすることができ，既存の製品への代替

ケミカル

汎用インゴット

金属回収
使えそうなものを リサイクル
リサイクルで商品に変える

的利用の枠を超えて，製品への新しい技術の導入とともに生利益
フロー

かされることができ，代替を受動的イメージから，能動的進

環境性

化的代替へと前進したものになっている．

負担
分担
冶金

ロバストな組成と安定性

そもそも，我々が利用する物質の機能は原子配列と電子構

廃棄物利用
リサイクル

造によって決まっている．従来はこの原子配列も電子構造も困ったものをリサイクルで無害にする

自然界での反応を通じた安定構造の中から選択せざるを得

窯業

図5なかった．しかし，現在では非平衡論的な不可逆過程を利用

異なる 3 種類のリサイクル

したプロセスや原子レベルをコントロールするナノファブリ
ケーション技術が進歩し，さらに自然界では到達しがたい準

4. 抜本的代替の可能性

安定系を含めて計算科学により ab initio（アビニショ : ラテ

もうひとつの重要な元素戦略は「代替」である．この代替技

ン語で初めからの意）からの物質状態予測もかなりの程度可

術の開発は 2007 年から開始された文科省の元素戦略プロ

能になっている．これらをベースにして図 7 のような原子配

ジェクト，経産省の希少金属代替プロジェクトで積極的に取列と電子状態のコントロールを進めれば，普遍的に存在する

り組まれ，ジスプロシウム（Dy）減量化など優れた成果が出て元素（EAE; earth abundant elements）で機能を引き出すこといる．図 6 に示したのはその代表的テーマである．図からも分も可能となろう．

かるように，文科省と経産省は協力関係で役割分担をして進めている．図 6 の青の部分が経産省の受け持ちの部分で，具

原子配置制御に基づく多面性能物質創製の概念

体的な代替，減量化の対象と量的目標を決め 5 年をめどに成

特徴：材料を分野別ではなく、機能の視点でとらえる。
そのためのツール（あるいは共通言語）が結晶構造、電子構造、欠陥、不純物である。
サブナノレベルでの結晶格子状態の制御として設計果を出して実用化へと進めることを目指している．他方，図 6の緑のテーマが文科省であり，メモリー機能をアルミの酸化状態で得ようとするなど将来の抜本的な代替を目指している．
両者を通じての優れた成果は Dy の減量化，代替の技術でドーピング
プラズマ水素ドーピング
by Ishigaki, nims

欠陥制御

原子配列設計圧電素子
by Ren, nims

不整格子

光触媒設計
by Ye, nims

人工格子
単結晶、多結晶、非晶質

ある．Dy は世界最強の Nd-Fe-B 磁石の弱点である高温での保持力の低下を抑えるために添加されていた元素である．技術開発はこの高温保持力の低下抑制を，従来の代替のようにDy の役割を他の成分で置き換える成分代替で行うのではな
く，結晶粒の微細化による磁区反転の困難化や粒界構造の解析知見に基づいた反転磁区発生の核形成制御というメカニズ– 24 –

励起状態

格子振動
電子軌道

誘電
圧電
焦電

剛性率
蛍光

電子スピン
磁性

バンドギャップ

熱膨張係数

発光
電気伝導度 光励起

熱電材料

密度

フォトニック 熱伝導度

多様な領域での多面的な要請に応えうる代替元素選択の拡大

図7

電子・原子構造を考えたアプローチ

Materials and Processing Division Newsletter

No. 44 October 2012

近代科学は献金術を否定し，元素の概念を持ち込むところ

資源問題解決の入り口である．なぜならば，資源問題の根源から始まった．ナノテクノロジーの前進は，この元素にとらは，天が我々に与えた元素の配分と，我々の用いている元素

われることなく原子配列と電子状態制御で必要な機能を取りの市場規模が大きく異なることによる．われわれが EAE を使出しうるところまで達している．これは，ある意味では nano-

いこなせるようになればそれは資源問題の抜本的解決になる

alchemy と呼べるアプローチである．この nano-alchemy は

のである．

H

Li

194
1.5
41CL
120

• 資源端重量: 1kg生産にかかわる総資源ton数• 占有度: 生産1位の国のシェア(%), 国名コード• 増大率: 1999年と2009年の生産量比(%)

B

56
100

5500
0.07
82CN
215

K

Ca

Sc

0.09

2.

