研究報告2023 目次【企画部】････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

3【機械・材料技術部】････････････････････････････････････････････････････････････････

5【電子技術部】･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････

10【情報・生産技術部】････････････････････････････････････････････････････････････････ 23【化学技術部】･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････

28【川崎技術支援部】･･･････････････････････････････････････････････････････

39【抄録】･････････････････････････････････････････････････････････････････

48【研究開発部】
研究概要集へ1

研究報告2023 目次【企画部】◆ Web技術を用いたIoTデバイスの画像による目視確認の試み･････････････････････････････････

水矢

亨（企画部

2

経営戦略課

新事業戦略グループ）3

【企画部】

Web 技術を用いた IoT デバイスの画像による目視確認の試み
水矢
１．

亨(企画部新事業戦略グループ)

はじめに

最近では，デジタル技術の利活用といえば DX が注目を集めているが、DX 白書 2023（1）によれば，IoT は DX で利活用されるデータの獲得手段と位置づけられる．また同白書では、IoT はセンサー・無線/有線通信・IoT ゲートウェ
イ・IoT プラットフォームなど、複数の構成要素からなる複合的技術であり，その技術的な複雑さが IoT 利用の難し
さが IoT 導入・運用上の障害として顕在化する可能性を指摘している（1）．

図2

KISTEC では，実際に手を動かして複合的技術である
IoT の基本的な部分を体感してもらうための実習を重視し実習用ツール(Web アプリケーション)の画面(2)ながら，IoT 分野の人材育成に継続的に取組んできた．その一環として，リモートワークの普及などの情勢をふまえ，
令和 4 年度には「Web 技術を活用した IoT 実習のオンライン化」に取組んだところ、「実機の様子を画像により遠隔からも確認したい」というニーズが明らかになった（2）．
これに対応するため，Web ブラウザから IoT デバイスの画像による動作状況の目視確認を目的として、Web 技術(WebSocket)を用いて IoT デバイス側から Web ブラウザに
図 3 工業系通信とファイアーウォールの関係(3)画像を伝送する簡易システムの試作を行った．

IoT 分野の人材育成での Web 技術の活用

WebSocket は FRC 6455（2011 年)(4)で標準化されており，

IoT は前述のように複合的技術であり，その習得のため

Web ブラウザとサーバ間での双方向通信を可能とする．
前述の IoT 実習用ツールにおいても，Web ブラウザとサ

２．

には IoT デバイスの実機を使った実習が有効である．しかし，IoT デバイスを実際に動かしてみるには，そのためのーバの双方向通信が実現できる WebSocket を利用している．WebSocket 通信により，中継サーバを介して受講者が(ソフトウェア，配線や通信等の)環境構築が必要であり，学習者にとって最初のハードルとなっている．

各自に割り当てられたリモートの実機にアクセスし，プログラムの実行や停止などの操作をすることができる．また，

そこで，KISTEC では予め環境設定を済ませた IoT デバイス(Raspberry Pi)を用意し，Web アプリケーションを利用

プログラムの標準出力など文字情報による確認も可能であったが，LED の点灯など「実機の様子を画像により遠して遠隔から IoT デバイスを利用する形態により，実習のオンライン化（図 1）に取組んできた．実習用のツールと隔からも確認したい」との要望があり，今後の機能追加が求められている．

して Web アプリケーション(図 2)を用いることで，受講者側で（Web ブラウザ以外の)ソフトウェアのインストール

３．

等の作業が発生しないようにしている．
IoT デバイスが Web システムやクラウドとデータ通信を

WebSocket による画像伝送の実装と評価

IoT デバイス側から Web ブラウザに画像を伝送する簡易システムの概略を図 4 に示す．Web ブラウザ，中継サーバ，

するには，IAF(Industrial Automation Forum)の ia-cloud プロ
ジェクト(3)が指摘する(図 3)ように，REST API（JSON デー

IoT デバイス（Raspberry Pi 4B）が主な構成要素である．
また，Raspberry Pi 4B(と USB カメラ)でキャプチャーしたタ利用)や WebSocket といった Web 技術が必要となる．

画像を，WebSocket 通信で中継サーバを経由して Web ブラ
ウザに送信するのが，本簡易システムの基本機能である．
IoT 実習用ツールへの活用を想定していることもあり，
画像は JPEG 形式のバイナリデータを Base64 でアスキー
文字からなる文字列に変換したうえで JSON の値に含めて
WebSocket で伝送した．
図１

Raspberry Pi 4B(Python は 3.7.3)では，USB 接続したオンラインでの IoT 実習のイメージ(2)3KISTEC研究報告2023

【企画部】

図 6 送信間隔 100ms の場合の応答時間
図 4 簡易システムの概略

Web カメラの画像キャプチャーに openCV（4.1.0.25)を，WebSocket 通信には websocket-client (1.6.1)を用いた．中継
サーバは WebSocket サーバと Web サーバを兼ねており，
Web ブラウザに表示する HTML ファイルも送信する．中継サーバには Deno(1.32.3)を利用し，Deno が標準で提供する HTTP と WebSocket の通信機能を用いた．Web アプリケーションの構築には Hono(3.4.3)を用いた．Web ブラウザ
側（Core i5-8265, メモリ 16GB で Windows 10 の PC 上の
Chrome)では，Web 標準である WebSocket API を用いた．

図 7 送信間隔 200ms の場合の応答時間

簡易システムの評価のため，160×120(QQVGA)，320×240(QVGA)，640×480(VGA)の各サイズの画像を送信間隔

４．

（送信処理間の停止時間）は 100[ms], 200[ms]で 300 回送
信を行い，IoT デバイス側で Web ブラウザからの応答を受考察及び今後の課題

図 6 及び図 7 に示した結果から，QVGA(320×240)の画像であれば，5FPS 程度の送信が可能であることが分かった．5FPS であれば，LED の 0.5 秒間隔と 1 秒間隔の点滅

信するまでの時間を応答時間として計測した．図 5 は，受信した QVGA 画像を Web ブラウザで表示した例である．

の違いを認識でき，IoT 実習の用途で利用可能と考えられる．ただし，実際に目視で確認したところ画像の表示には

遅延時間の計測結果を図 6 及び図 7 に示す．なお図中のエラーバーは標準偏差を示している．送信間隔 100ms の

1 秒程度の遅延が生じており，Web ブラウザでの描画時間も注意する必要がある．また、実用の際には WebSocketo

場合は，各サイズで平均応答時間が 100ms を超えており，
応答の受信前に次の画像を送信するケースが多いと考えと TLS による暗号化と組合わせて利用することが想定され，その処理時間も考慮する必要がある．

られる．送信間隔が 200ms の場合は，QQVGA と QVGA
では平均応答時間が送信間隔の 200ms を下回っており，

今後は，IoT 実習用ツールに WebSocket による画像伝送機能を追加する計画である。IoT 実習用ツールに追加実装

応答受信後に次の画像を送信しているケースが多いと考えられる．なお，JPEG データを Base64 での変換で得られ

し，Raspberry Pi と Web ブラウザの組が複数ある場合の画像伝送の評価を行うことは実用上も重要と考えられる．

た文字列は，QQVGA で約 13000 文字、QVGA で約 33000
文字、VGA で約 92000 文字であった。

【謝辞】「Web 技術を活用した IoT 実習のオンライン化の取組み」は公益財団法人 JKA の補助を受けて実施しました．
【参考文献】
1．情報処理推進機構：DX 白書 2023(2023).
2．神奈川県立産業技術総合研究所：「Web 技術を活用した
IoT 実習のオンライン化の取組み」，オンライン IoT 実習を含む IoT 技術の人材育成フォーラム事業成果報告書(2023).
3. ia-cloud プロジェクト：ia-cloud の概要
https://ia-cloud.com/about (2023.08.18 閲覧)
4. IETF: RFC 6455 “The WebSocket Protocol”(2011).

図 5 受信した画像(320×240)のブラウザでの表示

4

KISTEC研究報告2023

研究報告2023 目次【機械・材料技術部】◆ 燃焼合成Ca--SiAlON粉末のホットプレス焼結････････････････････････････････････････････

飯塚 隆将、横内正洋（機械・材料技術部

材料物性グループ）◆ 高い光触媒性能と調湿性能をあわせ持つ新材料の開発･････････････････････････････････････

小野洋介（機械・材料技術部

5

6

ナノ材料グループ）8【機械・材料技術部】

燃焼合成 Ca-α-SiAlON 粉末のホットプレス焼結-粒径の違いが及ぼす機械的特性への影響飯塚
1.

隆将、横内

正洋

(機械・材料技術部 材料物性グループ)

SiAlON セラミックスは窒化ケイ素(Si3N4)と並んで高強本実験に用いた Ca-α-SiAlON 粉末は (株)燃焼合成製
CSAN-S005LG、平均粒径 0.85 µm (以下粗粉と称す) と 0.43度、高靭性、耐食性、耐熱衝撃性などから高温構造用材料としてエンジン部品、ガスタービン、ベアリング、切削工µm (以下微粉と称す)である。各々の粉末を 40 g 秤量し、離型剤 (h-BN)で被覆した焼き上がり寸法 50 mm 角のカー具等に一部実用化されている 1)。
α-SiAlON は一般式 Mx (Si12-(m+n) Alm+n) (Om+n N16-n)で示

ボン型に粉末を封入し、ホットプレス (ネムス製
C60-10×10-CC-23 型 式 ) で 焼 結 を 行 っ た 。 焼 結 条 件 はされ 2)、固溶出来る金属(M)は Li、Ca、Y、ランタニド金属 (Ce、La を除く)である。金属元素(M)として Y を固溶

1800 ℃で 2 時間保持し、プレス圧 40 MPa、N2 (1 atm) 雰
囲気とした。

させた Y-α-SiAlON は特に優れた特性を持つことが知られている。

2.2 機械的特性の評価

一般的な SiAlON 製造方法は出発原料にα-Si3N4、AlN、
Y2O3、Al2O3 を用い、焼結時に Si3N4 中の Si と N にそれぞ工により焼結体表層を除去し、アルキメデス法で密度の測定を行った。強度は各条件の試験片 10 本を 4 点曲げ (JISれ Al と O が置換固溶し、Y-α-SiAlON 及びβ-SiAlON を合成する方法が知られている。

R1601) によって測定した。硬さと破壊靭性はそれぞれビッカース硬さ (JIS R1610 荷重 9.8 N)、IF 法（新原の式 荷

この方法では反応系が複雑であることから、所望の特性を有する SiAlON を作製するには各原料粉末の添加量を最

重 9.8 N）により測定した。
2.3 構成相の同定及び微構造の観察適化する必要があり、多くの検討がなされている 3)。また
原料粉末として高純度かつ微細な粉末を高温で長時間焼焼結体組織の観察には電子プローブマイクロアナライ
ザー(EPMA、日本電子製 JXA-iHP200F) で反射電子像の結するため、原料粉末が比較的高価になり、結果として
SiAlON 部品普及の妨げになっている。

観察を行った。構成相の同定は CuKa 線を用いた X 線回析
装置 (XRD、リガク製 Ultima Ⅳ)で行った。またα相からβ比較的低コストかつ省エネルギーで SiAlON を製造する方法の一つに燃焼合成法がある 4)。これは出発原料に Si

相の転移量を計るため、次式によりピーク強度からα相比率を求めた 6)。

はじめに得られた焼結体はダイヤモンドホイールを用い、研削加と Al を窒素雰囲気中で直接反応させる手法であり、燃焼反応時に生じる熱の伝播反応を利用するため、常温→合成

𝑎𝑎 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟(𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚%) =𝐼𝐼𝐼𝐼(102) + 𝐼𝐼𝐼𝐼(210)
𝐼𝐼𝐼𝐼(102) + 𝐼𝐼𝐼𝐼(210) + 𝐼𝐼𝐼𝐼(101) + 𝐼𝐼𝐼𝐼(210)

温度→冷却まで秒単位で反応が進行する。反応温度や窒素分圧などの反応条件を最適化することにより高純度の3 結果と考察SiAlON 粉末を得ることが出来る。国内では Y-α-SiAlON、
Ca-α-SiAlON、β-SiAlON が製造されている。

ンを示す。いずれの試料においても Ca-α-SiAlON 及び
β-SiAlON 以外のピークは見られなかった。

Ca-α-SiAlON に関する報告は反応焼結法によってユーロピウム(Eu)を固溶させた蛍光体としての応用を検討し

表 1 にホットプレス焼結体の機械的特性を示す。微粉焼
結体密度は粗粉焼結体密度と比較し、わずかに低くなった。

た報告が多く 5)、燃焼合成 Ca-α-SiAlON 粉末を焼成し機械的特性を調べた報告は少ない。反応焼結 Y-α-SiAlON と同

図 1 の XRD 結果から求めたα相比率は微粉焼結体 82 %、粗粉焼結体 92 %を示した。一般的にβ-SiAlON の密度 7)は等の機械的特性を有する燃焼合成 Ca-α-SiAlON を製造することが出来ればレアアースである Y を使用しないため、

α-SiAlON の密度 8)より低い事が知られているため、微粉焼結体はβ相の増加に伴い密度が低下したと考えられる。

製造コストが下がり、代替材料となり得る。
本研究では燃焼合成 Ca-α-SiAlON 粉末を焼結助剤なし

ところで右京らは Si3N4-Y2O3-AlN 系において、Si3N4 粉
末表層の酸素が SiO2 として存在し Y-α-SiAlON 生成量に大で焼結するため、ホットプレスでの焼結を検討した。さらに、粒径の異なる 2 種類の燃焼合成 Ca-α-SiAlON 粉末をきな影響を与えることについて言及している 9)。Si3N4 粉
末中の酸素量が多くなると焼結後の Y-α-SiAlON の生成量

出発原料とし、粒径の違いが及ぼす機械的特性への影響について調査した。

が減少し逆にβ-SiAlON 生成量が増加した結果を得ている。
本結果でも同様の焼結挙動を示したと考えられる。すなわ

図 1 に燃焼合成 Ca-α-SiAlON 焼結体の XRD 回析パター

ち微粉は粗粉より比表面積が大きいため、Ca-α-SiAlON 粉
末へ大気中の酸素がより多く吸着したことで、焼結体構成

2. 実験方法
2.1 燃焼合成 Ca-α-SiAlON 粉末のホットプレス焼結相へ影響を与えたと考えられる。構成相をより詳細に調べるため、焼結体組織を観察した。

6

KISTEC研究報告2023

【機械・材料技術部】

表 1 ホットプレス焼結体の機械的特性

試料

密度(g/cm3)α相比率(%)

4 点曲げ強度(MPa)

ビッカース硬さ(GPa)

破壊靭性(MPa･m1/2)

微粉焼結体
粗粉焼結体

3.16
3.19

82
92

633
600

18.6
18.4

5.9
5.4

図 2 に焼結体組織の反射電子像を示す。いずれの試料もコントラストの異なる粒子が観察された。反射電子像では原子量の小さな元素が多く含まれる部分は暗く見え、原子量の大きな元素が多く含まれる部分は明るく見える。出発
原料に含まれる元素は Ca、Si、Al、O、N であり、最も原子量の大きな元素は Ca である。図 1 の XRD 回析パター
ンと合わせて考慮すると、灰色の等軸粒子は Ca-α-SiAlONであり、黒色の等軸及び柱状粒子はβ-SiAlON であると考えられる。
また、焼結体組織の粒子径から粒成長を確認した。粗粉
焼結体の等軸粒子は 1～1.5 µm ほどで、黒色粒子も等軸であった。一方、微粉焼結体の等軸粒子は 0.5-1 µm であり、

図 1 ホットプレス焼結体の X 線回折パターン

柱状に成長した黒色粒子は数も多かった。これは表 1 のα相比率と同じ傾向であった。微粉焼結体はα相とβ相が複合化した組織が観察され、柱状粒子による亀裂進展の阻害や引き抜き効果により 4 点曲げ強度、硬さ、破壊靭性等の特性が粗粉焼結体より優れた要因の 1 つと考えられる。また微細な粉末は粒子同士の接触点数を多くし、さらに粒子間の空孔を小さくすることで、より焼結を活性化しマイク
ロポア等の破壊原消失によって特性が向上したと考えられる。
図 2 ホットプレス焼結体の反射電子像

4 まとめ
異なる粒径の燃焼合成 Ca-α-SiAlON 粉末をホットプレ【参考文献】

スで焼結を行った。
本方法により Ca-α-SiAlON とβ-SiAlONから構成される複合 SiAlON 焼結体を作製することができ

1.

M. Mitomo, Y. Tajima : The Centennial Memorial Issue ofた。焼結体の機械的特性を評価した結果、以下の知見を得ることができた。

2.

The Ceramic Society of Japan, 99 (10) (1991) 1014-1025.
S. Hampshire, H. K Park, D. P. Thompson, K. H. Jack :燃焼合成 Ca-α-SiAlON 粉末は焼結助剤なしで、1800 ℃
2 時間ホットプレス焼結すると焼結可能であることが分か

3.

Nature, 274 (1978) 880-882.
S. Bandyopadhyay, G. Petzow : Materials Chemistry andった。微粉は比表面積が大きいため大気中の酸素がより吸着したことが予想され、焼結体の構成相や微構造に大きな4.

Physics, 61 (1991) 9-13.
A. G. Merzhanov : Ceramics International, 21 (1995)

影響を与えたものと考えられる。すなわち等軸で微細なCa-α-SiAlON と針状に成長したβ-SiAlON から成る組織が5.

371-379.
R. J. Xie, M. Mitomo, K. Uheda, F. F. Xu, Y. Akimune :Journal of the American Ceramic Society, 85 (5) (2002)
1229-1234.

観察され、構成相の複合化によって亀裂進展の阻害や引き抜き効果が発現し、機械的特性が向上した要因の 1 つと考

6.

えられる。
以上の結果から出発原料である燃焼合成 Ca-α-SiAlON

K. Yabuta, H. Nishio, K. Uematsu : Journal of the
Ceramic Society of Japan, (103) (10) (1995) 1046-1050.

7.

粉末は不純物である酸素により機械的特性に大きな影響を与える可能性がある事が明らかになった。

M. Mitomo, N. Kuramoto, M. Tsutsumi, H.Suzuki :Yogyo-Kyokai-Shi 86 (11) (1978) 526-531.

8.

今後は、まず燃焼合成 Ca-α-SiAlON 粉末の酸素量を定量化し、次に構成相を変化させ微構造や機械的特性への影

F. Izumi, M. Mitomo, Y. Bando : Journal of Materials
Science 19 (1984) 3115-3120.

9.

