生産と技術

第59巻第４号（2007）

チタンとシリコンにかける思い−ある素材メーカーの地道な取り組み−
小 笠 原 忠 司＊

企業リポート

Dedicating our passion for Titanium & Silicon−Endeavor by the one material maker−
Key Words：Titanium, Silicon, Production, Method, Material

輸出に成功し日本のチタンの歴史が始まった．また１．はじめにチタン製造時に副産物として生成する四塩化珪素を最近あちこちの金属材料の盗難騒ぎが新聞紙上を原料として1957年に多結晶シリコンの研究開発を開賑わせているが，鉄鋼等金属材料や各種素材の需要始し，1960年には多結晶シリコンの製造を開始した．

が旺盛である．一方，特に非鉄金属（AlやMgなど）1961年には単結晶の製造も開始した．またNEDOので顕著であるが，製錬業が日本から姿を消している．

助成を受けて電磁鋳造法による太陽電池用のインゴ

このような中で当社はチタンと高純度シリコンを製ット，及びウェハー製造にも成功した．1998年シリ造しているが，いずれ同じような道を辿る可能性もコンウエハー事業は住友金属工業に合併され（これある．そこで本レポートでは小規模ながら残されたは後にSUMCOとなっていく），現在の住友チタニ

非鉄製錬業を営むものとしてどのようなことと思いウム株式会社はチタン部門と多結晶部門を中心としつつ日々奮闘しているのかを伝えてみたい．

た会社となっている．そして2007年10月から社名を株式会社大阪チタニウムテクノロジーズ（OSAKATitanium technologies Co.,Ltd.．略称：OTC）に変

２．当社の沿革更の予定である．
住友チタニウム株式会社では，20世紀になって姿
３．チタンについて１）を現した，軽くて強く，しかも錆びない夢の金属チ
タンと産業の米と呼ばれている半導体用シリコンを製造している．この両先端材料を同じ社内で手がけチタンはイギリスで1791年，ドイツで1795年に独ているのは世界で当社のみである．その足跡を振り自に発見され「チタン」と命名された 若い 元素

返ってみると，当社のルーツは1937年設立された大である．チタンは資源に恵まれ，地殻を構成する元阪特殊製鉄所で，電気炉銑の廃棄物であるチタン酸素としては９番目，実用金属としてはアルミニウム，化物が富化したスラグを頼りにスポンジチタンの製鉄，マグネシウムに次ぐ埋蔵量（約0.6%）である．

造技術開発に着手したのが1951年，翌1952年，大阪

鉱石は，イルメナイト（またはチタン鉄鉱）や金紅チタニウム製造株式会社と社名を変更し日本初のチ石（またはルチル）などとして存在しており，主な

タン試験工場を建設した．その年米国向けに１tの採掘は，オーストラリア大陸やスカンディナヴィア半島，北アメリカ大陸などで，国別ではオーストラリア，カナダ，南アフリカ共和国，インドなどが多＊Tadashi OGASAWARA

い．以前月面の岩石から12.1%のTiO２が検出され話

1951年４月生
名古屋工業大学工学部工業化学科課程修了（1975年）
現在，住友チタニウム株式会社，開発部，技術顧問，技術士，化学工学，電気化学
TEL：06-6413-4309
FAX：06-6413-4361
E-mail：togasawara@sumitomo-ti.co.jp題となった．
３．１ チタンの特性と主な用途
３．１．１ チタンの特性
１）軽いこと1

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比重4.5で銅やニッケルの約半分，鋼の約６割である．
２）強い
純チタンの比強度はアルミの３倍，鋼を上回り，

表１．世界のスポンジメーカーの生産能力２）３）

チタン合金では特殊鋼以上である．
３）さびない
耐食性はステンレス鋼を上回り，３．３ スポンジチタンの製造方法４）

対海水性は白金並である．
４）その他

３．３．１ 製造概要

耐熱特性，人体適合性，弾性特性，一般消費者の手にTiが渡るまでには， 鉱石→製意匠性（表面酸化着色）などもある．

錬（スポンジチタン）→溶解（インゴット）→加工（板やパイプ）→製品 といった工程を経る．少量

３．１．２ 主な用途

ではあるがインゴットを経由せずにスポンジチタン

多くは各特性が組み合わされて使用されている．

を粉末化しそれを成形後焼結して製品とする場合も従来からのジェットエンジンをはじめとする航空・ある．

宇宙分野材料，建材，化学プラントや発電所用熱交

当社では鉱石の製錬から溶解までの工程を担当

換器，海洋関係材料が多かったが，最近では半導体，し，鉱石から金属を抽出する一番川上を受け持って医療機器，人工歯根，人工関節／人工骨，腕時計，いる．主要な製造方法は四塩化チタンをマグネシウ