26CA
99

Rb
0.13

10
0.51
48ES
133

Cs

Ba

Y

ディスプレイ・研磨

記録メディア

難燃剤
次世代太陽電池

ICチップ・部品

熱電変換・冷却
触媒・反応電極

照明

次世代構造材

V

Cr

208
1.5
37CN
135

60
0.03
42ZA
180

40
0.01
22CN
163

Zr

Nb Mo

Tc

371

73
0.64
92BR
335

48
0.75
25US
155

(Ln)

Hf

Ta

W

800
97CN
162

31
0.51

Fr

Ra (An)

Mn

1300
0.04
23AU
220
4200
0.55
41AU
151

61
2.7

0.01

147

光機能

電池

Ti

237

Sr

モーター・磁石

配線・導電

10
151

La

1600
8.2
371*

Ac

Fe

Co

Ni

Zn

39CN
165

0.008

22
0.04
28CN
131

Ru

Rh

O

F

Ne
Ar

P

S

Cl

0.03
65CN
169

35CN
114

126

130

Ga

Ge

As

Se

7.3
157

32
71CN
241

0.03
47
129

59
0.45
50JP
119

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Si

124

Br

Kr

38IL
86

I

Xe

160
810
41ZA
156

14
48
18PL
134

22
2.5
37CN
153

Te

0.07
23CN
94

24
1.2
50CN
250

Sb

79
79ZA
119

160
2300
79ZA
85

0.06
91CN
136

10
44JP
88

59CL
159

Re

Os

Ir

Pt

Pb

57
0.02
62CN
221

Po

At

Rn

0.4

17
0.03
43CN
128

Bi

400
79ZA
40

32
2
63CN
56

Tl

540
79ZA

17
1100
13CN
101

Hg

18
48CL
118

160
530
79ZA
118

Au

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

30

12

32

32

32

Ce

Pr

Nd Pm Sm

7.9

16

図8

サステイナブル周期表67

420
12

246*

188
33

17

244
55

209
16

600

90*

Pa

U

* 日本の輸入量より推定

図8( ) 地殻より海水中に含まれるもの

参考文献 米国鉱山局データ USGS minerals information
工業レアメタル8「概説 資源端重量」 NIMS-EMC 材料環境情報データ No.18

22

2011

Cu

31
0.36
34CL
125

40
0.2
81CN
185

Th

N

164
0.05
31CN
163

Al

41
0.26
19RU
125

33
6.8
48AU
245

770
18

C

0.14
47TK
101

122
0.61
40CG
219

92

He

(供給編)

Be
2.5
86US
42

Na Mg

2800

サステイナビリティ周期表• 耐用年数: (現有可採埋蔵量)/(年間消費量)

耐用
TMR
占有
増大

サステイナブル周期表成される 3 層クラッド材の芯材を上側双ロールキャスターで，年度部門賞・部門表彰の受賞者決定

表材の作製と芯材との接合を下側双ロールキャスターで行い○フェロー賞 :1 件

２工程クラッド材の作製を行います．まず，芯材に高融点，表

フェロー賞を受賞して材に低融点の材料を用いた 3 層クラッド材の作製を試みました．その結果，接合界面が明瞭なクラッド材の作製を行うこと

大阪工業大学が可能でした．次に各層の融点関係を反転させたクラッド材

柘植の作製を試みました．その結果，芯材と表材が混合したクラッ浩志

ド材となりました．この原因として，融点の低い材料の芯材がこの度は ICM&P2011 において発融点の高い表材の溶湯によって再溶解されたことが原因と考表 い た し まし た “VERTICAL TYPE

えられました．混合層のないクラッド材を作製することを実TWIN ROLL CASTER WITH SCRAPERS FOR CASTING CLAD現するためには融点の高い材料を融点の低い材料の溶湯で加STRIPS” に対しまして機械材料・材料加工部門のフェロー賞を賜熱する必要があります．そこでスクレイパーを使用した縦型