Y. Ukyo, A. Suda : Journal of the Ceramic Society ofJapan, 104 (5) (1996) 371-376.

響を調査する予定である。

【外部発表】口頭発表 1 件

7

KISTEC研究報告2023

【機械・材料技術部】

高い光触媒性能と調湿性能をあわせ持つ新材料の開発
小野

１．

はじめに

洋介(機械・材料技術部ナノ材料グループ)

２．

実験結果

COVID-19 感染拡大を受け、「新しい生活様式」が定着

実験方法については既報の論文 1）と同一であるため、し、私たちのウイルス感染予防に対する意識はそれまで以上に高まったと言える。光触媒は、光のエネルギーを利用略記する。チタンテトライソプロポキシド 1 g に、純水 4 g
をスプレーで吹きかけた結果、瞬時に白色の嵩高い凝集体

して有機物を分解する作用を示すため、抗菌、抗ウイルス、消臭を目的とした製品に使われており、ウィズ／アフターが析出した。ろ過によって固液分離し、固相を純水で洗浄した後、150℃のホットプレートで乾燥した（以下、150℃

コロナ時代に再び注目されている。また、光照射下で表面が超親水性化するため、光触媒は防汚を目的とした製品に試料と呼ぶ）。また、150℃試料を大気中 300～700℃で 1
時間焼成した。

も使われている。現在、最も広く用いられている光触媒は、酸化チタンであり、安価かつ安定で、紫外光照射下で強い走査電子顕微鏡（JEOL JSM-IT200）による代表的な観察像を図 1 に示す。全ての試料において、レンコンのように酸化力を示す。
一方、菌やウイルスに感染しにくい住環境を整えるためも見える穴の開いた凝集体が観察され、穴の直径は焼成温度に依らず 1～10 μm であった。穴の大きさや形態は、代に、室内の湿度をコントロールできる珪藻土やアロフェン
といった調湿材料が建材等に使われている。このような調表的な調湿材料である珪藻土に似ているとも言える。拡大観察像からは、穴の壁面がナノ粒子で構成されていること

湿機能は、室内の湿度に応じて空気中の水分を吸脱着する
数ナノメートルの微細な細孔に由来している。

が分かった。これらナノ粒子が作る微細な細孔の大きさと分布を調査するために、窒素ガスを吸着質として比表面KISTEC では、特殊な細孔構造を持つ酸化チタンを合成し、その細孔分布や結晶性を制御することによって、市販

積・細孔分布測定装置（マイクロトラック・ベル
BELSORP-maxII）で測定した細孔分布の結果を図 2 に示す。

品と同等の光触媒性能と調湿性能をあわせ持つ新材料を得ることに成功した。本研究の成果は、既に論文発表１）

150℃試料では、直径 2 nm 以下のマイクロ孔領域に 2 つのピークが見られた他、メソ孔領域においても 2 nm から 10しており、ここでは新たな考察を加えて報告する。

nm にかけて細孔の存在が確認された。焼成温度が高くなるにつれ、マイクロ孔とメソ孔のピークは弱くなり、メソ

図 1 代表的な試料の走査電子顕微鏡像

図 2 GCMC 法による細孔分布測定結果

8

KISTEC研究報告2023

【機械・材料技術部】

孔のピーク径は大きくなる方向へシフトした。

試料と、高結晶性アナターゼを主とする 500℃試料と光触媒の有機物分解反応は複雑であり未解明な部分も多いが、比表面積、結晶性、結晶相が特に重要な影響因子

550℃試料が、有機物分解速度に優れる結果となった。
600℃試料と 700℃試料は、結晶性の高さでは優位であるとされている。図 3 は、BET 比表面積と、X 線回折装置（リガク UltimaIV）で測定したアナターゼ型酸化チタンの結が、比表面積が低いことと、ルチルへの相転移が進みアナターゼの含有量が下がったことが原因となり、500℃試料

晶子径を、焼成温度に対してプロットしたグラフである。
比表面積は 150℃から 300℃にかけて急激に低下し、結晶や 550℃試料に比べ分解速度が劣ったと考えられる。
また、150℃～450℃試料については、市販品と同等以上の調湿性

性は 450℃から 600℃にかけて大きく向上することが分かった。ここには示していないが、550℃試料の X 線回折パ

能を示すことが分かった。図 2 によると、本試料においては、6～9 nm にピークを持つ細孔分布が調湿に適している

ターンにおいてルチル型酸化チタンの弱いピークが確認されたことから、500℃と 550℃の間に相転移温度が存在と考えられる。珪藻土やアロフェン等の調湿材料に似たメ
ソ孔の細孔分布を持つため、これらと同等の調湿性能を示することが分かった。当然、600℃、700℃と高温になるにつれ、アナターゼのピークが弱まり、ルチルのピークが強したと考えられる。詳細は既報の論文１）をご参照いただ
きたいが、実験結果から、“レンコン”のミクロンオーダ

まる傾向が確認された。
光触媒作用の一つである表面超親水性化の作用を、接触ーの穴によるスピーディーな調湿性能が示唆された。図 4に示したように、有機物分解速度を最適化する焼成温度の角計（協和界面科学 Drop Master 300）で評価した結果、700℃試料を除いて紫外光照射 2 時間後に水接触角 5°以下

範囲は、調湿性能を最適化する範囲と異なり、トレードオ
フのような関係が見られた。両性能ともが市販品を超えるの超親水性化が確認された。これらの試料は光照射前から高い親水性を示し、総じて、市販品に比べ良好な結果が得

試料は得られなかったが、450℃試料は、市販品と同等の両性能をあわせ持つことが分かった。

られた。もう一つの光触媒作用である有機物分解の性能と、調湿性能の評価結果について、それぞれの基準試料との性

３．

能比をプロットしたグラフを図 4 に示す。有機物分解速度については、メチレンブルー水溶液に試料を懸濁させて測

市販品と同等の光触媒性能と調湿性能をあわせ持つ新材料で、住みやすい環境をつくり、安全・安心な社会の実定した紫外光照射 1 時間後の濃度変化を性能値とし、市販の光触媒ナノ粒子を基準試料とした。メチレンブルー水溶

現に貢献するよう、本研究成果を企業に技術移転して実用化につなげていく。

液の濃度は、分光光度計（島津 SolidSpec-3700i）で測定した。調湿性能については、27℃、90%雰囲気に設定した【参考文献】

恒温恒湿槽（ヤマト科学 IH401）内に設置 4 時間後の試料の重量変化を性能値とし、市販のアロフェン粉末を基準試

今後の展開

1. Y. Ono, Ceramics International, 49(21),33866-33873 (2023).

料とした。
図 3 の結果とあわせると、
比表面積が高い 150℃

【外部発表】論文等発表

図 3 結晶子径、比表面積、結晶相と焼成温度の関係

1件

図 4 有機物分解速度と調湿性能の評価結果

9

KISTEC研究報告2023

研究報告2023 目次【電子技術部】◆ Ni-Wナノ金型を用いたアルミナノインプリントの検討･････････････････････････････････････

11

安井学，黒内正仁，金子智（電子技術部電子材料グループ）◆ 電子線リソグラフィによる回折光学素子構造の作製に向けたドーズ量補正の簡易的な方法の検討

黒内 正仁，安井学，金子13

智（電子技術部電子材料グループ）◆ 次世代実装技術に向けた応力緩和を目的としたスパッタ法による耐酸化性Cu-Pd ポーラス型電極の作製と検証･･････････････････････････････････････････

15

根本俊介（電子技術部電子デバイスグループ）◆ オープンCAEを用いた電気-熱連成解析によるパワー半導体の温度シミュレーション･･･････････

八坂慎一（電子技術部電子デバイスグループ）1017

【電子技術部】

Ni-W ナノ金型を用いたアルミナノインプリントの検討
安井学，黒内正仁，金子智（電子技術部電子材料グループ）

1.

はじめに
イメージング，センシング，発光デバイス，太陽電池な

表1

Ni-W 溶液の組成

ど，幅広い用途で利用されている局在表面プラズモン共鳴（Localized surface plasmon resonance : LSPR）1 を紫外（概濃度(mol/L)

ね 315nm）2 から赤外（概ね 780nm）3 までの光で幅広く活用するには，透明な基板上にこれらの波長域に対応可能な
金属ナノ構造体を形成しなければならない．
300～800nm の波長域に対応できるアルミニウム(Al)4 は，クエン酸アンモニウム

0.4

スルファミン酸ニッケル

0.2

タングステン酸ナトリウム0.2

地球上に豊富に存在し，安価であるという利点があり，その加工には半導体微細加工技術を利用できる．しかし，Alの微細加工として使われる塩素系ドライエッチングでは，Al と塩素が反応して生じる塩化アルミニウムが大気中の水分と反応し， Al パターンを腐食する問題がある．
一方，Al は塑性変形可能であり，ナノサイズのパターンを有する金型を作製することにより，Al のナノインプ
リントができる可能性がある．しかしながら，一般的なナ
ノインプリント用金型の材料であるニッケル(Ni)が Al と接している状態で加圧などの外部エネルギーを供給すると Ni と Al が自己伝播発熱反応を起こし，接合してしまう
危険性がある 5,6．
そこで，過去に Al 合金に対し 60µm 周期のパターンを形成できたニッケル-タングステン(Ni-W) 金型を用いてインプリントを行った 7．
さらに，ガラス基板上の Al ナノホール形成に適用する

図 1.

ことを目指し，Al 薄膜の代りに靭性の高い Al 板に対する
ナノインプリントを実施した結果について報告する．

2.

Ni-W めっきの状況
表 2 めっき条件

浴温方法

ガラスナノインプリントに関するこれまでの報告 8,9,10からナノサイズの Ni-W パターンの形成に適した条件として，表 1 に示す組成の Ni-W 溶液と表 2 に示すめっき条件を利用し，市販されている Ni 製モスアイ構造（長手方向

3.

60℃

電流密度

1200 A/m2

めっき時間

90 分

結果と考察
図 2 に Ni-W ナノ金型の SEM 像を示す．図 2 より Ni-Wの周期：480nm，短手方向の周期：280nm）の表面に Ni-W
を約 78µm 厚の厚みでめっきした．Ni-W めっきの実験状

ナノ周期構造を形成できていることが確認できるが，NiW ナノ金型の凸部に欠陥とみられる箇所が散見された．

況を図 1 に示す．めっき終了後に，Ni 製モスアイ構造から Ni-W 膜を剥がし，Ni-W ナノ金型とした．

森河ら 12 からは，Ni-W めっきの電流効率は 50～60%であり，半分近い電荷が水の電気分解に使用され，めっき面にナノインプリント用 Al 材には，鏡面研磨した 10mm 角の高純度 Al 板を用い，Al 板の上に Ni-W ナノ金型を載せ，多量の水素が発生すると報告されている．このことから，今回の欠陥の原因は水素が Ni 製モスアイ構造の凹部に残ナノインプリントを行った．その際、先に報告されている
SiC 金型による Al ナノインプリントの最小圧力が室温留したためと考えられる．また，水素の発生量と電流密度には相関関係がある 13 と報告されていることから，初期(RT)で 117MPa である 11 ことを参考に，Al ナノインプリ
ントの圧力を 100MPa に設定し，1 分間加圧した．Al ナノの Ni-W めっきの電流密度を下げることにより，水素の発生を抑制し，Ni-W めっきの凸部の欠陥を防止できると考

インプリント後，電界放出型走査型電子顕微鏡（FE-SEM）
により Al ナノホールを観察した．

えられる．

11

KISTEC研究報告2023

【電子技術部】

今回，Al 板を対象としたナノインプリントにおいて，Ni-W ナノ金型が Al と接合することなく使用できる可能性を見出した．今後の課題として，100MPa 以上の高圧欠陥に対するガラスの破損の防止の検討，Ni-W ナノ金型のパ
ターンの欠陥とナノインプリント時の金型の横ずれに対する対策が必要である．

【参考文献】
1.K. Shimanoe, S. Endo, T. Matsuyama, K. Wada, K. Okamoto,
Scientific Reports, 11(1), 5169(2021)
2.https://www.data.jma.go.jp/gmd/env/uvhp/3-40uv.html
3.https://www.iwasaki.co.jp/optics/chishiki/ir/12.html
4.S. Yokogawa, S. P. Burgos, H. A. Atwater, Nano Letter,

図 2 Ni-W 電鋳金型上のナノパターンの
図 2.

12(8), 4349–4354(2012).
5.三宅修吾, 永井明里, 山田海斗, 実験力学, 19(1), 19-

SEM 写真（25000 倍）

図 3 に Al 表面に形成されたナノホールの SEM 像を示

23(2019)
6.後藤大輝, 訓谷保広, 前川夏菜, 山本梨乃, 金築俊介, 三す．室温下において，100MPa の加圧で Al 表面にナノサイ
ズの塑性変形が起こることを確認した．ただし，Al 表面

宅修吾, 生津資大, 実験力学, 19(2), 122-126 (2019).
7.M. Yasui, S. Kaneko, M. Takahashi, T. Sano, Y. Hirabayashi,のナノホールの大きさが不均一であることから，Ni-W ナ
ノ金型の表面が Al 表面に密着しなかったと考えられる．

T. Ozawa, and R. Maeda, Int. J. of Automation Technology, 9(6), 674-677 (2015).

Al 表面に完全な塑性変形を起こさせるには，100MPa 以上の高圧を要することになり，単に脆性材料であるガラス

8.M. Yasui, S. Yasaka, S. Kaneko, M. Kurouchi, H. Ito, M.
Arai, Isplasma2018, 05P58 (2018).

上の Al 薄膜に 100MPa 以上の高圧をかけた場合，ガラスが破損する可能性が高いため，その対策が今後の重要な課

9.安井学, 金子智, 高橋正春, 伊藤寛明, 荒井 政大, 平林康男, 小沢武, 前田龍太郎, 日本機械学会論文集(A 編),題である。

79(800)507-511(2013).
10.安井学, 金子智, 黒内正仁, 伊藤寛明, 荒井政大, 電気学会論文誌Ｃ(電子・情報・システム部門誌), 139(5),644-647(2019).
11.S. W. Pang, T. Tamamura, M. Nakao, A. Ozawa, H. Masuda,
J. Vac. Sci. Technol. B, 16(3), 1145–1149 (1998).
12.森河務, 中出卓男, 佐藤幸弘, 横井昌幸, 石田幸平, 表面技術, 50(12), 1169-1170(1999)
13.津留豊, 川本実加, 表面技術, 55 (1), 56(2004).

【外部発表】口頭発表 1 件， 論文発表 1 件

図 3.

100MPa で Al 表面に形成されたナノホールの SEM 写真（25000 倍）

更に，図 3 からは，全体的に Ni-W ナノ金型凸部の先端が垂直ではなく，横斜め方向から Al に入り込んでいることが想定される．これは，ナノインプリントの加圧時に Al
板か Ni-W ナノ金型のいずれかが横にずれたことが原因と考えられる。そのため，ナノインプリント時に金型の横ずれ対策が必要である．

4.

まとめ

12

KISTEC研究報告2023

【電子技術部】

電子線リソグラフィによる回折光学素子構造の作製に向けたドーズ量補正の簡易的な方法の検討
黒内
1.

正仁，安井

学，金子

はじめに

智（電子技術部電子材料グループ）を用いた近似曲線でフィッティングが良好に行われるこ

回折光学素子(DOE: Diffractive Optical Element)は光の回折現象を利用した光学素子であり，光計測や情報通信分とが確認できた．
次に，図 2 の挿入図に示すようにステップ幅 2µm とし野への応用が期待されている 1)．電子線描画はレーザー
ビーム直接描画や光リソグラフィより微細なライン幅のた 8 段階のステップパターンを 20µm 周期で作成して，微細形状における感度特性を確認した．ステップ深さは

DOE を作成するのに適した方法であるが，電子線レジス
トの感度特性や近接効果によりパターン形成の影響を受

未描画部分の膜厚と描画後の膜厚の膜厚の差に対応するが，i 番目のステップのドーズ量 Di は得られたコントラけると考えられる．近接効果補正(PEC: proximity effectcorrection)としてドーズ分布シミュレーションソフトウェ

ストカーブから等間隔のステップ深さに対応するドーズ量を選択したものを基準パターンとしている．なお，描アを用いる例があるが 2)，本報告では，簡易的な方法でドーズ量を補正する方法について検討すると共に，その画後に得られるステップ深さはパターンの違いから近接効果の影響を受けて変動することが想定されるため，基補正方法を用いて鋸歯状の断面形状を持つブレーズド回
折格子パターンの試作を行ったので報告する．

準パターンのドーズ量を 1.05～1.2 倍としたパターンも形成して，得られたパターンのステップ深さ hi について，

2.

AFM で評価した．
基準パターンの各ドーズ量とステップ深さの関係を図

実験及び結果アナログレジストである PMMA 系ポジ型電子線レジス
ト gL1000 の感度特性を調べるため，シリコンウェハー

2 に示す．コントラストカーブからの予想値と比べるとステップ深さの実験値は深いステップであるほど差が大上に gL1000 を約 500nm の膜厚で塗布した後，電子線描画装置(ELIONIX 社製，ELS-S50)を用いて加速電圧 50kV

きいことが確認される．これは 100µm の矩形に対して均
一に塗りつぶしを行ったコントラストカーブのパターン

にてコントラストカーブ評価用のパターン(矩形 100µm□)を描画した．描画後は現像液(MIBK:IPA = 1:3)に 1 分と部分的にドーズ量を変えて描画した箇所があるステッ
プパターンでは近接効果の量に違いがあるためと考えら間浸漬して，現像を行った．描画パターン位置での膜厚は光干渉式膜厚測定装置(大日本スクリーン製造社製，ラれ，ドーズ量の補正が必要なことが確認できる．
補正方法の検討にあたって，ステップ深さ hi は図 1 のムダエース VM-8000J)で測定を行った．得られたレジス
トの感度特性の結果は図 1 に示す結果となり，指数関数

コントラストカーブに示ようにドーズ量に対して非線形の特性があるため，深さ hi から 100µm 矩形パターンを描画したときに対応するドーズ量(感光ドーズ量)De に近似

描画パターン
ドーズ量: D1, D2, …Di, …

深さプロファイル

深さhi

図 2 試作したステップパターンのステップ深さ．

図 1 PMMA 系電子線レジスト gL1000 の挿入図はステップパターンの概略図
コントラストカーブとフィッティング曲線

13

KISTEC研究報告2023

【電子技術部】(a)レジスト感度の補正なし
図 3 ステップパターンの各ステップのドーズ量 Di，パターンの平均ドーズ量 Da と感光ドーズ量 De の関係関数を用いた換算をして比較をした．また，描画に用いた加速電圧 50kV における後方散乱電子の到達距離は9.66µm であり 3)，今回作成したステップパターンの周期20µm にオーダーとして近いことから，近接効果において後方散乱に寄与する成分は，近似的に周期内のドーズ量の平均値 Da に比例すると仮定して，各ステップのドー
ズ量 Di，パターンの平均ドーズ量 Da，感光ドーズ量 Deについて相関関係を調べた．その結果，図 3 に示すよう(b)レジスト感度の補正のみに Di，Da，De は 1 次平面で近似できることが確認でき，
ドーズ量の補正が各ステップのドーズ量 Di，パターンの平均ドーズ量 Da で簡便に行えることが分かった．
最後に上記の簡易的な補正方法を利用し，900nm ピッ
チのブレーズド回折格子パターンの試作を行った．比較のため，ドーズ量の感度補正なしのパターンと，図 1 に示す感度補正を適用したパターンも作製した．その結果，レジストの感度補正なしのパターンでは図 4(a)に示すように斜面部分に歪が生じ，図 1 に示すレジストの感度補正を適用したパターンは図 4(b)のようになり，傾斜部分の歪は改善されていたが，深い部分で若干の歪が残った．今回検討したステップパターン全体のドーズ量を(c)レジスト感度の補正とドーズ量補正適用

利用する簡便な補正を適用したパターンは図 4(c)のようになり，斜面全体にわたって歪が改善されていることが

図 4 試作したブレーズド回折格子構造

確認でき，この簡便な補正方法を用いることで，歪が小さいブレーズド回折格子構造の作製が可能となった．

【参考文献】
3.

1. 小舘 香椎子, 神谷 武志，折光学素子の数値解析とそ

まとめ

電子線描画による DOE の試作のため，ドーズ量の補正
方法について検討を行った．20µm 周期のステップパタの応用, 179-208 (2011).
2. 横山浩, 秋永広幸, 電子線リソグラフィ教本, 82-83

ーンにおいて，各ステップのドーズ量 Di，パターンの平均ドーズ量 Da，感光ドーズ量 De について相関関係を調(2007).
3. T. Takigawa, H. Wada, Y. Ogawa, R. Yoshikawa, I. Mori, T.
Abe, J. Vac. Sci. Technol. B9, 2981-2985 (1991).

べた結果，1 次平面で近似できることが確認でき，ドーズ量の補正が各ステップのドーズ量 Di，パターンの平均
ドーズ量 Da で簡便に行えることが分かった．この簡便な手法を用いてブレーズド回折格子構造を試作した結果，傾斜部の歪が小さいパターンを形成することができた．

14

KISTEC研究報告2023

【電子技術部】

次世代実装技術に向けた応力緩和を目的としたスパッタ法による耐酸化性 Cu-Pd ポーラス型電極の作製と検証
根本俊介（電子技術部電子デバイスグループ）

1.

はじめに

び元素分析(EDS)を行った．
Table.1 スパッタ成膜の成膜条件

近年，半導体の高性能化に向けて，次世代半導体としてゲート長の微細化による半導体の高密度化に加え 2.5 次元，

装

3 次元積層 LSI デバイスの研究開発が活発に行われている．
これら次世代半導体には，Cu を使用したハイブリッド接成膜条件

100 W, 0.35 Pa

湿(a)45 %, (b)98 %, (c)92 %置

キャノンアネルバ社製
L-332S-FH

合が注目されており，次世代実装技術として主流になると思われる．我々も Au と比較して安価な Cu を実装材料として注目しており，Cu に耐腐食性機能を持たせた Cu-Pd
合金の研究開発を進めてきた[1-4]．その過程で湿度の高い度

Palladium

日に Cu-Pd スパッタ成膜を実施するとポーラス形状を持
つ薄膜が形成できる現象を見出した．ポーラス形状の電極

Erosionは，通常の電極と比較すると見かけ上のヤング率が低下し，応力集中の緩和が期待できる [5]．そのため，数十-数百
nm のポーラス形状を含む電極は，次世代半導体技術に向けたハイブリッド接合にも適用可能な電極であると考えている．本研究では成膜時の湿度とポーラス形状の量に相関性があると仮定し，ポーラス形状が発生する要因についCopper sputtering targetて考察を行ったので，その結果について報告する．

2.