眼鏡，スポーツレジャー用品，自転車，車椅子，バ

ムで還元するKroll法，ナトリウムで還元する

イクマフラー，絵画さらに形状記憶合金の材料など

Hunter法，溶融塩中のサブクロライド（TiClx）を民生品にもかなりの量が使われ始めている．

電解還元する電解法があるが現在はほぼ全てKroll法で製造が行われている．

３．２ スポンジチタンの出荷量と世界のスポンジメーカーの生産能力

３．３．２ 当社の製造方法
当社の製造方法もKroll法である．以下に工程フ

以下に日本のスポンジチタン出荷量と世界のスポローを示す．

ンジメーカーの生産能力を示す．世界のチタン需要

チタンの製造工程は大別して，下記の５工程に区は，一般産業用や民生用需要が着実に拡大している中で，民間航空機向け需要の大幅な増大（受注機数の増大だけでなく燃費向上を目的とした１機当たりチタン使用量の大幅増大）に伴い急速に拡大している．このような状況のもと，国内外のスポンジメーカーは，能力増強計画を相次いで発表している．

図２．チタン製造工程４）分される．
１）塩化・蒸留工程（純四塩化チタンの製造）
２）還元・真空分離工程（スポンジチタンの精製）
３）電解工程（塩化マグネシウムの電気分解）
４）破砕・整粒・梱包工程（スポンジチタンの破砕および梱包）
５）溶解工程（チタンインゴットの製造）

図１．日本のスポンジチタン出荷量2

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最近の チタンブーム？ により世界中でチタン製錬を始めようとする動きがあるが，彼らがうまくいかないのは「還元のみでTiが手に入る！」のではないことを理解していないことがその理由の一つである．塩化，電解，還元，分離等々個々の技術それぞれが完成し，それらがうまく組み合わされ最適化されることにより全体として一つのプロセスとして完成しているのである．
１）塩化・蒸留工程（純四塩化チタンの製造）耐火物炉内で天然ルチル，合成ルチルおよびチタンスラグ等の酸化チタン原料と還元剤のカーボンで流動層を形成し，約1000℃で塩素化する．チタンと図３．スポンジチタン

同時に不純物元素も塩素化されるので生成ガスに同伴された未反応原料や高沸点塩化物を粗取りし，四し，しかも電解槽あたりの生産量は当時の小さな電塩化チタンガスを液体四塩化チタンで凝縮液化させ解槽に比べると６倍，今では15倍にも達している．

る．次に四塩化チタンは沸点が136℃なので沸点がその技術はマグネシウム生産用に輸出されていた近傍の不純物に注意しながら蒸留する．塩素化流動が，今は中国の熱還元製造法に押されている．しか炉の生産性は世界でトップクラスであり，蒸留によし，将来的には再度活用されるのではないかと思っる四塩化チタンの品質は５Nを越えている．ている．

２）還元・真空分離工程（スポンジチタンの精製）

４）破砕・整粒・梱包工程（スポンジチタンの破砕および梱包）

ステンレス製容器内で純四塩化チタンを900℃に加熱した金属マグネシウムで還元し，スポンジチタ

還元分離が終了したスポンジチタンは，押切型のンを得る．副生成物の塩化マグネシウムは，還元反破砕設備によって大割された後，切断機，クラッシ応中に圧力を加えて定期的に抜き取る．還元反応終ャーにより，小割する．小割されたスポンジチタン

了後のスポンジチタン塊に含まれる塩化マグネシウ

は（図４.），部位によって微量成分が異なるためブムと未反応マグネシウムは真空雰囲気の中で高温でレンダーによって混ぜ合わせて品質を均一化し，ス蒸発除去（真空分離工程）されスポンジチタンとしプリッターでドラム缶に均等分配する．要求されるて取り出すことが可能となる（図３.）．この還元と粒度と品質に調整されたスポンジチタン（図４.）