り大変光栄に存じます．本研究を進めるにあたりご指導いただい

双ロールキャスターを考案しました． この装置には１対の縦た羽賀俊雄教授，本賞にご推薦くださりました先生方および委員

型双ロールキャスターの各ロールにスクレイパーを装備しての皆様方に心よりお礼申し上げます．

います．スクレイパーは可動式の軟鋼板に断熱材を貼り付け

クラッド材は複数の異なる合金を組み合わせることによりたプレートで回転支持となっています．スクレイパーを使用

単一素材では得ることのできない特性を有した板材です．例

することにより，芯材と表材の溶湯を混合させることなくロー

えば，リサイクル材に少量の表材を組み合わせることでリサ

ル上に注湯させること，融点の高い表材を作製して，融点の低イクル材を有効活用させることが可能です．しかし，クラッド

い芯材の溶湯で加熱することを可能にしました．作製を試み

材の製造工程は D.C. 鋳造熱間圧延法による板作製工程と接合た結果，芯材に低融点，表在に高融点の材料を使用した混合工程からなり多くの工程を要し，高コストとなっているため，層のない３層クラッド材の作製が達成できました．これらの製造工程の省工程化が求められています．そこで，我々は縦結果より，縦型双ロールキャスターにより省工程で 3 層クラッ型タンデム双ロールキャスターを考案しました．この装置はド材の作製が可能であることを示すことができました．

溶湯から直接薄板を作製することが可能な縦型双ロールキャ
スターを上下に配置した構造となっており，芯材と表材で構

今後はこの受賞を励みにして，技術者としてより一層の努力をしていく所存でございます．有難うございました．

– 25 –

No. 44 October 2012Materials and Processing Division Newsletter

機械材料・材料加工部門「部門賞・一般表彰」公募のお知らせ
機械材料 ･ 材料加工部門では，第 90 期部門賞および部門一般表彰候補を下記の要領で公募します．自薦他薦を問わず奮ってご応募下さい．
＊公 募 締 切 ： 2012 年 12 月 3 日（月）厳守＊推 薦 書 類 ： 推薦・申請用紙を部門ホームページよりダウンロードしてお使い下さい．
＊被推薦者資格 ： 各賞とも日本機械学会会員であることが受賞資格となります．
＊書 類 提 出 先 ： 日本機械学会 機械材料・材料加工部門 （担当者 石澤 章弘）
		 〒 160-0016 東京都新宿区信濃町 35 信濃町煉瓦館 5 階
		 電話（03）5360-3502，E-mail：ishizawa@jsme.or.jp
推薦された候補者は第 3 技術委員会で審査され，部門運営（4）部門表彰（優秀講演論文部門）： 当該年度に開催された委員会で受賞者を決定します．結果は，今年度中に本人に連本部門企画，担当，主催または共催の講演会において発絡し，次期（2013 年度）のニュースレターに掲載します．また，表された機械材料・材料加工分野の講演論文中，学術受賞者は，2013 年度年次大会開催時に表彰する予定です．

･ 技術の進歩発展に寄与したと認められる論文の著者をなお，本件に関するご質問 ･ お問合せ等は，第 3 技術委員会対象とする．

委 員 長（ 藤 本 浩 司，電 話（03）5841-6567，E-mail：tfjmt@（5）部門表彰（奨励講演論文部門）： 当該年度に開催された

mail.ecc.u-tokyo.ac.jp）までお願いします．

本部門企画，担当，主催または共催の講演会において発各賞の概要表された機械材料・材料加工分野の講演論文中，将来（1）功績賞： 機械材料・材料加工分野に関する学術，教育，当分野の学術 ･ 技術の進歩発展に寄与すると期待される

出版，内外の交流など諸般の活動において，本部門の発

若手講演登壇者（2013 年 4 月 1 日現在において 32 歳

展と進歩に積極的な貢献または顕著な業績のあった者に以下の者）を対象とする．

授与する．

（6）部門表彰（新技術開発部門）： 機械材料 ･ 材料加工分野（2）業績賞： 機械材料 ･ 材料加工分野に関する研究またはにおいて本部門企画，担当，主催または共催の集会，出技術開発において，顕著な業績のあった者に授与する．