Fig.1 Cu-Pd 同時スパッタ法による Cu-Pd 合金作製

材料および実験方法
A サンプル作製

Si

Si

Cu-Pd

スパッタ成膜の条件を Table.1 に示す．スパッタ装置は，
キャノンアネルバ社製 L-333S-FH を用いて，成膜レートを向上させるため，ステージを静止して実施した．Cu-Pd 同
時スパッタの方法は，Cu ターゲット上に 5 個の Pd 試料を

Cu-Pd

Cu-Au

接合面

Cu-Pd

Ti

(a)

/ Au:100 nm として成膜を行った．その後，小片化し，セラミックネジに小片化サンプルの成膜面を合わせて入れ

Cu-Pd

接合面

Cu-Pd

Ti

Ti
Si

(b)
Fig.2 各試料の断面 SEM 観察結果

(c)

(Atomic %)Cu O Pd Au(c) 93.4 1.4 5.2 0.0(c)

度は，作製日の湿度（横浜地区）とした．Fig. 2 に断面図を示す試料(a), (b)は，
Si ウェハ上に Ti:20nm /Cu-Pd:1000 nm

Cu-Au

Si

Si

エロージョン上に載せている(Fig. 1)．このスパッタ環境下
では，1 個の Pd 試料で原子濃度 1%を増減可能である．湿

Ti

Cu-Pd

締結し，300 ℃ 24 h 大気環境下で接合を行った．試料(c)については，T:20nm /Cu-Pd:2000 nm / Ti: 100 nm として成膜を行った．その後，300℃ 24h のアニールを実施し，接合品と同等の熱履歴を与えた．

2 µm

Si
Fig.3

B 断面形状観察用試料の作製及び観察(c)試料の断面 SEM -EDS

成膜した試料の断面形状観察を実施するため，試料を劈開し，5mm□-10mm□に個片化し，イオンミリング装置（JEOL 社製 IB-19500CP）により断面加工を実施した．その後，SEM-EDS(JEOL 社製 JSM-IT200LA)で観察(SEM)及15

KISTEC研究報告2023

【電子技術部】

3.

実験結果および考察

るとパラジウムから水素が脱離し，ポーラス形状が形成さ

Fig.2 に(a)～(c)各試料の断面 SEM 観察結果を示す．それ
ぞれの膜厚は，(a)～(c)の想定膜厚 2 μm に対して(a) 3.9 μm，れると推測できる[7]．
この原理を利用するとスパッタ成膜時に水を導入する(b)2.64 μm, (c)4.6 μm であった．これは，通常の成膜ではステージを回転させることで膜厚の均一化を図るが，本実験ことで Ar プラズマと共に装置内にある水(H2O)は，Fig.5のように H+と OH-に分離され，分離した H はパラジウム

では，成膜レート向上を目的とし，静止して成膜を実施したため，ターゲットとサンプル設置位置によって成膜レーにスパッタ成膜を継続しながら吸蔵される．その後，室温から 200℃以上で加熱すると水素がパラジウムから脱離し，トが異なった結果だと思われる．
ポーラスの評価については，断面の面積に対するポーラ

ポーラス形状の薄膜が形成できるものと推測する．

スの面積比をポーラス率とした時，試料(a)の湿度 45%では発生しなかったが，湿度 90%以上になるとポーラス形状

4.

を形成した．
接合品は，接合界面に酸化防止用の Au が成膜してある．

注目されており，次世代実装技術として主流になると思われる．我々も Cu に耐腐食性機能を持たせた Cu-Pd 合金の

この Au と Cu-Pd 間では濃度勾配があるため，拡散速度が上がり，ポーラス形状を形成すると思われたが，非接合材研究開発を進めてきた中，湿度の高い日に Cu-Pd スパッタ成膜を実施するとポーラス形状をした薄膜が形成できる料においても多数のポーラス形状が形成できていた．これにより，拡散がポーラス形状の主要因でなく湿度が主要因

現象を見出した．
ポーラス形状の電極は，通常の電極と比較するとヤングであると考えている．
また，ポーラス率が一番高い試料(c)について SEM-EDS

率が見かけ上低くでき，応力集中の緩和が期待できるため，
次世代半導体技術に向けたハイブリッド接合にも有益な評価を実施した．Fig.3 に(c)の断面試料 SEM -EDS の結果を示す．元素分析の結果から Cu-Pd 膜には O がほとんど電極であると考えている．
本研究では，成膜時の湿度と接合層構造等の各条件から，存在していないことを示している．これは，成膜時に水が存在してもプラズマ中で O が発生しなかったことを示唆

ポーラス形状の形成過程を推測したが，今後，水蒸気を活用した成膜法などを検証し，任意の場所にポーラス形状をし，さらにアニール中でおいても大気中の酸素によって酸化しなかったことを示す．

作製するための技術の確立を目指していきたい．

今回，ポーラス形状の形成メカニズムについて，次のように考えた．

【参考文献】
1. Shunsuke Nemoto et al., ICEP2019, 56, (2019).
2. 根本俊介 他, MES2021, 231 (2021).
3. 根本俊介 他, MES2022, 129 (2022).
4. 根本俊介 他, 2022 JIEP ワークショップ, 9 (2022).
5. 陣伝彤 他, 工業材料, Vol.70 No. 1 27, (2022).
6. 有賀哲也，表面化学, Vol.27, No. 6 341, (2006).
7. 有賀哲也，真空, Vol.42, No.12 1048, (1999).

次世代半導体では，Cu を使用したハイブリッド接合がパラジウムは，水素吸蔵する金属であり，約 1000 倍の体積が Fig.4 のように八面体格子間隙に吸蔵されていると考えられている[6]．さらに，室温から 200℃以上に加熱す
パラジウム
水素

八面体格子間隙

今後の展開【外部発表】ポスター発表 1 件

特許出願 1 件

Fig.4 パラジウムの間隙に吸蔵した水素概要図

Cu-Pd

アルゴン
酸素
水素

基板

プラズマ

＝
スパッタターゲット
Cu-Pd

H2O

＋
H＋

OH-

Fig.5 スパッタ時の水の挙動

16

KISTEC研究報告2023

【電子技術部】

オープン CAE を用いた電気-熱連成解析によるパワー半導体の温度シミュレーション
八坂

1.

はじめに

慎一（電子技術部電子デバイスグループ）

パワー半導体を実装したパワーモジュールの信頼性をどの変化を詳細に分析する必要があるが、これらの物理量を直接計測することは困難であるためシミュレーショ

考えるとき，有限要素法（FEM）などを用いた数値解析
により動作時の様々なストレスを検証することが一般的

ンによる解析が必須となる．また，パワーサイクル試験
では接合材料のダメージ評価において熱過渡解析によるに行われている．パワー半導体の実装分野でコンピュー
タ支援エンジニアリング（CAE）を用いて電気の解析を

構造関数を指標とすることもあるため，シミュレーショ
ンを行う場合は熱過渡解析も考慮した電気-熱連成解析を行う場合，半導体のチップ部分の電気特性を再現するた
めに一次もしくは二次の温度特性を持った抵抗率を設定行う必要がある．この部分については過去に，抵抗体の導電率に温度と電流密度の関数を設定したダイオードのすることが多いが（文献 1 など），このような単純な抵抗体のモデルでは熱過渡解析で行うような半導体の温度特モデルを提案し，回路シミュレータを用いた電気-熱連成
解析に適用可能であることを示した（文献 3）．さらにこ性を利用したジャンクション温度の計測を，シミュレー
ションで正確に再現することができない．

のモデルの考え方を三次元に展開して，オープン CAE を用いた電気-熱連成解析によって熱過渡解析のシミュレー

オープン CAE はオープンソース CAE ともいい，ソースコードを公開し自由な利用や頒布を促進することを目

ションを行い実測値とシミュレーションの結果が一致することを報告した（文献 4）．これらの結果から，提案し的とした CAE 用ソフトウェアのことである．ソースコー
ドが公開されているためソースコードのレベルで計算過たモデルはパワーデバイスの電気-熱連成解析による熱抵抗測定結果の解析に有効であると判断できるので，次に程や計算結果を検証できること，プログラムの改変も可能であることから解析の自由度が高いこと，低コストでパワーサイクル試験への適用が考えられる．本研究ではパワーサイクル試験におけるデバイスの温度変化につい導入できること，などのメリットがある．一方，ソース
コードの解析・改変にはプログラミングの知識を必要とてオープン CAE によるシミュレーションを行い，実測値との比較を行ったのでその結果について報告する．

すること，商用ソフトウェアと比較するとサポートが弱
いこと，オープンソースソフトウェア独特のライセンス

2. 実験方法
2.1 シミュレーションモデル

条項があり，無条件に利用できるわけではないこと，などのデメリットもある．実装分野では計算結果に対する本研究で用いたモデルは文献 4 と同様に炭化ケイ素

信頼性を要求される場面が多く，オープン CAE の利用が他の分野より低いのが現状である．

（SiC）のショットキーバリアダイオード（SiCSBD
Wolfspeed 社 CPW5-1200-Z50B）を使用し，半導体の電気

パワーサイクル試験は主にパワー半導体を対象としてデバイスに断続的な通電を繰り返し，半導体のチップに特性として，導電率に温度と電流密度の関数を組み込んだモデルとした．この SiCSBD の断面模式図を図 1 に示

周期的な発熱と冷却を引き起こすことによってデバイスや実装構造の信頼性を確認する試験方法である．半導体

す．最上部がアルミニウムの電極となり，その下にジャンクション部，ドリフト層，SiC ウェハの順になっていのチップ温度つまりデバイスのジャンクション温度が何℃まで上昇したか，あるいは何℃まで冷却されたか，る．ジャンクション部については本来ショットキー接合部であり，厚さを持たない構造であるが，ジュール熱をを計測することが重要であるが，パワーサイクル試験時に計測しているジャンクション温度が妥当な値であるか発生させるため体積要素とする必要があり，1 μｍの厚さを持つ構造とした．表 1 にモデルの各構造に設定する物

どうかについては CAE を利用したシミュレーションの結果を活用することが有効である．

性値を示す．ジャンクションの導電率 σ1 は素子の温度特性に相当するため，次式のように設定する．

以前の報告では，SiC ショットキーバリアダイオード
を銀ナノ粒子接合材料で銅板に接合したサンプルを用い

𝝈𝝈𝟏𝟏 (𝒋𝒋𝒛𝒛 , 𝑻𝑻𝟏𝟏 ) =て，パワーサイクル試験による接合材料の耐久性の評価を行った結果について示した（文献 2）．パワーサイクル

𝑱𝑱𝒛𝒛 ∙ 𝒅𝒅𝟏𝟏
𝑽𝑽𝑽𝑽 + 𝑽𝑽𝑽𝑽 × (𝑻𝑻𝟏𝟏 − 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐. 𝟏𝟏𝟏𝟏)

・・・(𝟏𝟏)

ここで，Jz は電流密度の厚さ方向（Z 軸方向）の成分でダイオードの順方向を正としている．T1 はジャンクショ

試験などの評価結果の妥当性を検証するためには，試験中のサンプル内の温度分布や接合材料の応力・ひずみなンの各要素の温度[K]，d1 はジャンクションの厚さ（1 μ17KISTEC研究報告2023

【電子技術部】ｍ）である．V0 と Va はデバイスの温度特性に相当する．このように導電率を設定することによって，ジャンクションを流れる電流によらずジャンクションの両側に

表 2 各パラメータの設定値

温度 T1 に応じた電位差が発生する．
次に，ドリフト層の導電率 σ2 はダイオードの直列抵抗

パラメータ

設定値

成分に相当するため，次式のように設定する．

V0 [V]

0.830409174

𝝈𝝈𝟐𝟐 (𝑻𝑻𝟐𝟐 )Va [V/K]-1.690565×10-3

Rs [Ω]

0.0065397

trs1 [K-1]

7.68283×10-3

trs2 [K-2]5.79167×10-5

T0 [K]

273.15=𝒅𝒅𝟐𝟐
𝑺𝑺𝟐𝟐 ∙ 𝑹𝑹𝒔𝒔 ∙ {𝟏𝟏 + 𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕 ∙ (𝑻𝑻𝟐𝟐 − 𝑻𝑻𝟎𝟎 ) + 𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕 ∙ (𝑻𝑻𝟐𝟐 − 𝑻𝑻𝟎𝟎 )𝟐𝟐 }・・・（𝟐𝟐）

ここで，T2 はドリフト層の各要素の温度[K]，d2 はドリフト層の厚さ（10 μｍ），S2 はドリフト層の面積（4.9mm×4.9 mm＝24.01 mm2）である．Rs，trs1，trs2，T0 は直列抵抗成分の SPICE パラメータに相当する．Rs，
trs1，trs2 の値については，通電時のシミュレーションを

表 3 実装材料の物性値行って加熱電流に対する温度安定後の順方向電圧（Vf）の値が実測値と合うように設定した．本研究で使用した構造各パラメータの値を表 2 に示す．
電気-熱連成解析を行うソフトウェアはオープンソー
ス CAE ソフトウェアである Elmer（文献 5）を用いた．
Elmer はフィンランドの国営企業（CSC – IT Center for

熱伝導率

比熱

密度

導電率

[W/m･K][J/kg･K][kg/m3]

[S/m]

ゲルシート

6.5

1550

980

1.0×10-9

基板

108

280

10010

1.89×107

Ag sinter

70

350

10500

4.3×107

リボン Al

238

900

2700

3.4×107

端子 Cu

400

380

8930

4.0×107

85Mo-15Cu

Science Ltd.）で開発されたソフトウェアであり，幅広い
物理モデルに対応していること，それらの物理モデルを連成させた連成解析の機能が充実している，といった特徴がある．本研究で提案するデバイスモデルでは抵抗体の導電率に電流密度の関数を設定しているが，Elmer の電流解析のソルバーでは電流密度の値を使用して導電率を計算することを想定していないため，ソースコードを変更して目的の計算が可能となるようコンパイルを行っ

2.2

たソルバーを使用している．

SiCSBD を実装したサンプルを作製し熱過渡解析を行った実測値とシミュレーションの結果から算出した構造関提案するデバイスモデルの妥当性を検証するため，数について比較を行った．試作したサンプルの構造と写真は図 2 のとおりであるが，文献 4 と異なりアルミニウ

チップサイズ：4.9mm×4.9mm
電極：Al

厚さ 4μmジャンクション : SiC
ドリフト層：SiC
ウェハ：SiC

ムリボンを用いたワイヤーボンディングを行っている．
サンプルの冷却は熱伝導ゲルシートを介してサンプルを

厚さ 1μm

厚さ 10μm

水冷ヒートシンクに取り付け，水温 25℃の冷却水を流して冷却を行った．熱過渡解析の測定条件は，加熱時間

厚さ 350μm

100 秒・冷却時間 100 秒，加熱電流を 25A とした．冷却時には電流を 0 とするのではなく 20 mA の電流を流し，

図 1 SiCSBD の断面模式図

この電流に対する Vf の値を計測してジャンクション温度に換算した。この冷却時の温度プロファイルから JEDEC

表 1 SiCSBD の物性値
熱伝導率

比熱

密度

導電率

[W/m･K][J/kg･K][kg/m3][S/m]

電極(Al)

238

900

2700

3.4×107

Junction

380

714

3200

（1）式

Drift

380

714

3200

（2）式

Wafer

380

714

3200

5.0×103

構造

シミュレーションと実際の比較（JEDEC SOLID STATE TECHNOLOGY ASSOCIATION）の規格に準拠した方法（文献 6）で構造関数を算出した。
FEM による電気-熱連成解析については物性値として
表 1 と表 3 の値を用い，電気の境界条件として図 2 (c)のリードの端部（アノード）に電流を設定し，カソードに0 V の電位を設定した．温度境界条件としては，電流の流れる構造部にジュール熱による発熱を熱源として設定
し，アノード面，カソード面には熱伝達率 3000 W/(m2･K)，熱伝導ゲルシートの下面には熱伝達率 4000 W/(m2･18

KISTEC研究報告2023

【電子技術部】

K)，参照温度 298.15 K（25℃）の冷却面を設定した．熱225℃の 3 条件となるように表 4 の値に決めてシミュレー

過渡解析のシミュレーションでは，実測と同様に加熱電流を 25A として設定し，加熱時間 100 秒・冷却時間 100

ションを行った．この解析モデルでは試作サンプルによる実測と異なり水冷ヒートシンクや冷却水の循環系など

秒とし，冷却時には電流を 0 とするのではなく 20 mA に設定して，冷却時のアノード面の電位の平均値を取得しは考慮しておらず，熱伝導ゲルシートの下面に熱伝達率を設定している．そのため温度安定に要する時間が短くた．なお，得られた温度プロファイルはデータの数が構
造関数を算出するためには十分ではないため，補間ある

3 サイクルのシミュレーションを行ったところでほとん
ど温度安定に達していた．そこで解析時には，3 サイク

いは外挿を行って構造関数算出用のデータとした．
次に，パワーサイクル試験の試験条件については，

ルのシミュレーションを行い，3 サイクル目の電圧プロファイルと温度プロファイルを実測との比較に用いた．

ON/OFF 時間を 2sec/18sec とし加熱電流をジャンクショ
ン温度の最大値（Tjmax）が 175℃，200℃，あるいは

3.