版物等において発表された新技術，新製品の開発者中，（3）国際賞： 機械材料 ･ 材料加工分野における学術，教育，出版などに関する国際的な活動を通し，本部門の発展と工業技術の進歩発展に特に貢献した者を対象とする．
（7）部門表彰（国際貢献部門）： 本部門の国際会議や国際交進歩に積極的な貢献または顕著な業績のあった者に授流に関し，特に優れた貢献のあった者を対象とする．

与する．

2012 年度年次大会『日本再生に向け新たな未来を切り拓く機械工学』in 金沢の御報告		

第 89 期第一技術委員会（年次大会担当）		米山猛（金沢大学）2012 年度の年次大会が，2012 年 9 月9日（日）～12日（水）

ノ材料プロセス工学のイノベーショ ン（材料力学部の日程で，金沢大学角間キャンパスにおいて開催されました．

門，マイクロ・ナノ工学専門会議との共同企画，9 件）

多数の方が参加され，活発な発表・討論が行われました．

［J041］工業材料の変形特性と強度およびそのモデル化（計国 際 基 調 講 演 で は，Veronique Michaud 先 生 よ り，「Processing of smart composite materials，towards tailored

算力学部門，材料力学部門との共同企画，22 件）［J042］超音波計測・解析法の新展開（材料力学部門との共

damping and matrix healing」の御講演がありました．基調講演として，「DLC コーティングの最前線」，「米国における生産

同企画，20 件）［J043］高分子基複合材料の加工と評価（材料力学部門との技術における国際会議の動向」の御講演がありました．ワー

共同企画，19 件）

クショップでは，「減災・サステナブル工学研究会創設に向け［J044］知的材料・構造システム（材料力学部門，機械力学・て」の提案がありました．先端技術フォーラム「M ＆ P 最前線」

計測制御部門，宇宙工学部門との共同企画，54 件）

では，各種材料の最前線についての御報告がなされました．

［J045］締結・接合部の力学と評価（計算力学部門，材料力部門同好会では，基調講演の講師の方も交え，楽しく交流が行われました．御尽力下さいました皆様に感謝申し上げます．

学部門との共同企画，13 件）［J111］摩擦・摩耗制御のための材料及び表面改質（機素潤
滑設計部門との共同企画，15 件）［G040］機械材料・材料加工部門一般セッション（28 件）［J164］マイクロナノ理工学：nm から mm までの表面制御［S041］粉末成形とその評価（9 件）とその応用［S042］セラミックスおよびセラミックス系複合材料（9 件）（情報・知能・精密機器部門，機械力学・計測制御部門，機［S044］溶射・コールドスプレー皮膜とその評価（10 件）

素潤滑設計部門，生産加工・工作機械部門，マイクロ・ナノ［J032］安全安心の先進デバイス設計に向けたマイクロ・ナ

工学専門会議との共同企画，15 件）– 26 –

Materials and Processing Division Newsletter

No. 44 October 2012

3rd Asian Symposium on Materials and Processing（ASMP2012）in Madras の報告
シンポジウム委員長 武藤睦治（長岡技術科学大学）
実行委員長

井原郁夫（長岡技術科学大学）

第 3 回 機 械 材 料・ 材 料 加 工 に関 す るアジ ア 国 際 会 議

初日のオープニングセレモニーにはチェンナイ総領事の中野（ASMP2012）は，2012 年 8 月 30 日 か ら 31 日 ま で，イ ン氏ならびに IIT 関係者を迎え，盛大かつ和やかな雰囲気の中

ドのチェンナイ市にあるインド工業大学マドラス校（IIT

でインドとの相互理解を一層深めることができました．最終

Madras）において，同大学の協力を得て開催されました．イ

日のクロージングセレモニーでは，ベストポスター賞の発表

ンド，日本，タイ，マレーシア，中国，スウェーデン，フィリピが行われ，2 名の日本人学生を含む 6 名の将来有望な若手研ンなどから多数の参加者を迎え，機械材料・加工・評価など究者が表彰されました．

の各分野の研究者や技術者間の国際交流ならびに情報交換の場として大変有意義な国際会議となりました．

最後になりますが，本シンポジウムの準備・実行に多大なご尽力をいただきました実行委員会の皆様，IIT 関係者なら講演数は口頭発表 2 件，ポスター発表 48 件でした．31
日には日立製作所横浜研究所生産技術研究センタ長の沢びに参加者全ての方々に，この場をお借りして厚く御礼申し上げます．

真 司 氏 に よ る 基 調 講 演「Simulation-based technology foradvanced manufacturing」が行われ，先進生産プロセスにおけるシミュレーション技術の活用に関する興味深い話題が提供されました．また，日本より 3 件の招待講演がなされました．なお，アブストラクト申込数は 360 件を数え（ただし，大半はインド国内），講演採択率は約 50% であったことから，
本シンポジウムに対するアジア諸国の参加者の関心の高さを再認識することができました．
バンケットはチェンナイ市内のホテルで開催され，部門表
彰（国際貢献部門 3 件）も行われました．バンケットならびに会場（Industrial Consultancy and Sponsored Research Building）前にて

第 20 回機械材料・材料加工技術講演会（M&P2012）開催のお知らせ
今年度の M&P2012 は大阪工業大学で開催させて頂きます．本講演会では，「日本を支えるものづくり」をテーマとし，新たなオーガナイズドセッションが企画されています．多数の皆様のご参加をお待ちしています．
U R L ： http://www.jsme.or.jp/conference/mpdconf12/
開催日 ： 2012 年 11 月 30 日（金），12 月 1 日（土）・2 日（日）会

場 ： 大阪市旭区大宮 5-16-1 大阪工業大学大宮キャンパス

技術講演会 12 月 1 日（土），2 日（日）着部の CAE モデリング・解析・評価技術，C-3：知的材料・

OS テーマ構造システム，C-4：材料・加工・構造物の信頼性を支える

A：材料

評価・モニタリング技術，C-5：材料・構造部材の動的特性

A-1：高分子／高分子基複合材料，A-2：金属／金属基複D：三分野融合

合材料，A-3：セラミックス／セラミックス基複合材料，A-4：

D-1：伝統産業工学，D-2：リサイクルと省エネプロセス，

複合機能化材料・デバイスとその加工プロセス，A-5：摩擦・D-3：金属マイクロ／ナノ材料の創製・評価・応用，D-4：ポー

磨耗材料，A-6：アルミニウム合金およびマグネシウム合金

ラス金属の最新技術と産業利用の創製と加工，A-7：生体・福祉機器・環境適用型材料の創見学会 11 月 30 日（金）製と特性評価，A-8：電磁プロセスによる先端機能材料創成

見学先：㈱三共合金鋳造所，見学内容：凍結鋳造システム

B：加工

子供ものづくり教室 12 月 1 日（土）B-1：塑性加工とその周辺技術，B-2：溶融加工・半凝固加特別講演会 12 月 1 日（土）工，B-3：粉末成形とその評価，B-4：粉体・粒子を用いた成講師：棚橋 秀行氏（東大阪宇宙開発協同組合 専務理事），

形，成膜ならびに表面加工技術，B-5：超精密加工・マイクロ・

講演題目：「人工衛星プロジェクト－モノづくりは人づくり―」

ナノ加工，B-6：高エネルギー加工，B-7：表面改質および薄技術フォーラム 12 月 1 日（土）膜コーティング，B-8：上記以外の加工

テーマ：「大阪の中小企業の底力」

C：特性・評価

ワークショップ 12 月 1 日（土），2 日（日）C-1：溶接・接合のプロセスと評価，C-2：締結・接合・接– 27 –①軽量化材料の可能性を探る

No. 44 October 2012Materials and Processing Division Newsletter
加は無料（講演論文集 CD は別売：3,000 円）②締結・接合・接着部の CAE モデリング・解析・評価技術③減災・サスティナブル工学創成に向けて問い合わせ先：〒 535-8585