225℃となるように制御しながら試験を行った．サンプルの冷却は，熱抵抗測定と同様に熱伝導ゲルシートを介し

図 3 に試作サンプルで計測した熱過渡解析による構造
関数と，シミュレーションの結果から算出した構造関数てサンプルを水冷ヒートシンクに取り付け，文献 2 のパ
ワーサイクル試験の冷却条件とあわせて水温 65℃の冷却の比較を示す．(a)は通常の構造関数を，(b)は微分構造関数を示している．全般的には，実測とシミュレーション

水を流して冷却しながら測定を行った．試験開始後 100
サイクルまで計測を行い 100 サイクル時の電圧プロファで通常の構造関数も微分構造関数も一致しているといえる．グラフの右側，つまりデバイスから遠い領域では若イルをシミュレーションとの比較に用いた．
パワーサイクル試験のシミュレーションについては熱干のずれが見られるが，これはシミュレーションでサン
プル裏面に熱伝達率を設定しそこから先の水冷ヒートシ

過渡解析で使用したモデルをそのまま使用し，境界条件については熱抵抗測定のシミュレーションと同様に，アンクや冷却水およびチラーなどの構造を省略しているのに対して，実測では水冷ヒートシンクや冷却水およびチ

ノードに電流値を設定しカソードに 0V の電位を設定した．加熱電流値については Tjmax が 175℃，200℃，

ラーなどが存在するためその影響が測定結果に表れていると考えられる．

実験結果

1.E+05
1.E+04Al リボン

1.E+03

実測
シミュレーション

Cth [J/K]

1.E+02

SiCSBD ※図 1 を参照
Al リード接着剤
Ag sinter 50μm
基板：85Mo-15Cu 20mm×40mm×1mm
Ni/Au plating
熱伝導ゲルシート 20mm×40mm×1mm(a) 断面模式図
カソード

1.E+01
1.E+00
1.E-01
1.E-02
1.E-03
1.E-04
1.E-05
0

0.5

アノード

1
Rth [K/W]

1.5

2

1.5

2

(a) 構造関数

1.E+05

微分 [J2/(K2･sec)]

1.E+04(b) サンプル写真

カソード

アノード

実測
シミュレーション

1.E+03
1.E+02
1.E+01
1.E+00
1.E-010

0.5

1Rth [K/W](b) 微分構造関数(c) 解析用 3D モデル
図2

図3

試作サンプルと解析モデル

19

試作サンプルによる実測とシミュレーションによる構造関数の比較

KISTEC研究報告2023

【電子技術部】

200
180
160
Tj , Temp [℃]

140
120
100
80
60
40
Temp（sim）

20
0

0

2

4

6

8

(a)

Tj（sim）

Tj（実測）

10time [sec]

12

14

16

18

20

14

16

18

20

温度プロファイル

2
1.8
1.6
1.4
Vf [V]

1.2
1
0.8
0.6
0.4
Vf（sim）

0.2
0

0

2

4

6

8

Vf（実測）

10time [sec]12(b) 電圧プロファイル
図 4 パワーサイクル試験時の温度プロフィルと電圧プロファイルの比較（Tjmax 175℃）

250

Tj , Temp [℃]

200
150
100
50
Temp（sim）
0

0

2

4

6

8

(a)

Tj（sim）

10
time [sec]Tj（実測）
12

14

16

18

20

14

16

18

20

温度プロファイル

2.5
2

Vf [V]

1.5
1
0.5
Vf（sim）
0

0

2

4

6

8

10
time [sec]Vf（実測）
12(b) 電圧プロファイル
図 5 パワーサイクル試験時の温度プロフィルと電圧プロファイルの比較（Tjmax 200℃）

20

KISTEC研究報告2023

【電子技術部】

250

Tj , Temp [℃]

200
150
100
50
Temp（sim）
0

0

2

4

6

8

(a)

Tj（sim）

10
time [sec]Tj（実測）
12

14

16

18

20

14

16

18

20

温度プロファイル

2.5
2

Vf [V]

1.5
1
0.5
Vf（sim）
0

0

2

4

6

8

Vf（実測）

10time [sec]12(b) 電圧プロファイル
図 6 パワーサイクル試験時の温度プロフィルと電圧プロファイルの比較（Tjmax 225℃）

変化していると推測できる．したがって，加熱時におけ
次に，図 4～図 6 に Tjmax が 175℃，200℃，225℃の 3条件を目標としたパワーサイクル試験時の温度プロファ

る電圧の実測値とシミュレーションの差は，シミュレー
ションによるデバイスの温度変化が実際の計測と比較しイルと電圧プロファイルの比較を示す．図中の温度プロ
ファイルについて，Temp(sim)と表記しているデータはシて立ち上がりが速くなっているか，シミュレーションで使用したデバイスの温度特性が実際のものと異なっていミュレーションによるデバイスの最高温度を，Tj(sim)についてはシミュレーションによる冷却時の電圧プロファる可能性が考えられる．しかしながら，実際の計測では加熱時のジャンクション温度は計測できないため，現状

イルからデバイスの温度特性を利用して計算したジャンクション温度を，Tj(実測)については実測した冷却時の電ではこの加熱時の温度変化の差については確認できていない．表 2 のデバイスの温度特性は実測による I-V 特性

圧プロファイルからデバイスの温度特性を利用して計算したジャンクション温度を示している．3 条件ともにデの温度変化に基づいているが，この測定はサンプルを恒温槽の中に入れてサンプル全体を一定温度に制御した状

バイスの温度特性を利用して計算したジャンクション温度については実測とシミュレーションによる結果はよく態で電気特性を測定している．一方，パワーサイクル試
験においては，温度はチップとその周囲において上昇し一致しているが，Temp(sim)つまり温度解析の結果から算出したデバイスの最高温度とは一致していない．これはているためサンプルには温度があまり上昇していない部
分が存在する．例えば図 2 のアルミリードや基板についデバイスの温度特性と Vf の計測値から計算した Tjmax
は，デバイス全体の電気的に平均化された温度に相当すてはパワーサイクル試験時には温度があまり上昇していないと考えられる．デバイスの温度特性を計測しているるので，必ずしもデバイスの最高温度とは一致しないことを示している．また，加熱時の電圧プロファイルは一際にはこのアルミリードや基板についても周囲と同様に加熱されているため，今回のモデルのようにアルミニウ

致しておらず加熱電圧についてはシミュレーションでは十分には再現できていない．加熱時の電圧プロファイル

ムや 85Mo-15Cu の抵抗率の温度変化を考慮していないと温度特性にずれが発生する可能性がある．次に，表 4 にを見ると，どの加熱条件においても実測での Vf の立ち上がりはシミュレーションの結果と比較して緩やかになっ

冷却時の Vf の計測値から推測した実測の Tjmax，シミュ
レーションによる冷却時の Vf の計算値から推測したシミている．加熱時の電流はほぼ一定値で制御されていると考えてよいので加熱時の電圧はデバイスの温度によってュレーションによる Tjmax，シミュレーションの温度解析の結果によるチップの最高温度を示す．Tjmax につい

21

KISTEC研究報告2023

【電子技術部】てはシミュレーションによる結果と実測値の差は 1℃以内であるが，シミュレーションによるチップの最高温度
は 7℃以上高い値を示している．この結果は冷却時の温表 4 実測とシミュレーションの比較

度プロファイルから計算した Tjmax はデバイス全体の温度分布を考慮した電気特性に基づく Vf の値から算出され試験条件（目標温度）ているため，チップの平均的な温度を示しており，チップの局所的な最高温度とは異なっていると解釈すること

実測の加熱電流 [A]ができる．実測ではチップの温度分布は計測できていな
いがこれらの結果から実際にチップの温度分布を計測す

シミュレーションの設定
電流 [A]

ると Tjmax よりも高くなっている部分が存在する可能性がある．

実測の Tjmax [℃]

これらの温度差については，実装材料の耐久性に影響する可能性があるため，パワーモジュールの信頼性を考

シミュレーションによる
Tjmax [℃]

える上で考慮しておく必要があると思われる．今後はこの温度差や電圧プロファイルの差の原因を調査し，シミ

シミュレーションによるュレーションによる解析結果が正しいのか，他の実装材
料の温度依存性など別の要因をシミュレーションに反映

チップの最高温度 [℃]

175℃

200℃

225℃

34.7

37.9

40.1

34.49722

37.5326539.84700

174.3

199.9

224.5

175.0

200.0

225.0

182.1

207.3

232.3

させる必要があるのか，などを確認する必要がある．

4.

まとめと今後の展開【参考文献】

抵抗体に電流密度と温度の関数を組み込んだ導電率を1. 森田滉隆, 于強: ” 電気-熱-構造連成解析を用いた車設定することにより，半導体の温度特性を簡易的に再現する FEM モデルを用いて，オープン CAE による電気-熱載用パワーモジュールの評価方法の確立”, 第二十四回マイクロエレクトロニクスシンポジウム論文集

連成解析を行う手法について検討を行った．SiCSBD を実装した試作サンプルについて，熱過渡解析の実測とシ（2014），2C4-3．
2. 八坂慎一, 田口勇, 篠原俊朗: ” 高温パワーサイクル

ミュレーションによる解析結果との比較を行ったとこ
ろ，シミュレーションと実測で構造関数が一致し，提案

試験による銀ナノ粒子接合材料の信頼性評価”, 第 33
回エレクトロニクス実装学会春季講演大会（2019），

するモデルの妥当性が確認できた．
このモデルを使用してパワーサイクル試験の試験条件

12B1-02．
3. 八坂慎一, 篠原俊朗: ” 回路シミュレータ（LTspice）にしたがったシミュレーションを行い実測による測定結果と比較を行った．冷却時の温度プロファイルや電圧プ

による電気-熱連成解析用デバイスモデルの検証”, 第34 回エレクトロニクス実装学会春季講演大会

ロファイルについては，シミュレーションと実測はよく一致したが，加熱時のデバイスの最高温度と冷却時の温（2020），4D2-01．
4. 八坂慎一, 篠原俊朗: ” オープン CAE によるパワー度プロファイルから算出したジャンクション温度には差があり，また加熱時の電圧プロファイルについては実測

半導体の電気-熱連成解析と熱過渡解析への応用”, 第30 回マイクロエレクトロニクスシンポジウムの値はシミュレーションの結果と比較して緩やかになっていることが分かった．

（2020），1A1-1．
5. https://www.csc.fi/web/elmer （参照日：2023/7/14）

今後は加熱時の電圧プロファイルの差の原因を確認するために，アルミニウムや銅および 85Mo-15Cu などの材

6. JEDEC Standard JESD51-14: ” Transient Dual Interface
Test Method for the Measurement of Thermal Resistance料についても抵抗率の温度依存性を考慮したモデルによって解析を行い，その結果に基づいて解析モデルの見直Junction-to-Case of Semiconductor Devices with Heat Flowthrough a Single Path”, November 2010

しを行う予定である．

22

KISTEC研究報告2023

研究報告2023 目次【情報・生産技術部】◆ 中小製造業における工場のスマート化に向けての一検討････････････････････････････････････

千家

雅之（情報・生産技術部 システム技術グループ）◆ 機械学習を用いた切削加工面粗さの判別･･････････････････････････････････････････････････

横田
奥田

24

知宏（情報・生産技術部
誠（情報・生産技術部

23

加工評価グループ）

システム技術グループ）26

【情報・生産技術部】

中小製造業における工場のスマート化に向けての一検討
千家1.

雅之（情報・生産技術部 システム技術グループ）

3.2

はじめに
近年デジタル・トランスフォーメーション（以降，DX）の実現に向けて各所で様々な取り組みが行われており，経済産業省や総務省が中心となって取りまとめた文書が公開

表計算ソフトを用いる方法

先に述べたように工場内の情報通信システムは継続的に改良するものと捉え，より単純化した仕組みでその構築に着手することも選択肢になる。その考えに従い本稿ではス
マート工場に求める性能要件を深く考慮しない。また，中されている(1)(2)。DX 白書(1)によると，中小企業における DX
は大企業と比べて進んでおらず予算や IT 人材の確保が課

小工場においては，前述した 4 つのひな形の中で特に「データの伝送」及び「データの蓄積」が問題であり，限られ題であると報告されている。
一方，製造業に関しては製造業 DX として進められておたリソースで情報通信システム（通信インフラやデータベ
ースシステム等）を構築・運用するハードルは高く，低コ

り，DX の実現方法の一つとして工場のスマート化が関心を集めている。これはセンサーやカメラ等によってデジタ

ストで実装する方法が望まれる。
本稿では上記方針に沿う方法の一つとしてクラウドベー

ル化された製造現場の情報を蓄積・分析・活用するための基盤を整備することである。この工場のスマート化の実現

スの表計算ソフトを用いる方法を採用する。この方法によってインターネットに接続できれば使い慣れている表計算

は工場作業員と経営層の間の情報共有を促進しデータ駆動型経営を支える重要な取り組みであるが，高速で信頼性がソフトでデータの蓄積と可視化が可能になる。また，データの蓄積をするためのシステムを工場内に持つ必要がない

高い情報通信システムの導入は多くの中小工場にとって費用対効果の面から慎重にならざるを得ない。より安価でよためデータの伝送に必要なネットワークの構成も簡略化される。図 1 にシステムの概要図を示す。シングルボードコ

り単純な製造現場の情報を共有する方法が望まれる。本稿
では工場のスマート化の目的を整理した後，中小工場向け

ンピュータ（以降，SBC）は通信モジュールの搭載もしくにクラウドベースの表計算ソフトを用いる方法を紹介する。 はモバイルルータ等の通信端末への接続によってインター
ネットに接続可能となる。センサーは SBC の基板に直接もしくは拡張ボードを通して接続される。SBC が取得したセ
2. スマート化の目的と性能要件の関係
ンサー値は Web API を通じてクラウドベースの表計算ソフ
ト上のワークシートに書き込まれる。PC から Web アプリ

工場のスマート化によって実現したいことは各社各様で(3)では多数ある事例を分類・整理してひなはあるが，文献型（ユースケース）としてまとめている。そこでは 44 のひケーションの表計算ソフトにアクセスすればデータを表示
な型が紹介されているが，「データの収集」「データの伝送」，， することができ，ワークブックの共有設定を変更すること「データの蓄積」，「データの可視化」の 4 つのひな型が基 で取得したセンサー値を社内で共有できるようになる。
礎になると述べられている。スマート化によって実現した
いことが上位にありそれによって基礎となる 4 つのひな型

3.3の性能要件が決定される。例えば実現したいことが高精細カメラを用いた外観検査であればそれに見合った性能が 4

前節の方法を確認するために，SBC に Raspberry Pi 4
Model B を用いて SBC が取得した光センサーの値をクラウ

つのひな型に求められる。すなわちスマート工場の情報通信システムに求められる性能はスマート化の目的によってド上で動作する Microsoft Excel Online 上のワークシートに一定間隔で書き込むというシステムを試作した。試作シス変わるため，目的が曖昧であったり目的が複数あったりすると構想段階で性能を絞り込むことは難しい。しかし，構テムに利用した SBC とセンサーを図 2 に示す。インターネ
ットへの接続は試作段階のため有線で行った。

想段階で目的を明確化することも難しいため，スマート工
場では情報通信システムを変化していく目的に合わせて能試作したシステム…
A社パブリッククラウド

動的に改良していくことが推奨される。

B社パブリッククラウド

インターネット

3. 中小工場のスマート化へ向けての一検討
3.1 スマート化の対象とする中小工場

PC

モバイル通信通信端末または通信モジュール

本稿では社内に DX 推進業務に従事できる IT 人材が十分ではなく DX 推進業務を外部委託することも難しい中小

センサー1

シングルボード
コンピュータ(SBC)

LANケーブルまたは専用ケーブル製造業の工場を想定する。専門外ではあるが IT に関心がある従業員が外部機関の協力を得ながら DX 推進業務を担当

事業所

センサー2
︙

専用
ケーブル

センサーN
製造現場

図 1 システムの概要図する場合を想定する。

24

KISTEC研究報告2023

【情報・生産技術部】

他の実装方法として，Excel Online を使う場合は Azure

光センサー

Logic Apps を経由して Excel ワークシートに書き込む方法
や Google Spreadsheet を使う場合は Google Sheets API を利LANケーブル用する方法がある。

4.
拡張ボード
電源ケーブル

おわりに
本稿では工場作業員と経営層が情報共有するための基盤をスモールスタートで始めることに焦点を当てクラウドベースの表計算ソフトを用いて情報共有を行う方法を紹介しRaspberry Pi 4 Model B

た。懸念事項として，SBC を 4G もしくは 5G 等のモバイ
ル通信網を用いてインターネットに接続する方法を用意す

図 2 試作システムに用いた SBC とセンサー

データの可視化は PC の Web ブラウザからクラウド上にる必要があること，大手 IT 企業で提供されているクラウドサービスの利用は基本的に有償（Microsoft 365 等のサブス

ある目的の Excel ファイルを Excel Online で開くことで実行できる。その様子を図 3 に示す。図 3 (a)はデータ蓄積用

クリプションサービスの購入が必要）であること，従量課金制の場合は高頻度のセンサーデータの更新が高コストにのワークシートの画面であり，最新のセンサー値を表で確認できる。図 3 (b)はデータ可視化用のワークシートの画面繋がる可能性があること，応答性能の問題から秒単位のデータ更新は難しい場合があること，クラウドサービスに接であり，Excel Online の機能を用いて利用者に分かりやすい
形で情報を表示できる。ここでは Excel Online のピボット続するためのアクセストークンの取得及び更新の手順が複雑であることが挙げられる。しかしながら，工場側で管理テーブルとグラフ作成の機能を用いてセンサー値を時系列で表示している。

しなければならないソフトウェアやシステムが少なくなる
メリットは大きいと考えられる。

SBC から Excel Online への接続は Microsoft Graph API を用いた。Microsoft Graph API を利用するために事前準備と本稿で紹介した方法は性能上の制約から適用できる対象は限定されてしまうかもしれないが，中小工場が工場のス

して，Azure Active Directory にログインして API を利用するアプリケーションの情報を登録し，そしてそのアプリケ

マート化を進める上での第一歩になると考えている。

ーションのアクセス許可及びアクセストークンを取得するための設定を行った。Excel ファイル上の Table 1（図 3 (a)【参考文献】(1) 独立行政法人情報処理推進機構 DX 白書有識者委員
会：「DX 白書 2023」，https://www.ipa.go.jp/publish/wpdx/gmcbt8000000botk-att/000108041.pdf ( 参 照 2023-08-の表）への書き込みは下記のエンドポイントを通じて行った。

15)(2) 総務省自治行政局：「自治体 DX 推進参考事例集」，

https://graph.microsoft.com/v1.0/users/{userid}/drive/root:/Sample.xlsx:/workbook/tables/Table1

https://www.soumu.go.jp/menu_news/snews/01gyosei07_02000152.html (参照 2023-08-15)/rows/add

一定間隔でセンサー値を取得し POST コマンドを用いて
上記エンドポイントへ時刻とセンサー値を含むデータレコ(3) Lukas Budde , Roman Hänggi , Thomas Friedli and Adrian
Rüedy : Smart Factory Navigator, pp.40-55, Springer

ードを送信する処理を Python 3 で実装した。
応答性能の問題から秒単位のデータの書き込みは難しいInternational Publishing (2023)

が，分単位のデータの書き込みができることを確認できた。

(a) データ蓄積用のワークシート
図3(b) データ可視化用のワークシート

PC のブラウザ上で実行される表計算ソフトの画面

25

KISTEC研究報告2023

【情報・生産技術部】

機械学習を用いた切削加工面粗さの判別
横田 知宏（情報・生産技術部 加工評価グループ）
奥田 誠（情報・生産技術部 システム技術グループ）

1.

はじめに
近年の製造現場では、人手不足、後継者不足などの問題への対応のため、デジタル技術を活用した工程の自動化が進められている。しかしながら、切削加工においてはいまだ人の経験知が必要な作業が多く、自動化を阻害している。
例えば、エンドミル加工において良好な表面性状（加工面粗さ）を得るために、作業者が経験を頼りに加工条件の設定、調整をおこなっている。自動化を進めるためには、工作機械が加工中に自動で加工条件を適切な値に調整することが必要となる。このような自律型工作機械を実現する
ためには、切削加工で得られる加工面粗さを正確に予測する技術が必要である。そこで我々は加工中のセンサデータ

図1から加工面粗さを推定する機械学習モデルの開発を進めている。これまでに、加工面粗さの悪化に大きな影響を及

表1

切削条件の各項目の設定範囲

項目

ぼすびびり振動の発生を判定可能な機械学習モデルを開発した 1)。
本研究では、びびり振動判定の機械学習モデルを応用し、加工面粗さを特定の閾値で判別する機械学習モデルを作
成した。

2.