参加登録料（講演会開催期間中，受付にて申し受けます）：
正・准員

8,000 円（講演論文集 CD を含む）

大阪市旭区大宮 5-16-1

会員外

15,000 円（講演論文集 CD を含む）

大阪工業大学工学部機械工学科 羽賀俊雄

学生員・一般学生 2,000 円（講演論文集 CD は別売：3,000 円）

TEL/FAX：06-6954-4888，E-mail：haga@med.oit.ac.jp「特別講演」，「技術フォーラム」，「ワークショップ」のみの参		

2013 年度年次大会のご案内と特別行事企画ご提案のお願い

		

第 1 技術委員会

			2013 年度の年次大会は，2013 年 9 月 8 日（日）～ 11 日

委員長

品川一成（香川大学）

委員

清水一郎（岡山大学）

さて，例年どおり下記の特別行事企画を募集しております．

（水）の 4 日間，岡山大学（岡山市北区）にて開催されます．会①基調講演

場の津島キャンパスは都市の中心部にあり，JR 岡山駅よりバ②先端技術フォーラム

スで 10 分程度と，交通に便利です．晴れの国，岡山へぜひお③ワークショップ

越し下さい．桃太郎と高級フルーツが皆様をお待ちしており④部門同好会

ます．９月はマスカットが食べ頃の季節です．また，日本三名⑤新技術開発リポート

園の一つである「後楽園」，鴉城として有名な「岡山城」，文化⑥新企画行事と芸術の香り高い「倉敷白壁通り」も必見です．

特に複数部門にまたがる部門横断企画をご検討頂けましたら

本年次大会のキャッチフレーズは『メカニカルイノベー
ションによる新エネルギー社会の実現』，テーマは「エネル幸いです．締切は 2012 年 12 月 21日（金）です．奮ってご提案ください．

ギー」，「オープンイノベーション」，「次世代モビリティ」です．

特別行事企画申込み・問い合わせ先：第 1 技術委員会

当部門からは，以下のように多数のオーガナイズドセッショ委員長

品川 一成（shina@eng.kagawa-u.ac.jp）

ンが予定されています（他部門との共催を含む）．

幹事

大津 雅亮（otsu@u-fukui.ac.jp）① 超音波計測・解析法の新展開② 工業材料の変形特性・強度およびそのモデル化③ 厚膜形成技術と厚膜の機械特性評価④ セラミックスおよびセラミックス系複合材料⑤ ソフトマター・イノベーション⑥ 知的材料・構造システム⑦ 減災・サステイナブル工学⑧ 高分子基複合材料の加工と評価⑨ 粉末成形とその評価⑩ “ 壊れない ” マイクロシステムのためのナノ力学・ナノ計測⑪ マイクロ・ナノ材料創成とそのデバイス応用⑫ 摩擦・摩耗制御のための材料及び表面改質⑬ マイクロナノ理工学：nm から mm までの表面制御とその応用多くの皆様のご参加を期待し，ここにご案内申し上げます．

岡山大学正門の並木道と時計台

編集後記 b-M&P 部門ニュースレター No. 44 をお届け致します．
本号を発行するにあたり，ご尽力賜りました皆様に深く御礼申し上
げます．また，小林委員長をはじめ，広報委員会委員の皆様の多大なご支援に心より感謝致します．今回の特集記事では，近年国内外で注目を浴びているレアメタルについて話題を集めました．多くの方々にとって有益となる情報提供となりましたら幸いです．本ニュースレターに関する読者の皆様からのご感想，ご意見，ご要望，お問
い合せは，広報委員会幹事（酒井：sakai@st.seikei.ac.jp）までお願い致します．

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発行		

発行日 2012 年 10 月 31 日

〒 160-0016 東京都新宿区信濃町 35 信濃町煉瓦館
一般社団法人 日本機械学会 機械材料・材料加工部門
第 90 期部門長

浅沼 博

広報委員会委員長

小林 訓史

Tel. 03-5360-3500 Fax. 03-5360-3508