実験環境（5 軸制御マシニングセンタ）

設定範囲

切削速度
一刃当り送り量(m/min)(mm/tooth)50～1000.05～0.15

径方向切込み量
軸方向切込み量(mm)(mm)

0.2～1.0
3.0～15.0

実験及び結果25と記す）及び 5 軸制御マシニングセンタ VC-X350（ニデックオーケーケー製、以下 MC2 と記す）である。MC2 での実験環境を図 1 に示す。MC1 でもほぼ同様の環境を構築した。加工中の加速度を測定するために、主軸に加速度センサを設置した。また切削抵抗を測定するために、治具を介して被削材を切削動力計に固定した。直径 10 mm、刃数 2 枚のスクエアエンドミルを用い、ドライで長さ 100mm の板材（材質 S50C）の側面切削をおこなった。表 1 に(μm)

習に必要なデータを収集した。使用した工作機械は、立形
マシニングセンタ V33（牧野フライス製作所製、以下 MC1

20

MC2の面粗さRa

スクエアエンドミルによる切削実験をおこない、機械学

15
10
5
0
0

示す範囲の中で切削条件の各項目をランダムに選定し、100 通りの組み合わせを設定して 2 台のマシニングセンタ
で同一条件の実験をおこなった。実験後、表面粗さ測定機
SURFCOM NEX 241 SD2-13（東京精密製）により各条件の

5

図2

10

15

20

MC1の面粗さRa

(μm)

25

加工面粗さ Ra の散布図

被削材の加工面粗さを測定した。算術平均粗さ Ra 及び最大高さ Rz を機械学習の判別データとした。

響することを示している。このことから、異なる工作機械に対して、切削条件のみで加工面粗さを予測することは難同一条件で加工した場合の面粗さ Ra について、横軸を
MC1、縦軸を MC2 としてプロットした散布図を図 2 に示しいと考えられる。
本研究では、加工面粗さを特定の閾値で判別する機械学す。同種のエンドミル、被削材を用いて、同一の切削条件で加工したにも関わらず、加工面粗さが大きく異なってい習の分類モデルを作成した。機械学習モデルにはランダム
フォレストを用い、加工面粗さ判別の正解率により学習モる。これは、工作機械の剛性などの違いが加工面粗さに影

デルの性能を評価した。正解率とは、予測に用いた全デー

26

KISTEC研究報告2023

【情報・生産技術部】

タ件数に対して、加工面粗さを正しく判別した件数の割合0.7である。学習モデルの汎化性能の評価に、全データを条件
ごとにランダムに学習データ 8 割、評価データ 2 割で分割

0.6
重要度 (-)

してグループ交差検証をおこなった。
機械学習モデルの作成に用いたデータセットは次のとおりである。目的変数は、実験で得られた加工面粗さ Ra
及び Rz を元に 0 または 1 でラベル付けした二値データと

0.5
0.4
0.3
0.2

した。被削材の切削開始 6 mm の位置から 94 mm までを 4
mm ごとに分割し、その 4 mm 区間ごとに Ra＜1.6 µm か0.1

つ Rz＜6.3 µm の場合を 0、その他の場合を 1 にラベル付けした。作成した機械学習モデルでは、目的変数である加0

工面粗さを 0 または 1 で分類した。説明変数は切削 4 条件
（切削速度、一刃当り送り量、径方向切込み量、軸方向切図3込み量）と、加速度及び切削抵抗のセンサデータから算出
した特徴量とした。

100

センサデータの特徴量の算出方法について述べる。加速度の周波数分析によるパワースペクトル分布を求めると、

90

正解率 (%)

加工面粗さが大きい区間では 3,000～4,000 Hz のパワース
ペクトルが大きくなる傾向にあった。3,000～4,000 Hz 以外の周波数領域では加工面粗さによる違いはほとんどな
かった。このことから、加工面粗さの判定に 3,000～4,000

径方向 一刃当り 切削速度 軸方向
切込み量 送り量
切込み量
切削 4 条件を説明変数として作成した機械学習モデルの説明変数の重要度（MC1 の場合）
MC1

MC2

80
70
60

Hz のパワースペクトルを用いることが有効であると考えられた。そこで、X、Y、Z 軸方向の加速度データそれぞれ

50

について、3,000～4,000 Hz のパワースペクトルの積分値を特徴量とした。また切削抵抗については、X、Y、Z 軸方向それぞれの 4 mm 区間ごとの最大値を特徴量とした。
ここから、作成した機械学習モデルの評価結果を示す。

切削 4 条件+
加速度
図4

切削 4 条件+
切削抵抗

切削 4 条件+
加速度+
切削抵抗
各種説明変数の組み合わせによる機械学習モデルの正解率

はじめに切削 4 条件のみを説明変数とした機械学習モデルの正解率を評価した。その結果、正解率は MC1 の場合

度特徴量の追加により、MC1、MC2 の正解率にほとんど

79.4%、MC2 の場合 83.3%であり、いずれも十分な値ではなかった。これは、前述した通り加工面粗さに工作機械の差がなくなった。このことから、異なる工作機械でも主軸の加速度データを説明変数に用いることで、加工面粗さを剛性や工具ホルダ等の影響が加わっているためである。したがって、機械学習モデルの正解率を向上させるには、工精度良く推定できることが示唆された。

作機械の特性を考慮した説明変数を追加する必要がある。
ランダムフォレストでは各説明変数の重要度を導出す

3.

ることができる。MC1 の場合の各説明変数の重要度を図3 に示す。径方向切込み量の重要度が他に比べ著しく高か

データから、加工面粗さを特定の閾値で判別する機械学習
モデルを作成した。その結果、2 台のマシニングセンタいった。この傾向は MC2 の場合でも同様であった。したがって切削 4 条件の中では、加工面粗さには径方向切込み量

ずれにも高い正解率が得られる機械学習モデルを構築することができた。今後は、工作機械の自律制御への応用をの影響が大きいことがわかった。
機械学習の正解率を向上させるために、説明変数に加速考慮して、機械学習モデルの分類結果から適正な加工条件を出力する手法を開発する。

度特徴量と切削抵抗特徴量を追加した機械学習モデルを作成した。機械学習モデルの正解率を図 4 に示す。切削 4

謝辞

条件と加速度特徴量を組み合わせた場合に MC1、MC2 いずれも正解率は 90%を超えた。一方、切削 4 条件と切削抵

本研究は公益財団法人大澤科学技術振興財団の研究助成金を受けて実施しました。ここに感謝申し上げます。

抗特徴量を組み合わせた場合では MC1、MC2 とも 90%を下回った。また、切削 4 条件と加速度特徴量、切削抵抗特【参考文献】

徴量をすべて組み合わせた場合の正解率は、切削 4 条件＋
加速度特徴量の場合と大差なかった。このことから、機械

1.横田知宏, 奥田誠, 2022 年度砥粒加工学会学術講演会(ABTEC2022), 345-346(2022)

学習モデルに対して切削抵抗特徴量の影響度は小さく、センサデータとしては加速度特徴量の追加のみで高い精度【外部発表】口頭発表 1 件

おわりに
本研究では、スクエアエンドミルによる側面切削の実験の機械学習モデルを構築できることがわかった。また加速

27

KISTEC研究報告2023

研究報告2023 目次【化学技術部】◆ ポリ乳酸の劣化に関する総合的解析･･････････････････････････････････････････････････････

村上

小枝子（化学技術部バイオ技術グループ）

田中 聡美、加藤
津留崎

恭一、武田

千尋（化学技術部環境安全グループ）理香、羽田孔明（化学技術部材料化学グループ）

高橋亮（化学技術部新エネルギーグループ）

長沼康弘（機械・材料技術部解析評価グループ）◆ ウェルド及び気泡を有するガラス繊維強化ポリカーボネート射出成形品の破断面･･････････････

荒木

安田

29

真由美（化学技術部

31

環境安全グループ）羽田

孔明（化学技術部

材料化学グループ）田中聡美（化学技術部

環境安全グループ）

健（（地独）東京都立産業技術研究センター）◆ 熱分解GC/MSによるポリアミドの定性分析･･･････････････････････････････････････････････

高橋亮（化学技術部新エネルギーグループ）◆ 非線形粘弾性指標を用いたゲル化点評価の検討････････････････････････････････････････････

武田 理香、津留崎

2834

恭一（化学技術部材料化学グループ）36

【化学技術部】

ポリ乳酸の劣化に関する総合的解析
村上小枝子（化学技術部バイオ技術グループ）
田中聡美、加藤千尋（化学技術部環境安全グループ）
津留崎恭一、武田理香、羽田孔明（化学技術部材料化学グループ）
高橋亮（化学技術部新エネルギーグループ）
長沼康弘（機械・材料技術部解析評価グループ）

1.

2.3

はじめに

促進耐候性試験を行った試料の評価

近年、低炭素社会の実現に向けた取り組みとして、バイ表面を削って採取した試料について、示差走査熱量計

オプラスチックの積極的な利用が進められている。中でも、ポリ乳酸（PLA）は、生分解性かつバイオマス由来原料か

DSC3100（ブルカージャパン㈱製）を用いて熱特性を、ゲ
ル浸透クロマトグラフ HLC 8220GPC（東ソー㈱製）を用ら製造可能なため、市場で普及が進んでいるバイオプラス
チックの１つである。PLA の用途は、包装材料や農業用フ

いて、分子量及び分子量分布の変化を評価した。化学構造については、フーリエ変換赤外分光光度計 FTIR-4100（日ィルム、土木資材など消耗品的な用途で用いられてきたが、近年、ブレンド、アロイ化などで強度や加工性を高めるこ

本分光(株)製）により表面数μm の情報が得られる ATR 法を用いて赤外吸収スペクトルを測定することで評価した。

とで自動車部品や電子機器など耐久材への応用も検討されている。

力学特性については、材料試験機 5565 型（インストロン
リミテッド製）により引張試験を行った。

耐久材としての利用にあたっては、一般的なプラスチッ
クと同様に、光・熱・水などの環境因子による劣化を考慮3.

する必要がある。
プラスチックの劣化に関する相談は当所においても数

図 1 に耐候性試験前後の試料の様子を示す。試験後に試料の白濁が観察された。

結果と考察

多く寄せられている。プラスチック劣化の原因究明につながる情報を提供するため、多岐にわたる劣化評価・診断法の中から相談内容に応じて適切な手法を選択し、劣化現象を的確かつ迅速に把握することが重要である。そこでわれ
われは、状況に応じた適切な解析法選定のための指針を得ることを目的とし、樹脂グレージング材を対象に、樹脂の機械的特性や加水分解性などの化学的性質の違いを考慮
して、劣化の各ステージに応じた評価分析手法を選択する

図 1. 耐候試験前後の外観観察結果

必要性を明らかにしてきた本研究では、PLA の耐候劣化について分析評価し、劣化

図 2 に分子量分布、図 3 に数平均分子量 (Mn) 、重量平
均分子量 (Mw) 、ならびに z 平均分子量 (Mz) の変化を現象の特徴について検討したので報告する。

示す。暴露に伴い、分子量の低下が観測され、PLA が分解していることが確認できた。また、Mw、Mz は、緩やか

2. 実験
2.1 試料に低下していくが、Mn については、100 時間から 200 時
間にかけての低下の度合いが大きく、その後は緩やかに低

PLA は、市販の PLA ヘラ（アズワン(株)製）を試験・分析に供した。

下することがわかった。Mn には Mw、Mz に比べて、低分子量成分の増減の影響がより大きく現れる。これより、

2.2

試験には、キセノンウェザーメーターX75LZ（スガ試験

暴露初期おいて、低分子量領域の成分への分解がより進行したと考えられる機(株)製）を使用した。試験条件は、JIS K 7350-2-1995 に準拠し、放射照度 60±3 Ｗ/㎡（波長 300～400nm）、ブラ

図 4 に DSC の結果の一例として暴露時間 800 時間のサ
ンプルの DSC 曲線を示す。PLA では昇温により、ガラス

ックパネル温度 63°C、1 サイクル 60 分間の照射時間中に 12 分間の水噴射を行った。暴露時間は、100、200、400、転移によるベースラインシフト、続いて冷結晶化による発熱ピーク、融解による吸熱ピークが観測される。また、降600、800 時間とした。

温時には、結晶化による発熱ピークがみられる。このうち、冷結晶化のピーク温度に着目し、暴露時間による変化を1）。

促進耐候性試験

29

KISTEC研究報告2023

【化学技術部】

調べた。結果を図 5 に示す。冷結晶化のピーク温度は暴露

図 6 に暴露前と暴露 800 時間後の赤外吸収スペクトルを

200 時間にかけて低下の度合いが大きく、その後、緩やかに低下した。一般的に、分子量が低いと分子拡散が早いた示す。測定波数領域でスペクトルに顕著な変化は見られなかった。これは PLA の劣化が主に主鎖の切断によるもの

め、結晶化速度が増加する２）。冷結晶化ピーク温度の低下
は、暴露により分子量が低下し、結晶化速度が増加し、よで、単位構造に変化がないためと考えられる。

り低温で結晶化が進行したことに起因すると考えられる。
ピーク温度の低下が大きい暴露初期では、分子量測定においても、低分子量領域への分子量分布のシフトが観測されており、DSC と分子量測定が相関する結果となった。

図 6.

800 時間暴露後の赤外吸収スペクトルの変化

次に、上述の劣化現象が材料の機械特性にどう影響するか検討した。図 7 に引張試験による引張強度ならびに破断
伸びの変化を示す。引張強度ならびに破断伸びとも低下す
るが、特に 200 時間までの低下の程度が大きいことが分かった。分子量の低下により、脆化が進み、特に低分子量成

図 2. 暴露に伴う分子量分布の変化分が増える暴露初期で、機械特性の低下が認められたものと推察される。

図 3. 暴露に伴う平均分子量の変化
図 7. 暴露に伴う引張強度ならびに破断伸びの変化

4.

まとめと今後の展開
プラスチックの劣化の総合的な解析を目的として、バイ

オプラスチック材料である PLA を対象として、促進耐候性試験を行い、各種分析、評価を行った。表 1 に今回検討した評価法により観測された劣化現象と劣化を観測できた暴露時間をまとめたものを示す。
本研究結果については、データベース化などにより、技術支援への活用を図っていきたい。
図 4. 800 時間暴露後の試料の DSC 曲線

表 1.

各評価法で観測されたポリ乳酸の劣化現象
劣化を確認できた

評価項目

観測された事象

引張試験

引張強さ、破断伸びの低下

100 時間分子量測定

分子量の低下

100 時間熱分析

冷結晶化ピーク温度の低下

100 時間赤外分光測定暴露時間なし※主鎖切断による分解が主たる可能性を示唆-【参考文献】
1. 村上他, KISTEC Annual Research Report, 57 (2021).
2. 山口政之, Polyfile, 48, 20 (2011).

図 5. 暴露にともなう冷結晶化ピーク温度の変化

30

KISTEC研究報告2023

【化学技術部】

ウェルド及び気泡を有する
ガラス繊維強化ポリカーボネート射出成形品の破断面
荒木

環境安全グループ）羽田

孔明（化学技術部

材料化学グループ）田中聡美（化学技術部

環境安全グループ）安田1.

真由美（化学技術部

健（（地独）東京都立産業技術研究センター）

はじめに
スプルー

プラスチックの射出成形においては、さまざまな成形不良が生じるが、ウェルドラインや気泡もその一つである。
ウェルドラインとは、溶融樹脂合流部に発生する細線模様である。気泡とは、成形品内の空洞である。気泡は、巻き込んだ空気や樹脂由来の揮発分などが成形品内に取り残される場合と、冷却時に、先に固化した表面層に、厚肉部のコア層が引っ張られて空洞が生じる場合がある 1。

ゲート

上記のような成形不良は、外観を損ねるだけでなく、組織上で不連続な箇所が生じたり、局所的に肉厚の薄い箇所

JIS K7113 1 号形試験片
厚さ 4mmゲート

図 1 射出成形品の形状が生じることにより、機械的物性を低下させる。これは、構造材料として用いられることの多い短繊維強化熱可塑カメラ（リコーイメージング(株)製 PENTAX K-7）を用性樹脂（FRTP）の射出成形品においては、重大な問題となりうる。

いて試験片外観の撮影を行った。
引張試験は、5565 型 5kN 容量万能材料試験機(インスプラスチックの破損は、しばしば、特定の箇所に応力が集中することによって起きる。特定の箇所とは、例えば肉トロン・ジャパン㈱)を用い、引張速度 10 mm/min で実施した。

厚が変化する箇所や、ノッチ、ウェルドラインなどが挙げられる。破断面を観察することにより、き裂の起点や破壊

導電処理として、得られた破断面を金コーティングした
後、走査電子顕微鏡（日本電子(株) 製 JSM-IT200）を用過程を、経験的に推察可能な場合がある。
FRTP の射出成形品では、繊維の存在により、通常の破

いて、破断面の詳細な観察を行った。

断面の解釈が困難であるが、ウェルドラインのような成形不良が原因となる破壊については、特徴的な破断面を呈す

3.

結果及び考察
写真 1 に試験片の外観を示す。試験片 1 に示すように、ることが予想される。また、繊維は樹脂と共に流動すると考えられるため、繊維を観察することにより、樹脂流動の様子を把握できる。
そこで、本研究では、ウェルドラインと気泡を有するダ
ンベル形試験片を射出成形により作製し、引張破壊により得た破断面の観察を行い、成形不良品の破壊について考察したので報告する。

2.

実験
射出成形機には，電動射出成形機(PLASTARSi-100V、射出装置：F200HC、東洋機械金属㈱製）を用いた。試験片
規格は，JIS K7113 1 号形試験片である。金型については、試験片の中央付近で対向流が合流するように、両端にゲートを設けた。射出成形品の模式図を図 1 に示す。材料は、

試験片 2

試験片 1

ガラス繊維が 20％配合されたポリカーボネート（SF5201V,
住化ポリカーボネート㈱）を用いた。

写真 1 試験片外観

31

KISTEC研究報告2023

【化学技術部】

中央付近にウェルドラインが形成された試験片が得られ引張試験により得られた破断面を画像 1 に示す。試験片た。一方で、試験片 2 に示すように、中央付近に気泡が生じた試験片も見られた。流動先端には、樹脂や添加剤そのにウェルドラインが形成されている場合、一般的には、ウェルドラインで破断することが知られており、今回得られ他の成分由来のガスが集積するため、それらが気泡として残ったと考えられる。

た破断面もウェルド面であると考えられる。
試験片 1 では、破断面に直交するガラス繊維が少なく、

図 2 に引張試験の結果を示す。いずれの試験片においても、ほとんど塑性変形しないうちに破断し、引張強度は同破断面に平行なガラス繊維が多く観察された。両方向から流れてきた樹脂が合流してウェルドラインを形成する場程度であった。今回の試験片の場合、気泡の有無は強度には影響しなかったと考えられる。

合、流動先端においては、コア層の溶融樹脂は流動方向に直交して流れる 1。すなわち、ガラス繊維は、樹脂流動に沿って、ウェルド面に平行に配向したことが示された。一方で、樹脂の破断面に着目すると、ティアラインが観察され、ストレスクラックの破断面に類似していた。このことから、コア層の樹脂は十分混ざり合っていることが示された。両方向からの樹脂が合流する際、コア層の樹脂は混ざり合ったが、ガラス繊維はウェルド面に平行に配向した状態で残ったと推察される。ガラス繊維が一方向に配向すると、配向に直交する方向の力に対して弱くなるため、このウェルド面で破断したと考えられる。
試験片 2 の破断面においても、破断面に対して平行なガラス繊維が多く見られ、ティアラインが観察された。この結果から、ストレスクラックが生じたことと、ウェルド面で破断したこととが推察された。試験片 2 の破断面においては、さらに、ポリカーボネート樹脂のみでガラス繊維が図 2 応力－ひずみ曲線

ティアライン

画像 1 引張破壊により得られた FRTP の破断面の一例

32

KISTEC研究報告2023

【化学技術部】

観察されない部分や、ガラス繊維と樹脂の間の空隙が観察された。通常、組織内に欠陥があれば、その欠陥部に応力が集中し、強度低下の要因となる。しかし、今回、試験片
１と 2 の引張強度は同程度であった。この結果から、ウェ
ルド面に平行にガラス繊維が配向していることが両試験片の強度を決定づけており、気泡の存在は試験片 2 の強度に影響しなかったと推察される。

4.まとめ及び今後の展開
ウェルドライン及び気泡を有するガラス繊維強化ポリ
カーボネートのダンベル形試験片を射出成形し、引張破壊
による破断面を観察した。
いずれの試験片も、ウェルド面で破断したと考えられ、破断面に対して平行なガラス繊維が多く、直交するガラス
繊維は少なかった。一方で、ストレスクラックと推察される模様が観察されたことから、コア層の樹脂は十分混ざり合っていることが示された。
さらに、気泡を有する試験片では、樹脂やガラス繊維の間の空隙が観察された。
試験片は、気泡の有無に関わらず同程度の引張強度を示しており、ウェルド面に対して平行にガラス繊維が配向していることが両試験片の強度を決定づけたと考えられる。
これらの情報は、技術支援のための破断面のデータとして蓄積される。今後、成形条件等を検討し、さらに研究を進める。
最後に、材料をご提供頂いた住化ポリカーボネート㈱様に感謝申し上げる。

【参考文献】
1. 本間精一著、基礎から学ぶ射出成形の不良対策、丸善
出版、201133

KISTEC研究報告2023

【化学技術部】

熱分解 GC/MS によるポリアミドの定性分析高橋

1.

亮(化学技術部新エネルギーグループ)

ポリアミド樹脂（PA）は耐衝撃性や耐摩耗性などの機す．いずれの試料とも 2800-2900 cm-1 付近の C-H 伸縮の吸収に加え，1640 cm-1 付近のアミドⅠおよび 1560 cm-1 付近のアミ械的特性に優れたエンジニアリングプラスチックとして
各種機械･電機部品等に幅広く用いられており，当所にもドⅡの強い吸収と，3300 cm-1 付近の N-H 伸縮の吸収が観測された．試料によりそれぞれの吸収の強度比や小さな吸収の出

PA が用いられている部品等の材質確認に関する相談や依頼が寄せられている．

現位置が異なるなどの差異はあるが，お互いに類似している
ため FT-IR スペクトルのみで材種を判別することは容易では樹脂材料の材質確認には一般的に赤外分光分析（FT-IR）が用いられるが，PA はスペクトルが非常に類似している

なく，通常は DSC による融点測定が併用される．

はじめにため，さらに示差走査熱量分析（DSC）による融点測定を組み合わせて定性を行っている．しかしながら一部の PAは融点が近接しており，定性を確実に行うためにはさらなる情報が必要となる．本稿では熱分解 GC/MS により，熱分解法と水酸化テトラメチルアンモニウム（TMAH）を用いた反応熱分解法 1)により PA の定性を試みた結果を報告する．

2.

実験及び結果
熱分解 GC/MS 測定には，キュリーポイント方式のパイ

ロライザー（JHP-5，日本分析工業）を設置した GC/MS（HP6890/ MS5972A，ヒューレット・パッカード（現アジレント））を用いた．分離カラムは，DB-1MS UI（内径 0.25
mm × 30 m，膜厚 0.25 μm，アジレント）を用いた．GC オ
ーブンは，50℃で 5 分間保持した後，10℃/分で 300℃まで
昇温した後 5 分間保持した．
PA の分析試料として，Scientific Polymer Products 社製
Nylon Polymers Kit の凍結粉砕物を用いた．熱分解法では
試料約 0.1 mg をキュリー点 590℃のパイロホイルで包んだ後にパイロライザーにセットし，ヘリウムキャリアガス
中 5 秒間高周波誘導加熱を行って熱分解した．
PA をアルカリ性試薬と共存させて加水分解反応を促進

図 1. 各種 PA の FT-IR スペクトルし，構成原料まで分解させる反応熱分解法では，ガラス製
カプセルを用いる Oguri らの文献 2)を参考に行った．約 2mmφ のガラス製キャピラリーを長さ 25 mm 程度に切断し，その片端を熔封してガラス製カプセルを作製した．そのカプセルに試料約 0.1 mg と，25% TMAH メタノール溶液と15％水酸化ナトリウム水溶液を 2:1 の比率で混合した溶液

表 1 に DSC 測定により求めた各試料の融解温度を示す．
PA6/6 など特徴的な融点を示すものについては FT-IR スペ
クトルとの組み合わせで定性が可能と考えられる．一方，220℃付近に融解ピーク温度を持つ PA6，PA6/10 およびPA6/12 については，定性をより確実に行うためにはさら

2 μL を入れた後，カプセルのもう一端を熔封した．カプセ
ルを 150℃に加熱した電気炉中 30 分間加熱した後に取りなる情報が必要である．
図 2 に，融点の近い PA6，PA6/10 および PA6/12 の 590℃

出し，メタノールにカプセルを浸漬して洗浄した後にキュリー点 358℃のパイロホイルを巻き付けた．測定直前にカにおける熱分解 GC/MS 分析結果（トータルイオンクロマ
トグラム）を示す．PA6 では構成原料である ε-カプロラク

プセルの片端を切断し，パイロライザーにセットしてヘリ
ウムキャリアガス中 10 秒間高周波誘導加熱を行い，タムが選択的に生成し，PA6/10 および PA6/12 では複雑な熱分解生成物が確認された．

GC/MS 分析を行った．
図 1 に ATR 法で測定した各種 PA の FT-IR スペクトルを示

34

KISTEC研究報告2023

【化学技術部】

加水分解生成物を 358℃のパイロホイルで急速加熱してGC/MS 分析を行うことにより，PA の構成原料であるジカ
ルボン酸成分およびジアミン成分に関する情報を得るこ

表 1. 各種 PA の融解温度

試料名

補外融解開始温度

融解ピーク温度PA6

206.4 ℃

221.9 ℃

PA6/6

251.6 ℃

262.1 ℃

PA6/9

203.1 ℃

210.3 ℃

PA6/10212.6 ℃

220.4 ℃

PA6/12210.1 ℃

216.7 ℃

PA11

182.0 ℃

190.0 ℃

PA12

170.8 ℃

178.7 ℃とができた（図 3）．PA6/12 についてはヘキサメチレンジ
アミンを確認することはできなかったが，構成原料の 1 つであるドデカン二酸ジメチルを確認することができた．な
お PA6 からは複雑な熱分解生成物が得られたが，PA6 については前述の熱分解法により定性が可能である．

図 3. 各種 PA の二段階反応熱分解 GC/MS 分析結果
(a) PA6, (b) PA6/10, (c) PA6/12
図 2. 各種 PA の熱分解 GC/MS 分析結果（590℃）3.

(a)PA6, (b) PA6/10, (c) PA6/12

考察及び今後の展開以上述べたように，PA の定性分析において通常用いられる FT-IR 分析と DSC 測定に加え，さらに熱分解法および二段
定性をより確実に行うためには，PA6 のように構成原料が選択的に生成する分析条件を見出すことが必要である．

階の反応熱分解法を用いた熱分解 GC/MS 分析を組み合わせ
ることにより，より確度の高い定性が可能となることがわか

反応剤として TMAH メタノール溶液を用いる反応熱分解法を検討したが，PA6/10 および PA6/12 については TMAHった．この手法により，様々な低融点ポリアミドなどのコポリマーの定性についても構成原料に関して有用な情報

メタノール溶液を単に接触させて熱分解を行うだけでは
PA の加水分解反応が十分には進行せず，構成原料であるが得られることが期待される．

ジカルボン酸成分とジアミン成分の両方に関する情報を得ることができなかった．

【参考文献】
1. J. M. Challinor, J. Anal. and Appl. Pyrol. 16, 323-333(1989).

そこで，ガラス製カプセルを用いて密閉系内で TMAH
メタノール溶液による PA の加水分解反応を行い，生成し2. N. Oguri et al., J. High Resol. Chromatogr., 61, 597-600(1993)．

た分解物を GC/MS 分析する二段階の反応熱分解法を検討した．様々な条件について検討した結果，1 段階目の加水分解反応を 150℃の電気炉中で 30 分間加熱し，得られた【外部発表】口頭発表

35

1件

KISTEC研究報告2023

【化学技術部】

非線形粘弾性指標を用いたゲル化点評価の検討
武田

1.

理香、津留崎恭一(化学技術部材料化学グループ)

e1 と e2 に対する直角方向の単位ベクトル e3 とする。この様に設定した e1, e2, e3 をフレネの標識と呼び、フレネ・

はじめに
精密な架橋ポリマー系の設計において、ゾルからゲルに

セレの公式からκを求めることができる。

転移する点（以下、ゲル化点）を正確に見積もることは大変重要である。ゲル化点は、線形粘弾性（LVE）指標であ e1 '   e2 '  = e '
 3 

る貯蔵弾性率 G’と損失弾性率 G”の交点として簡易的に見積もることができるが、角振動数ω が変わると交点も変わってしまうという問題がある。Chambon ら 1)は、G’と G”
は角振動数ω に対して指数則を示し、その指数 n が一致すκ

0  e1  
0 τ  e 2 −τ 0 
 e3 (4)γ , σ ）は以規格化した 3D-Lis のパラメータ（γ ,る点がゲル化点であると定義した。しかしながら、ゲル化
点近傍の柔らかい試料に対して微小歪を印加する測定は、下のように表示できる。

(5)r (t ) = ( sin ωt cos ωt σ (t ) )2
2(1)、(4)より、κ = |d r/ds | が得られる。(5)を用いると曲応答が小さい、LVE 範囲内においてもなお歪依存がある、など感度の点で非常に難しい。一方で感度を上げるために率ベクトル κ の時間変化の公式は次式となる。

歪を大きくすると非線形粘弾性（NLVE）が現れ、正しい値が得られないといった困難がある。

 
 
 2
ωσσ
ωσσ
σ 2σ  2 22κ=e1 / s = −ω sin ωt − 2  2 cos ωt −ω cos ωt + 2  2 sin ωt σ − 2  2  / (ω + σ )
+
+
+σ 
ω
σ
ω
σ
ω


我々はこれまで、ソフトマテリアルを対象に歪γ・歪速度 γ ・応力σ の 3 次元リサージュ曲線（3D-Lis）の形状を(6)

曲率 κ は次式で与えられる。

曲率κ によって数値化することで NLVE 特性を評価してきた 2-8)。この評価法の利点は LVE、NLVE に係わらず成り

2

σ 2
ω
 dσ  ωκ=
ω2 + 2ω2 + 
κ == 2
ω + σ 2 (ω 2 + σ 2 ) ds  s (7)(7)は LVE、NLVE に関わらず成り立つ公式である。

立つ指標を用いるため、大きな歪を印加し高感度なデータを得られることである。

LVE の場合、σ =sin(ωt +δ )で表すことができ、κ はδ だ

これまでの研究により、ソフトマテリアルの絡み合いの度合いよってκ の最小値κ min が変化することを見出した。

けによる簡単な式となる。

κ lin
この変化はゲル化点の指標として利用できる可能性があ=る。本研究では、配合割合を様々に変えたゲルを用い、κ minと LVE 指標から求めるゲル化点を比較し、新たなゲル化
点評価の可能性を提案する。

2.

 0

 −κ
 0


2
=
3/2
2
(1 + cos (ωt + δ ) )4( 3 + cos 2(ωt + δ ) )3/2

このとき、κ の最大値κ max は 2 、最小値κ min は 0.5 となる。図 2 に(8)の理論値から求めた完全粘性体および完全弾性体のκ の 1 周期形状を示す。横軸は1周期（0.01Hz）の時間を示し、25s・75s はγ が最大の時刻で弾性を表す部

解析方法

解析方法として、3D-Lis の等時間間隔の 3 点を局所部分の円弧とみなし、曲率κ を求める。κ は曲率半径ρ の逆数分となる。50s は γ が最大の時刻で粘性を表す部分となる。
このことから、ゾル状態であればκ の 1 周期は完全粘性体

で表される。時刻 t=0 で点 O にあるとし、時刻 t での位置ベクトルを r、弧長を s とする。r において、接線方向のと同様の形状になると考えられる。

。e1 は s で微分するこ
単位ベクトルを e1 とする（e1 .e1=1）とで得られる（図 1）
。
e1 =

dr
ds

(8)

(1)

e1 ' ≡ de1は、e/ ds 1 と直角方向に
e1 をさらに s で微分した
ある。
de1
d
(2)
e1 e1 ) 2 =e1 2=
e1 'e1 0
(=
ds
ds

図 1

κ の定

e1’方向の単位ベクトルを主法線ベクトル e2 とし、e1’の大きさをκで表す。
=
e1 ' κ e 2 ≡ κ(3)(1)と(3)より、κは位置ベクトルの二階微分で与えられる。

36

KISTEC研究報告2023

【化学技術部】

3.

実験方法

試料は、㈱エクシール製 2 液混合型ウレタン樹脂（製品名：人肌のゲル アスカーC0、主剤：ポリオール、硬化剤：イソシアネート）を用い、硬化剤割合（以下 CR とする。CR = 硬化剤/(主剤+硬化剤) ）を 0.42 から 0.44 まで変えて作成した。
粘弾性測定では、8 mmφのパラレルプレートに試料を挟み、捻じり方向のγ を与え、このときのσ を観測した。

図 2 理論値から求めた完全粘性体(左)と完全弾性体(右)のk の1周期形状

γ が 1 周する間に応力σ を等しい時間間隔で 1024 点測定した。G’と G”は、最大歪γ 0 が LVE 範囲内となる 10 %、f は0.01～10Hz（f = ω/2π）で評価した。κ は、NLVE がより明確に観測できたγ 0 が 500 %、振動数 f が 0.01 Hz で固定とする。測定環境は室温とした。

4.

結果と考察
先ず、各 CR における G’と G”のω 依存性から求めた指数 n をプロットした図 3 を示す。なお、G’ と G”の n はそれぞれ n1、n2 とする。n1、n2 が交差する点を CR*とし、CR*直線近似で求めると CR* = 0.426 となる。
次に、κ min の CR 依存性を図 4 に示す。CR が CR*より

図 3 G’、G” のw 依存から求めた指数n（g0 = 10%、f = 0.01～10Hz）も低いとき（①②）κ min は 0.48 付近の値であるが、CR*よりも僅かに高くなると（③④）κ min は急激に低下した。
そこで、CR*近傍におけるκ の変化を詳細に捉えるため、
1 周期形状を図 5 に示す。なお、図 4 でプロットした▲の下にある番号と図 5 に示している番号は対応している。横軸は 1 周期（0.01Hz）の時間である。CR が 0.420（①）と0.425（②）におけるκ の 1 周期形状（図 5 上段）は、完全粘性体の理論形状（図 2 左参照）に近いことから、ゾル状①

態であると考えられる。CR が 0.427（③ 図 5 左下）になるとピーク位置が固体側へとずれており、粘弾性物質に変

②
③

④

CR*

化したことが分かる。また、50s 付近の波形にショルダーが見られるが、これはゴムなど架橋された材料の NLVE 時

図 4 k min のCR 依存性に見られる振舞いであり、粘弾性体であると判断できる根拠となる。CR が 0.429（④）では更にゆがみが増幅（図 5右下）し、ピーク部分がシャープになった。従って、CR*がゲル化点であると推察される。更にこの結果は、G’と G”のω 依存性から求める従来の研究とも矛盾がない。

5.

まとめと今後の展開
我々の考案した NLVE 指標κ を用いて、ゲル化点評価の可能性について検討した。CR*を境にしてκ の形状が変化
していく様子は、液体から架橋構造を持つ弾性体への移り変わりを顕著に捉えていると考えられる。
本手法は、柔らかいゲルに対して大きな歪を与えて適度なトルクが得られる利点がある。このことから、精密なゲル化点評価方法として利用できる。
更に今回の研究で、ゲル化点近傍においては、粘性から弾性に変化していく過程で糸引き(曳糸性)が大きく変化することが分かった。曳糸性は製品を扱う上での欠点とされることから、今後はゲル化点と曳糸性との関係について

図 5 k の 1 周期形状
(左上：CR＝0.420、右上：CR＝0.425、左下：CR＝0.427、右下：CR＝0.429)

検討していく予定である。

37

KISTEC研究報告2023

【化学技術部】【参考文献】
1. F.Chambon and H.H.Winter、J.Rheology、31, 683 (1987) ．
2. 武田、西村、津留崎、神奈川県産業技術センター研究

報告、No.21, 1 (2015) ．
3. 武田、本多、津留崎、神奈川県産業技術センター研究
報告、No.22, 18 (2016) ．
4. 武田、本多、津留崎、神奈川県産業技術センター研究

報告、No.23, 9 (2017) ．
5. 武田、柴田、津留崎、KISTEC研究報告、2019.
6. 武田、津留崎、KISTEC研究報告、2020.
7. 津留崎、武田、高分子学会誌、Vol.70,No.5,238-239 (2021)
8. 武田、津留崎、KISTEC 研究報告、2021.
【外部発表】口頭発表 3 件， 論文等発表 2 件

38

KISTEC研究報告2023

研究報告2023 目次【川崎技術支援部】◆ 白金ナノスポンジ電極のオゾン生成能評価および

40

微細構造解析とオゾン生成装置への応用･･････････････････････････････････････････････
落合

剛（川崎技術支援部

材料解析グループ）◆ 有機太陽電池評価のための電流値の安定を自動判別する最大出力追尾（MPPT）法の開発･･････

斎藤

英純、青木

大輔、戸邉

智之（川崎技術支援部 太陽電池評価グループ）
馬飼野

信一（有機系太陽電池技術研究組合）◆ 高コントラスト包埋剤の開発････････････････････････････････････････････････････････････

矢矧42

束穂（川崎技術支援部

44

微細構造解析グループ）◆ ペロブスカイト太陽電池のn型半導体電極に関するラジカル量・トラップ密度の測定と劣化の関係････････････････････････････････････････
戸邉

智之、斎藤

英純、青木

大輔、瓦家正英（川崎技術支援部 太陽電池評価グループ）3946

【川崎技術支援部】

白金ナノスポンジ電極のオゾン生成能評価および微細構造解析とオゾン生成装置への応用
落合

1.

はじめに

剛（川崎技術支援部

材料解析グループ）

新型コロナウイルスの感染拡大をうけ、オゾンを用いた（図１下）。走査型透過電子顕微鏡（STEM）を用いてこの部分を解析したところ、白金とチタンの合金の表面に、直感染対策が注目されている。従来のオゾン発生方法として、
気相中での UV-C 照射や放電、ホウ素ドープダイヤモンド

径数 nm の白金粒子が集まったスポンジ状の構造体が形成されていることを確認した（図１右上）。この電極作製法(BDD)電極等を用いた液相中での電気分解によるオゾン
水生成などが実用化されている。しかしながら、いずれもを、「電撃連打法」と命名した。
この白金ナノスポンジ電極のオゾン生成能を、図 2 上に大きなエネルギーや高コストな材料を必要とする。本稿では、簡便な手法で、それら従来技術よりも高効率かつ低コ示す小型電解セルで評価した。その結果、従来の BDD 電
極の 10 倍以上のオゾン生成効率が得られたが、次第にオストにオゾンを生成できる白金ナノスポンジ電極について、その作製法から、オゾン生成能評価および微細構造解

ゾン生成能は低下していった（図 2 下）。実験後に電極表面の微細構造を再度解析すると、白金ナノスポンジ構造は

析、オゾン生成装置への応用まで報告する。

剥離・消失していた。この白金ナノスポンジ構造の剥離がオゾン生成能の低下の原因と考えられた。

2.

実験及び結果オゾン濃度をモニタリング
DC 7.5 V
O3 gas Air (1 L/min) ⊝電解液中にチタン板と白金棒を浸漬し、チタン板を陽極、⊕白金棒を陰極として 7.5 V の直流電圧を印加した状態でこすり合わせた（図１左上）1。両極を離すと、チタン板の白金棒をこすりあわせた部分から、高濃度のオゾンが生じた

オゾン生成電極

10 nm

白金棒
(陰極)

（白金ナノスポンジ
電極、または従来のBDD電極を
いずれも 0.28 cm2に規定して使用）

チタン板
(陽極)

15

白金ナノスポンジ電極

500 nm

Pt-Ti合金
オゾン濃度 / ppm

Ti

こすり合わせた部分の断面図

↑水素

10

5

従来のBDD（ホウ素ドープ
ダイヤモンド）電極↑オゾン
白金棒（こすり合わせることによる消耗は0.01 mg/m程度）

白金線

小型電解セル
白金ナノスポンジ構造

電解液中で電圧をかけながら
こすり合わせる（電撃＋連打）

オゾン
生成電極

白金
ナノスポンジ
電極

0

0

20
40
時間 / min60

図 2 （上）オゾン生成能評価試験の概略（下）白金ナノスポン
ジ電極と BDD 電極との性能比較

図 1 白金ナノスポンジ電極の作製と微細構造解析

40

KISTEC研究報告2023

【川崎技術支援部】

3.

考察及び今後の展開●新型コロナウイルス感染症をはじめとした各種感染対以上の結果から、白金ナノスポンジ電極の形成とオゾン生成のメカニズムについて、下記のように考察した。

策・消毒・殺菌●空気浄化・脱臭・水処理●繊維製品などの漂白

１．ショートのエネルギーによって、白金とチタンが融け
あって合金ができる。
２．電解によって、合金の最表面の白金とチタンが溶解・これらの場面で、従来のオゾン発生方法を本研究の方法に置き換えるだけで、コスト削減や省エネルギー化につな

再析出を起こし、白金ナノスポンジ構造が形成される。
３．白金ナノスポンジ構造が、水を電解する際に電極触媒がる可能性がある。また、本研究の方法は、大面積の電極でも安く簡単につくれるので、従来の方法では困難だった、としてはたらき、効率よくオゾンを生成する。
４．溶解・再析出が進むにつれ、白金ナノスポンジ構造が大量の物質のオゾン処理や、迅速な脱臭・消毒なども可能になると期待できる。

剥離して、オゾンの生成効率が低下する。
このように川崎技術支援部では、機能材料の性能評価と新しいオゾン生成法として提案するためには、安定してオゾンを生成させつづける必要がある。しかし、上記４の微細構造評価を組み合わせ、その応用展開も提案できる。
関心をお持ちの方は、お気軽にお問い合わせいただければ剥離をおさえ、安定してオゾンを生成させつづけることには、今のところ成功していない。そこで「簡単につくれる幸いである。

のだから、剥離したらまたつくれば良い」と発想を転換し、
図 3 に示すオゾン生成装置を試作した。

4.

この装置は、図 2 の小型電解セルをベースにした設計である。ドラム状のチタン電極と、棒状の白金電極が、設定

和環境エンジニアリング株式会社）様に作製していただきました。ここに厚く御礼申し上げます。

電流値を維持するよう「電撃連打」を繰り返し、所定のオゾン濃度（この例では 10 ppm に設定）をキープする（図【参考文献】

中の QR コードから、JST 新技術説明会の公式 YouTube チャンネル 2 にアクセスすると、実際に動かしながら説明し

1. M. Hayashi, T. Ochiai, S. Tago, H. Saito, T. Yahagi, A.
Fujishima, Chem. Lett., 48, 574-577(2019).

ている講演動画が閲覧可能）。このとき消費電力は約 50
W 程度であり、一般的な電気機器の AC アダプタ等で駆

2. 落合剛「白金ナノスポンジ電極の作製とオゾン生成装置への応用」, JST ものづくり技術 ～首都圏テクノナ

謝辞

オゾン生成装置は、株式会社エス・イー・イー（旧・盛動可能といえる。

レッジ・フリーウェイ～ 新技術説明会 公式 YouTube
チャンネル, 2023/02/13 公開.

チタン板(陽極)

https://www.youtube.com/watch?v=A_8HCif3KNU
3. 落合剛, 佐々木萌, 矢矧束穂, 濱田健吾, 「電極、電極の製 造 方 法 、 オ ゾ ン 発 生 装 置 」 特 開 2022-190270,
2022/12/26 公開.

白金棒
(陰極)

【外部発表】口頭発表 5 件（200mA未満で「電撃連打」する設定）
mA未満で「電撃連打」する設定）
青：電流（200

赤：オゾン濃度
図 3 試作オゾン生成装置の外観と駆動データ

昨年末に、この研究の特許が公開された（特開 2022190270「電極、電極の製造方法、オゾン発生装置」）3。今後は、この特許をベースに、オゾン発生装置を実用化し、さまざまな分野・場面での応用をめざすことが課題となる。
具体例としては以下の通りである。

41

KISTEC研究報告2023

【川崎技術支援部】

有機太陽電池評価のための電流値の安定を自動判別する
最大出力追尾（MPPT）法の開発
斎藤

1.

英純、青木

大輔、戸邉

智之（川崎技術支援部 太陽電池評価グループ）
馬飼野 信一（有機系太陽電池技術研究組合）

はじめにレータ下で評価した結果であり、遅延時間の設定が不適切

ペロブスカイト太陽電池（PSC）は光電変換効率が高く、塗布工程で製作できるため大面積化が容易という特徴がなため最大出力を見失って迷走している。

あり、次世代太陽電池の有力な候補として期待されている。
しかし、有機太陽電池特有の応答遅れが発生するため性能
140
120
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
-140
-160

0.6

KISTEC では電流値の安定を自動判別し、ヒステリシスを最小限に抑えるため電圧掃引方向を揃えるアルゴリズ
ムを組み込んだ MPPT 法を新たに開発したので紹介する。

有機太陽電池の発電性能と開発した MPPT 法

0.5

Voltage / V

法（Maximum power point tracking : MPPT method）を発電性能評価に応用する例が増えている。

2.

0.7

Current / mAる手法の開発が求められている。このため、最近は本来パワーコンディショナーの制御に使用される最大出力追尾

0.8

0.4
0.3
0.2

0

色素増感太陽電池（DSC）や PSC といった有機太陽電
池は I-V 測定時の電圧掃引に対して電流値の追従が遅れる、いわゆるオーバーシュート現象が発生する。

100

200
300
Time / s（a）c-Si PV の I-t, V-t 線図

18

400

500

0

12

Current
Voltage16

図 1（a）
は結晶シリコン太陽電池の V-t, I-T 線図である。
応答が速いため電流値は水平・垂直で構成された階段状の

0.1

Current
Voltage1410グラフとなるのに対し、（b）に示した PSC の電流値は大きく低下してから戻ってくる挙動を示す。この「行き過ぎCurrent / mA

12

8

10

てから安定するまでの時間」がヒステリシスとして現れる。
電流値を示す線が水平になる時間よりも長い時間を測定

6

8
6

4

4

2

2

遅延時間として設定し、安定後にデータを取り込むようにすれば良いが、各デバイスの構造や組成によって特性が変Voltage / V測定の国際標準である IEC 60904 シリーズだけでは発電特性を正確に求めることはできず、短時間で正確に評価す00化するため標準的な待ち時間の決定が容易でない。そこで、
電流値の変動が一定の割合を下回った後に次の段階へ移

60

120

180
240
Time / min

300

120
180
Time / min

240

360

0

（b） PSC の I-t, V-t 線図
図 1 I-V 測定時の I-t, V-t 関係

行するアルゴリズムを追加した。
一方、MPPT（Maximum Power Point Tracking：最大電力

0.4追尾）法は太陽光発電モジュールの制御用として既に実用化されている手法で、電圧を僅か（±ΔV）に変化させた

0.3
Power / mW

ときの出力を比較し、高い値を示す電圧へ移行することで常に最大出力点を追尾する方法である。
PSC の中にはヒステリシスが非常に大きいものがあり、遅延時間を大きくした I-V 測定をおこなうと時間が掛か

0.2

0.1

りすぎるため、最大出力値付近のみ掃引する MPPT 法により発電性能を評価することが国内外の研究機関に拡が0.0っている。図 2 に一般的な MPPT プログラムを使用して発振を起こした例を示す。これは、PSC をソーラーシミュ

0

60

300

図 2 遅延時間の設定が不適切で発生した発振現象

42

KISTEC研究報告2023

【川崎技術支援部】

このような発振を防止し、再現性の高い測定を行うた

Start

k=0

め電流値の安定化を自動判別するアルゴリズムを追加した MPPT 法を開発した。図 3 に発振防止プログラムのフ

Set V (k) to an initial value

ローチャートを示す。
赤い点線で囲まれたルーチンＡは、発振防止の第一歩とMeasure V(k), I(k)して定常出力を求める手順を表している。電流値の安定を判断して次の段階へ移行するかどうかを決める部分であCalculate P(k) = V(k) · I(k)No
Yes

り、これまで様々な条件で実験を実施して現在は 10 秒あたりの変化率が 0.01%未満という条件を採用している。しNo∆P(k) / ∆t < x?

V(k) > V(k-1)?

Routine A

そこで、第二段階として電圧を変化させる方向を揃える
アルゴリズムを導入した。青い長破線で囲んだルーチン B

P(k) > P(k-1)?
No

Yes

かし、このように定常判断を厳しく設定してもヒステリシ
スの度合いによっては発振を引き起こす場合もある。

V(k) > V(k-1)?

No

Yes
V(k) = V(k) – 2·∆V

り過ぎてから戻る過小評価に、逆に電圧減少（逆掃引方向）の場合は電圧が上がり過ぎてから戻る過大評価を示す。こMeasure V(k), I(k)のように過小評価側・過大評価側へと正反対の方向へ掃引することがヒステリシスをより強調させることになるのCalculate P(k) = V(k) · I(k)Routine B

ではないかと考え、掃引方向を揃えるようにしたアルゴリ
ズムがルーチン B である。

No

∆P(k) / ∆t < x?
Yes

図 4 にヒステリシスを有するデバイスの P-V 線図の模式図を示す。赤線は順方向掃引、青線は逆方向掃引、紫色

V(k+1) = V(k) + ∆Vk = k+1の点線は定常値に達した際の P-V 曲線である。
（a）は通常のアルゴリズムによりトラッキングした場

図3合の図で、現在の値 V1（菱形）から+ΔV 変化させて過小評価から定常値へ向かう状態（赤矢印）と-ΔV 変化させ

MPPT 測定法のフローチャート

100
90
Power / mWて過大評価から定常値へ向かう状態（青矢印）を表したものである。
（b）はルーチン B を表した図で、-ΔV 変化させるために一度-2ΔV 掃引し、その後+ΔV 変化させた状態である。最終的には-ΔV だけ変化させるのだが【V1-2
ΔV+ΔV = V1-ΔV】という過程を経ることが特徴である。
この場合、両方とも過小評価側から定常値へ向かうので、

+ΔV

80

-ΔV

70
60
50

過大評価を避けられるというメリットもある。このアルゴ
リズムを追加したことにより測定の安定性が向上し、定常

40光下であれば数時間に及ぶ測定も可能となった。

4.0

4.5

5.0

5.5

（a）

6.0 6.5 7.0
Voltage / V

7.5

8.0

8.5

9.0

8.0

8.5

9.0

通常のアルゴリズム

100

今後の展開
現在はソーラーシミュレータによる定常光下で検討し

-2ΔV

90
Power / mWているが、実際の使用環境は日射量が刻一刻と変化する。
日射が変化した状態でも安定した測定が可能となるよう
適切な遅延時間の設定や新たなアルゴリズムの追加など
プログラムを発展させていく予定である。

【参考文献】1.

No

Yesである。ヒステリシスを有するデバイスに対して電圧掃引した場合、電圧増加（順掃引方向）の際には電流値が下が

3.

Yes

k = 0?

+ΔV

80
70
60

ΔV
-2ΔV+ΔV=-ΔV

50

H Saito, D Aoki, T Tobe, S Magaino, Electrochemistry, 88,
218 (2020)

40

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0 6.5 7.0
Voltage / V

7.5（b） 電圧掃引方向を順方向で揃えたアルゴリズム
図 4 ヒステリシスの模式図と電圧掃引方向【外部発表】口頭発表 3 件、論文等発表 2 件

43

KISTEC研究報告2023

【川崎技術支援部】

高コントラスト包埋剤の開発矢矧

1.

束穂（川崎技術支援部

はじめに

微細構造解析グループ）

販のグラファイト粒子を例として高コントラスト包埋剤の効果を検証した結果を報告する．

顕微鏡による内部構造の観察において試料形態が多孔質，粉体，繊維等の場合は樹脂包埋が一般的に行われている．試料へ樹脂を含浸させた後，樹脂を硬化させることによって，試料の変形を抑えた断面作製を行うことができる．
また，電子顕微鏡観察では，得られる像コントラストは試2. 実験方法
2.1 グラファイトの微構造観察
定法 5) に従って調整した高コントラスト包埋剤へ乾燥

1,2)．そのため，包埋に用料の原子番号に強く依存している
いる樹脂と試料自体の原子番号が近い場合，明瞭なコント

状態のカーボンペースト粉末（TED PELLA 社，アクアダック）を加えて混合した．その後，自然乾燥法と架橋法にラストを得ることは原理的に難しい．つまり，先述した試料形態をしたカーボン系の試料や高分子試料，生物試料とより試料を調整した．自然乾燥法では試料は Si ウエハ上で固化させた．比較用には一般的な方法として，同じカーいった軽元素を主成分とする試料をそのまま樹脂包埋した場合，包埋樹脂と試料の間で明瞭なコントラストが付か

ボンペースト粉末をエポキシ樹脂（GATAN 社，G2 Epoxy）
へ包埋し，Si ウエハ上で固化させた試料を用意した．

ず，不鮮明な画像となってしまう．この問題の根本的な要因は，包埋樹脂を構成している主成分が C，H，O といっ

断面観察は次の手順で実施した．自然乾燥法と比較用試料の表面に導電処理としてオスミウムコーター（(株)真空

た軽元素であるという点にある．そこで，試料によってはいくつかの方法によってこれらの問題を回避している．主デバイス，HPC-1SW）によりオスミウムをコーティングした．その後，集束イオンビーム装置-走査電子顕微鏡（FIB-

な方法として，試料が高分子試料や生物試料の場合には，試料の分子構造の特定部位に四酸化ルテニウム，四酸化オ

SEM；サーモフィッシャーサイエンティフィック社，Scios）
により，断面加工と断面観察を行った．加工箇所には予めスミウム，リンタングステン酸，酢酸ウラニル，鉛等の重金属を付加させることによる電子染色が挙げられる 3)．電カーボンデポジションを施した．
FIB の加速電圧は 30kV，SEM の加速電圧は 2kV に設定し，反射電子像を得た．架子染色を行うことにより，試料に重金属が沈着するため，試料自体のコントラストが向上し，樹脂包埋を行ったとし橋法により作製した試料は数 mm 角に切り出し，その破片を先述したエポキシ樹脂へ包埋した．その後，試料の端面ても視認性が改善される．また，試料の周囲に酢酸ウラニ
ルやリンタングステン酸等の水溶液を滴下した後に観察を機械研磨により露出させ，加速電圧 6kV に設定したイ
オンミリング装置（日本電子(株)，IB-19520CCP）で断面加を行うネガティブ染色法も挙げられる．ネガティブ染色法
ではウイルスや細菌の他にセルロースファイバー等もコ

工と導電処理のためのカーボンスパッタリングを行った．
観察は SEM（日本電子(株)，JSM-7800F Prime）により行っ

ントラストを改善して観察することができる 4)．
しかしながら，これらの方法は必ずしも十分ではない．

た．SEM の加速電圧は 2kV に設定し，反射電子像を得た．

例えば，無機化合物，エンジニアリングプラスチック等では電子染色の効果が小さく，コントラストの向上は期待で2.2 高コントラスト包埋剤の内部構造確認

きない．また，ネガティブ染色法では，対象試料がナノ粒子となり，評価方法も透過電子を用いた方法に限定される．

ハ上で自然乾燥法によって固化させたものを試料とした．
その試料に対して次の手順で透過電子顕微鏡（TEM）観察

加えてネガティブ染色法では試料を包埋できないため，断面観察には不向きである．そこで，これらの点を顧みて，を行った．試料表面に導電処理としてカーボンを蒸着した．
その後，
2-1.と同じ FIB-SEM により厚さ 100nm 以下の TEM

著者は新たな評価手法として高コントラスト包埋剤（特許出願中）を開発した 5)．開発した包埋剤は重元素を含有し試料を作製し，TEM（サーモフィッシャーサイエンティフ
ィック社，Talos）により観察を行った．加工時の FIB の加ているため，試料を構成している元素の原子番号が小さいほどコントラスト差が大きくなり，明瞭な観察が可能とな

速電圧は 30kV，最終仕上げ時の加速電圧は 2kV に設定した．TEM の加速電圧は 200kV に設定した．

る．また，固化方法としては自然乾燥を主とする物理的手法（自然乾燥法）とアルデヒド類を用いた化学的手法(架橋3.

法)の 2 通りの選択肢があり，応用方法の幅も広い．つまり，グラファイトのような軽元素を主成分とする材料に対

図 1 は自然乾燥法と比較試料の断面画像である．図1(a)，(b)の結果より，軽元素のグラファイトの暗色と重してこの包埋剤を用いるとその微構造を電子顕微鏡観察下において明瞭に可視化することができる．本報では，市元素を含む高コントラスト包埋剤の明色との間で大きなコントラスト差が得られ，観察像の視認性が向上し，グ試料を含まない高コントラスト包埋剤を調整し Si ウエ

44

結果及び考察KISTEC研究報告2023

【川崎技術支援部】

ラファイト内部の層状構造を詳細に確認することができに示す通り，包埋剤内を確認すると 1nm 以下の極めて微る．一方，図 1(c)，(d)ではグラファイトとエポキシ樹脂との間でコントラスト差はほとんど得られず，微構造は細な構造が確認されるが，内部は比較的均質で 1nm 以上の析出物や相分離構造は確認されない．また，図 3(b)の電十分に確認されていない．自然乾燥法は簡便な方法であるが，グラファイトの微構造を SEM で評価する上では十子線回折の結果からは非晶質パターンが得られた．粗大な析出物や相分離構造が確認されず，さらに非晶質である点

分な効果を示すことが明らかとなった．

は包埋剤としては有利な特徴となる．

図 3．高コントラスト包埋剤の内部構造．(a)：TEM 像．(b)：電子線回折像．矢印：包埋剤内部に散見される微細な構造．

4.

まとめ及び今後の展開

開発した高コントラスト包埋剤を用いることにより，
SEM 観察において，グラファイト粒子を一般的な方法よりも詳細に観察できることが明らかとなった．一般的にグラファイトは数 nm～10nm の層が積層された構造をし

図 1．グラファイトの断面画像．(a)，(b)：自然乾燥法によるている．グラファイトの積層構造はリチウムイオン電池の負極材や固体潤滑剤として用いる際には性能や寿命を断面画像．(c)，(d)：エポキシ樹脂包埋した試料の断面画像．
矢印：FIB により形成したカーボンデポジション．(c)の白線

左右するパラメーターの一つである．開発した包埋剤はグラファイトの微細な層構造の内部まで含浸されてお内にグラファイトの塊が存在している．

図 2 は架橋法による結果である．架橋法では図 2(a)に示すようにペレット状の固化物が得られる．図 2(b)-(d)のり，一般的な方法よりも各層の形態や厚みの評価を詳細に実施できる．本研究では高コントラスト包埋剤の効果結果より，架橋法においても自然乾燥法と同様に軽元素のグラファイトの暗色と重元素を含む包埋剤の明色とのを検証するため，市販のグラファイト粉末を使用したが，本技術は他の軽元素を主成分とした材料の微構造評

間で大きなコントラスト差が得られ，観察像の視認性が向上し，微構造を詳細に確認できる．架橋法ではペレッ価への応用も期待できる．今後は窒化ホウ素をはじめとしたホウ化物，カーボンコーティング材等への展開，ト状の固化物が得られるため，自然乾燥法よりも大型の試料や広範囲の評価への適用が可能となる．

TEM を使った評価法への展開を視野に入れながら新たな材料評価法として普及を進めてゆく．
【参考文献】
1. D. Kaczmarek, Scanning, 19, 310–315 (2006).
2. E. Abe, Mater. Trans, 44, 2035–2041 (2003).
3. M. L. Watson, The Journal of Biophysical and Biochemical
Cytology, 4, 475–478 (1958).
4. R. Zuluaga, J.-L. Putaux, A. Restrepo, I. Mondragon, P. Gañán,
Cellulose, 14, 585–592 (2007).
5. T. Yahagi, Microscopy, (2023).
https://doi.org/10.1093/jmicro/dfad020【外部発表】口頭発表 1 件，論文等発表 1 件
図 2．架橋法によるグラファイトの断面画像．(a)：固化物の外観画像．(b)：固化物内に分散包埋されているグラファイト．(c)，(d)：グラファイトの拡大画像．

図 3 は自然乾燥法で得た包埋剤の TEM 像である．
図 3(a)

45

KISTEC研究報告2023

【川崎技術支援部】

ペロブスカイト太陽電池の n 型半導体電極に関するラジカル量・トラップ密度の測定と劣化の関係
戸邉

1.

緒言

智之、斎藤 英純、青木 大輔、瓦家正英（川崎技術支援部 太陽電池評価グループ）製）／エタノール＝2／7（固形分率：2.0%）

ペロブスカイト太陽電池(PSC)は、真空プロセスが不要
で溶液塗布・乾燥 による成膜で 20% を超える高い光電＜ペロブスカイト層用溶液＞
DMF : ジメチルホルムアミド（東京化成工業㈱）

変換効率が得られることから、次世代の太陽電池として注目されている。しかし、PSC のｎ型半導体層として使用さMAI : ヨウ化メチルアンモニウム（東京化成工業㈱）PbI2 : ヨウ化鉛（東京化成工業㈱）れる TiO2 には、固有の低い電子移動度と紫外線光によるトラップの生成という二つの特徴があり、電荷の蓄積、再DMSO : ジメチルスルオキサイド（東京化成工業㈱）2.2 製膜方法

結合損失に影響していることが考えられる。これらは、電流-電圧 (I-V 測定)におけるヒステリシスの発生の要因に①石英ガラス基板（25 ㎜×25 ㎜）をアセトン、イソプロなっている可能性がある。また、TiO2 には光触媒反応による有機物分解作用があることが知られており、有機物を含ピルアルコール、超純水で各 10 分間超音波洗浄し、エ
アブロー乾燥後 UV オゾン処理を 20 分間行なった。

む PSC が分解され、劣化の一要因になっていることが考えられる。

②緻密層用材料、多孔質層用材料をスピンコーティング
した。緻密層は、160℃60 分、500℃60 分の二水準、多ペロブスカイト太陽電池の構造を図１ に示す。プラナータイプでの電子輸送層には TiO2 と SnO2、メソポーラス

孔質層は 500℃60 分、900℃60 分の二水準で焼成した。
③ペロブスカイト層用材料をスピンコーティングし、タイプの多孔質層には TiO2 が使用されることから、石英
ガラス基板にそれぞれの TiO2 層と SnO2 を作製し、電子ス

100℃10 分間乾燥した。

2.3 評価方法

ピン共鳴法（ESR）を用いたラジカルトラップ法によりTiO2、SnO2 のラジカル量 を測定した。また、TiO2 層、SnO2【ラジカル量】の上にペロブスカイト層を作製し、ガラス基板側から光照射したときのペロブスカイト層結晶変化（劣化状態）を① ス ピ ン ト ラ ッ プ 剤 （ 5,5-dimethyl-1-pyrroline-N-oxide（DMPO））を脱イオン水に希釈する（30 倍希釈）。

XRD で測定し、ラジカル発生量との関連性を調べた。

②スピントラップ希釈溶液だけの容器と TiO2 と SnO2 を製膜した石英ガラス基板を浸漬した容器にソーラーシ
ミュレーター（キセノンランプ）１sun（100mW/cm2）を照射し、それぞれ３分間隔で 45 分間溶液採取する。
③採取した溶液を石英チューブに入れ、ESR 装置（日本電子製）により、各共鳴ピーク強度比から、各製膜試料の発生ラジカル量を比較した。
【ペロブスカイト層劣化状態】
ペロブスカイト層を作製した基板のペロブスカイト層
コントロール基板として、側の XRD 測定を行なった。

(a) プラナータイプ

TiO2 と SnO2 を製膜していない石英ガラス基板上にペロブスカイト層を作製し、同様の XRD 測定を行なっ(b) メソポーラスタイプ

図 1. ペロブスカイト太陽電池の構造た。いずれもソーラーシミュレーター（100mW／cm2）
照射を N2 雰囲気中 25℃で 15 分間行ない、X 線回折パ

2. 実験
2.1 緻密層、多孔質層用材料、ペロブスカイト層材料

ターンでの（110）面を示す 2θ=13.5～14.5°のピーク強度比で劣化状態を評価した。

＜緻密層用 TiO2 溶液＞ M4304（御国色素製）（10nm 粒子分散溶液（固形分率：2.0%））＜緻密層用 SnO2 溶液＞ SnO2 水分散溶液(Alfa Aeser【TiO2、SnO2 状態】
走査型電子顕微鏡（SEM）（日本エフイー・アイ製 Scios

44592 Tin(IV) oxide, 15% in H2O colloidal dispersion＜多孔質層用 TiO2 溶液＞ PST-30NRD（日揮触媒化成製）により、石英ガラス基板上に製膜した TiO2、SnO2の表面状態を観察した。

46

KISTEC研究報告2023

【川崎技術支援部】

3. 結果、考察
3.1 ラジカル量評価結果

た。TiO2 緻密層と多孔質層でのペロブスカイト層 XRD ピ

図２に TiO2 緻密層、SnO2 緻密層の光照射時間によるラーク強度を図６に示す。明らかに、多孔質層の方が劣化度が小さい。ラジカル発生量との関連性が見られないが、原

ジカル発生量変化を示す。TiO2 緻密層の方が SnO2 緻密層
よりもラジカル発生量が多いことが判った。また、TiO2 緻因の一つとして、多孔質層は緻密層より厚いことから光（紫外線）を多孔質層が吸収することで、その上部のペロ密層では 160℃焼成よりも 500℃焼成の方がラジカル発生
量が多くなった。これは、500℃焼成により、溶液中の非ブスカイト層の光劣化を抑制している可能性がある。

晶質成分が結晶化したことが原因と思われる。

図 4. 各 緻 密 層 上 の ペ ロ ブ ス カ イ ト 層
XRD ピーク強 度
図 2.

TiO2 緻密層、SnO2 緻密層の光照射時間によるラジカル発生量変化

図３に TiO2 緻密層と TiO2 多孔質層の光照射時間によるラジカル発生量変化を示す。同じ焼成温度（500℃）で緻
密層と多孔質層がほぼ同じラジカル発生量であった。これは多孔質層の膜厚が緻密層よりも大きいが、多孔質層の粒子サイズが緻密層より大きいため、全体の比表面積がほぼ同じになっているためと考えられる。また多孔質層の900℃焼成では、焼結により粒子サイズが大きくなったことで比表面積が小さくなり、ラジカル発生量が少なくなったと思われる。

図 5.

TiO 2 緻 密 層 上 、 TiO 2 多 孔 質 層 上
ペ ロ ブ ス カ イ ト 層 XRD ピ ー ク 強

度
4.

結言

ペロブスカイト太陽電池において、金属酸化物光半導体として常用される TiO2 、SnO2 の光照射によるラジカル発生量を評価し、デバイス劣化挙動との関連性を調べたが、明確な関連性は確認できなかった。ただし、TiO2 多孔質層のラジカル発生量は大きいにも関わらず、劣化が小さいことが判り、今後の高耐久性デバイス開発に役立つ情報が得
られた。
図 3.

TiO2 緻密層と TiO2 多孔質層の光照射時間【謝辞】本研究は、公益財団法人東京応化科学技術振興財
団の助成により行ないました。関係各位にお礼申し上げまによるラジカル発生量変化

3.2 ペロブスカイト層劣化状態評価結果す。

図５に各緻密層上のペロブスカイト層 XRD 評価結果を示す。ピーク強度変化が大きな資料ほど、ペロブスカイト
層の劣化度が大きいと考えられる。TiO2 緻密層（500℃焼成）と SnO2 緻密層（500℃焼成）で大きな差異は認められないが、TiO2 緻密層において、焼成温度が 160℃の方が劣化度が小さい。ESR によるラジカル発生量と相関があっ

47

KISTEC研究報告2023

【抄録】研究報告2023 目次

【抄録】

電子技術部
◆ Carbon clusters on substrate surface for graphene growth- theoretical and experimental approach◆ Crystal orientation of epitaxial oxide film on silicon substrate

化学技術部◆ Antibacterial effect on microscale rough surface formed by fine particle bombarding◆ Effects of the dipeptides comprising leucine and lysine on lifespan and age‐related stress in Caenorhabditis

elegans◆ 電解オゾン生成器における溶存オゾン濃度測定方法および共存アニオンによるオゾン生成への影響の検討◆ Synthesis of a gold-inserted iron disilicide and rutile titanium dioxide heterojunction photocatalyst via thevapor–liquid–solid method and its water-splitting reaction◆ Luminescent iron disilicide film growth by metal-organic chemical vapor deposition

川崎技術支援部◆ 光触媒とオゾン処理等を組み合わせた有機物分解と環境浄化への応用◆ A novel embedding composition for the evaluation of the internal structure of carbon materials using electron

microscopy Get access Arrow◆ Round-Robin Inter-Comparison of Maximum Power Measurement for Metastable Perovskite Solar Cells

48

KISTEC研究報告2023

【抄録】◆ Carbon clusters on substrate surface forgraphene growth- theoretical and experimental
approach
基板表面でのカーボンクラスターの振る舞い電子技術部電子材料ﾁｰﾑ
金子智
東北大学流体研究所
徳増崇
電子技術部電子材料ﾁｰﾑ
安井学
電子技術部電子材料ﾁｰﾑ
黒内正仁
化学技術部環境安全ﾁｰﾑ
田中聡美
化学技術部環境安全ﾁｰﾑ
加藤千尋
ジャパン・アドバンスト・ケミカルズ
安原重雄
東京工業大学総合理工松田晃史
東京工業大学総合理工吉本護
イスタンブール大学
CAN Musa
台湾成功大学
Sumanta Sahoo
台湾成功大
Kripasindhu Sardar
台湾成功大Jyh‐Ming Ting
台湾成功大
吉村昌弘

◆ Crystal orientation of epitaxial oxide film onsilicon substrate
シリコン基板上酸化膜のエピタキシャル膜の結晶方向
電子技術部電子材料ﾁｰﾑ
金子智
東北大学流体研究所
徳増崇
電子技術部電子材料ﾁｰﾑ
安井学
電子技術部電子材料ﾁｰﾑ
黒内正仁
ジャパン・アドバンスト・ケミカルズ
安原重雄
ジャパン・アドバンスト・ケミカルズ
遠藤民生
東京工業大学総合理工
東正樹
東京工業大学総合理工松田晃史
東京工業大学総合理工
吉本護
台湾成功大学
Sumanta Sahoo
台湾成功大
Kripasindhu Sardar
台湾成功大Jyh‐Ming Ting
台湾成功大
吉村昌弘
掲載誌：Applied Surface Science, Vol.586,
pp.152776-1-5 (2022)

掲載誌：Scientific Report, Vol.12, pp.158091-8 (2022)

シリコン基板上でのエピタキシャル膜の結晶成

グラフェン成長に適した基板選択のため、スー長について、分子動力学的考察による吸着エネル
ギーを用いた評価を行った。酸化物としては酸化パーセルを用いた分子動力学的考察を行った。基板としてシリコン、サファイア、酸化マグネシウム、マ グ ネ シ ウ ム (MgO) を シ リ コ ン (Si) 基 板 上 に 、MgO(001)//Si(001) で 配 置 し 、 面 内 に はチタン酸ストロンチウム(SrTiO)を候補とし、カーボンクラスターを基板表面に置いたスパーセルでMgO(100)//Si(100) と 面 内 で 45 度 回 転 さ せ た
MgO(100)//Si(110)との吸着エネルギーの比較をしの安定性を分子動力学により評価した。カーボン
クラスターは、炭素原子 1 個、六員環、7 六員環とた。その結果、MgO(100)//Si(100)という cubic on
cubic 成長が安定であることが分かった。更に実際した。その結果、SrTiO 基板上では各クラスターが安定して存在することが分かった。更にパルスレにレーザー蒸着法を用いて Mg の Si(001)基板上への成膜を行ったところ、X 線回折観察により、cubicーザー蒸着法による成膜を行い、実験的にも SrTiO
基板上での超平坦なグラフェンの成長に成功した。

on cubic 成長していることが確認された。

49

KISTEC研究報告2023

【抄録】◆ Antibacterial effect on microscale roughsurface formed by fine particle bombarding

小宮佑介
長竿淳
有原圭三

㈱サーフテクノロジー
西谷伴子
関西大学システム理工学部
増田恭介
三村爽馬
化学技術部バイオ技術グループ
廣川隆彦
評価センターグループ
石黒斉㈱サーフテクノロジー
熊谷正夫
関西大学システム理工学部
伊藤健

掲載誌：Food Science & Nutrition,
Vol.11,Issue6, pp.2776-2786 (2023)
In

this

study,

we

investigatedtheantioxidant/antiglycation activity of dipeptides and theirantiaging effects using Caenorhabditis elegans (C.
elegans). Food-derived dipeptide Leu–Lys (LK) and
Lys–Leu (KL) exert antioxidant and antiglycation
activity in vitro. Treatment with LK prolonged the mean
lifespan and maximum lifespan of C. elegans more thanthat of KL. Intracellular ROS and blue autofluorescencelevels (indicator of aging) were suppressed by LK.

掲載誌：AMB Express, Vol.12, No.9 (2022)◆電解オゾン生成器における溶存オゾン濃度測定方法および共存アニオンによるオゾン生成への影響の検討

微粒子投射処理（FPB）は通常、圧縮ガスを使用して微粒子を高速で金属表面に衝突させることによって金属表面を改質するために使用される。 粒化学技術部 環境安全グループ
岩本 卓治
新エネルギーグループ
祖父江 和治子の直径は数 µm から数十 µm の範囲で、 FPB は表面に微細な µm スケールの凹面と凸面を形成する。 FPB 処理された表面は食品業界で広く使用されているため、それらの細菌特性を考慮する必要がある。 特に、µm スケールの粗さによる表面積の増加は細菌の増殖に利点をもたらす可能性がある。

掲載紙：医療・環境オゾン研究, Vol.29,
No.4, pp.151-159(2022)

本研究では、FPB によって形成された µm スケールの粗い表面の抗菌特性を調べた。 ステンレス鋼の消毒用途に水道水を電解するオゾン水生成器が表面を FPB 処理し、ISO 22196：2007（JIS Z2801）に基づいて FPB 処理面の抗菌効果を評価した。 そ利用されている。水道水を電解した水溶液中の溶
存オゾン濃度は遊離塩素による妨害がない方法の結果、FPB 処理された表面が大腸菌および黄色ブドウ球菌に対して抗菌活性を持つことが示され（アシッドクロムバイオレット K（ACVK）法）
で測定する必要がある。また、水道水の電解でオた。

ゾン水を製造する場合、水道水中のアニオンによってオゾン生成が妨害される可能性も考えられ◆Effects of the dipeptides comprising leucine
and lysine on lifespan and age‐related stress inCaenorhabditis elegans

る。そこで本研究は水道水に含まれる Cl−、
SO42−、NO3−の Na 塩をそれぞれ添加した試料溶液を電解し、アニオンが溶存オゾン生成に及ぼす影響を検討した。その結果、NaCl 添加の場合は、添日本大学生物資源科学部
横山壱成
化学技術部バイオ技術グループ
瀬戸山央
北里大学獣医学部
莢雅棋
藤田菜々
和気明音

加量の増加に対してオゾンの生成が減少し、遊離塩素の生成が増加することがわかった。一方、
Na2SO4、NaNO3 では、添加量に関わらず、水道水を電解した時と同程度の溶存オゾン濃度であった。これらのことから特定のアニオンはオゾン生成を抑制する場合があることがわかった。

◆ Synthesis of a gold-inserted iron disilicide

50

KISTEC研究報告2023

【抄録】and rutile titanium dioxide heterojunction
photocatalyst via the vapor–liquid–solid method
and its water-splitting reaction

板倉賢
掲載誌：Japanese Journal of Applied Physics,
Vol. 62, pp. SI1002-1-5 (2023)

化学技術部新エネルギーグループ
秋山賢輔
野島咲子
○川崎技術支援部
伊藤裕子
牛山幹夫○ナノ材料グループ
奥田徹也〇山梨大学クリーンエネルギ研究センター
入江寛

Semiconducting iron disilicide (β-FeSi2) films were
epitaxially grown on the Ag-layer pre-coated Si(111)substrates with an initial β-FeSi2 layer by the metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) method.
These β-FeSi2 films had (101)-preferred orientations,and their crystal quality was improved as the growthtemperature increased from 893K to 1093K. The
photoluminescence (PL) intensity of the (101)-oriented
β-FeSi2 films grown at 973K was larger than those of βFeSi2 films at the other deposition temperatures, whichindicates the decrease of the density of nonradiative

掲載誌：ACS Omega, Vol. 43, pp. 3874438751 (2022)

recombination centers in β-FeSi2. A clear A-band
emission originated from β-FeSi2 was observed for thisA solid-state Z-scheme system is constructed whereby
rutile titania (TiO2) and beta-iron disilicide (β-FeSi)

film up to 285K. This pronounced PL intensity
enhancement from β-FeSi2 is attributed not only to thewere combined to act as oxygen (O2)- and hydrogen(H2)-evolution photocatalysts, respectively, connected

crystallinity evaluated by XRD measurement but also to
the decrease in density of thermal equilibrium Si

by gold (Au). β-FeSi island grains with diameters in the
0.5–2 μm range were formed on the surface of Au-coatedvacancy in β-FeSi2.

TiO2 powder by co-sputtering method. On the surface ofTiO2 powder, the Au-Si liquidus phase was obtained via◆光触媒とオゾン処理等を組み合わせた有機物分解と環境浄化への応用

a Au-Si eutectic reaction, which contributed to
selectively deposit and crystallize β-FeSi island grains

川崎技術支援部材料解析グループ
落合剛

onto Au. After the loading of the H2-evolution
cocatalysts, platinum and chromium oxide, onto β-FeSi,

掲載紙：会報光触媒, Vol.68, pp.55-64(2022)

the system obtained catalyzed the evolution of H2 and O2
in stoichiometric ratio from pure water under ultraviolet
light irradiation. The transfer of photoexcited electrons
in the conduction band (CB) of β-FeSi2 to Pt causes the

深刻化・多様化する環境汚染に、新型コロナ感

reduction of protons to H2, and the photogeneration ofholes in the valence band (VB) of TiO2 causes the

染拡大が加わって、光触媒の酸化分解力を応用した環境浄化への期待が高まっている。しかしながoxidation of water to O2. In addition, the photogenerated
holes in the VB of β-FeSi2 and the photoexcited

ら、光触媒は酸化力は強力だが、大量の物質を分解するのは原理的に困難である。しかも、反応はelectrons in the CB of pc-TiO2 combined with each otherin the Au layer, affording the completion of the overall

光が照射されている表面でしか進まない。したがって、光触媒を応用した各種製品を開発するにあphotocatalytic water-splitting.

たって、その性能を適切な方法で評価し、能力の限界を正確に把握しなければならない。求められ◆Luminescent iron disilicide film growth bymetal-organic chemical vapor deposition

る浄化能力が光触媒のみでは達成できない場合、他の技術との複合化が必要となってくる。分解対
象物や光触媒材料の特性などをふまえ、オゾン処理やプラズマ処理などとの複合化が研究されてい化学技術部新エネルギーグループ
秋山賢輔〇九州大学総合理工学院

るが、処理条件によって分解メカニズムや分解生成物が大きく変わることもあり、注意が必要であ51

KISTEC研究報告2023

【抄録】4 Research Association for Technology
Innovation of Organic Photovoltaics,る。本講演では、こうした光触媒とオゾン処理等を組み合わせた有機物分解と環境浄化への応用可能性について、いくつかの事例をもとに述べる。

掲載誌：ECS Journal of Solid State Science andTechnology, Volume 11, Number 5 (2022)◆ A novel embedding composition for theevaluation of the internal structure of carbon
materials using electron microscopy Get access
Arrow
Tsukaho Yahagi

Perovskite solar cells (PSCs) are expected to be one of
the next generation photovoltaics. However, reliablemeasurements of the power conversion efficiency (PCE)of PSCs are challenging as changes in the electrical

Kanagawa Institute of Industrial Science andTechnology (KISTEC)

properties occur during the conventional I–V curvemeasurements. In order to solve this problem, several
methods to maximize the accuracy have been developed,
but consistency between these methods has not been

掲載誌：Microscopy, dfad020,
https://doi.org/10.1093/jmicro/dfad020
Published: 11 March 2023

verified. In this paper, a round-robin inter-comparison of
the maximum power measurements for metastable
perovskite solar cells has been performed among threepublic laboratories in Japan using several methods. The

The image contrast obtained in electron microscopy
depends on the atomic number of the sample. Therefore,
obtaining a clear contrast is challenging when samples
composed of light elements (carbon materials andpolymers) are embedded in the resin. Herein, a newly
developed embedding composition exhibiting low
viscosity and high electron density is reported, which
can be solidified using physical or chemical methods.
When used for carbon materials, this embedding
composition allows clear microscopic observation withhigher contrast compared to conventional resin
embedding. Furthermore, details of the observation ofsamples such as graphite and carbon black using thisembedding composition are reported.

maximum powers determined by the three laboratories
using the conventional I–V curve measurement
technique defined in IEC 60904–1 were compared toeach other. The relative standard deviation of the
maximum power was 4.76%. The maximum power point
tracking (MPPT), steady-state (or stabilized) power
output (SPO) and dynamic I–V measurements were also
performed as the steady-state measurements of the
maximum power. An excellent consistency was found toexist between the maximum powers obtained by the
MPPT, SPO and dynamic I–V methods. The relative
standard deviation of Pmax determined by the MPPT

◆Round-Robin Inter-Comparison of Maximum
Power Measurement for Metastable Perovskite
Solar Cells

method at KISTEC and AIST was 1.25%.

Hidenori Saito1
Masahiro Yoshita2
Hiromi Tobita3
Daisuke Aoki1
Tomoyuki Tobe1
Haruya Shimura2
Shinichi Magaino4
1 Kanagawa Institute of Industrial Scienceand Technology (KISTEC)
2 Renewable Energy Research Center(RENRC), National Institute ofAdvanced Industrial Science andTechnology (AIST)
3 Japan Electrical Safety & Environmental
Technology Laboratories (JET),

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KISTEC研究報告2023