真空分離は以前は別々に行われていたが，当時の通は，品質検査の後，出荷される．

産省の補助金を得て両方を組み合わせる「還元分離一体化」法を完成させ，高い生産性で製造に寄与している．
３）電解工程（塩化マグネシウムの電気分解）
還元反応中に抜き取られた塩化マグネシウムは，電気分解により塩素とマグネシウムに分解され，塩素は塩化工程へ，マグネシウムは還元工程へそれぞれ送られ再利用される．この電解槽は従来の単極を使用した電解槽ではなく複極を使用しており，1978
年当社で開発を始め，カナダのALCAN社も加わり，
図４．スポンジチタン（整粒後）1980年から実用化された．電力原単位が大幅に向上
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５）溶解工程（チタンインゴットの製造）を直接入手できるようにと日夜研究されている．

チタンを溶解する方法は，当社では消耗電極式ア我々もJTS（日本チタン協会）法として経済産業省

ーク溶解法を採用している．まずスポンジチタンとの補助金を得て開発を進めている．

チタンスクラップを原料とし，プレス機によっていくつかのコンパクトを成型し，これらをプラズマア

４．シリコンについてーク溶接によって接合し，消耗電極を作成する．チタンは酸素，窒素，炭素などと容易に反応するため，４．１ 高純度シリコンの特性と主な用途

溶解は真空または不活性な雰囲気とし，るつぼ（鋳シリコンは酸素に次いで地殻中に豊富にある元素型）は水冷銅を使用する．この電極をアーク溶解しで，推定では地殻を構成する元素中の約28％を占め一次インゴットとする．次に一次インゴットを，均ると言われている．

質化のために再度電極として溶解する．この二次イ

高純度シリコンの用途は１１N（イレブン・ナイ

ンゴットを検査終了後に出荷する．

ン純度99.999999999%）は半導体材料，純度６〜７Nのものは太陽電池素材などに使用されるが，当社

３．３．３ 現方法の課題と新しい方法への試み

では半導体材料用高純度シリコンを製造している．

１）現製造方法の課題

金属シリコンを半導体材料として利用するために現在の製造法はKrollの提案以来50年以上経過しは，不純物を取り除き，その純度を高める必要があているがこれに代わる方法は未だ現れていない．そる．一般的には純度98%程度の金属シリコンを塩化ればかりか製造方法は全てKroll法になってしまっ水素と反応させ，液体の三塩化シランを作り，これたと言っても良い．しかし，この方法は図５に示すを蒸留により高純度（11N）に精製した後，水素でように還元分離工程の生産性が低い．この工程はバ還元して多結晶シリコンを製造する方法だが，当社ッチによる生産のため生産量の限定，ハンドリング

では塩化水素ではなく四塩化珪素と水素を使用するの多さ等問題を抱えている．バッチ法から連続法に独自開発した方法を採用している．

代えることができればいいのだが高品質のチタンを製造するための 真空分離 を連続化することがで４．２ 高純度シリコンの需要とシェアきていない．

以下に半導体用シリコンの多結晶，単結晶シリコンの生産量とウエハーメーカーのシェアを示す．
４．３ 高純度シリコンの製造方法

図５．主要設備の生産性の推移
図６．日本の高純度シリコンの生産・多結晶生産量と単結晶生産量５）２）新製錬法への試み
上記の問題の克服を目指して今までいくつもの方法が提案されたがうまくいかなかった．しかし，最４．３．１ 製造概要

近チタンの需要拡大の要求を受けて二十数種類の方海外メーカーで肥料製造副産物を使用してモノシ法が提案されている．それらはもちろん連続化を狙

ランを製造している以外はほぼ工業用金属シリコンったものでありインゴットまであるいは粉末チタンからモノシランあるいは三塩化シランを製造し，高4

生産と技術第59巻第４号（2007）の三塩化シランとする．
２）三塩化シランの製造工程【蒸留工程】
生成した三塩化シラン中には，四塩化珪素のほか，他の元素の塩化物や有機物などの不純物が少量含まれているので，蒸留工程において数百段もの蒸留塔を通して精度の高い蒸留を何回も繰り返し，高純度

表２．シリコンウエーハメーカーの会社規模５）（イレブンナイン）の三塩化シランに精製する．

純度化した後還元し高純度シリコンを得ている．
３）多結晶シリコンの製造工程【還元工程】
金属反応炉（還元炉）内に設置された10mm弱程

４．３．２ 当社の方法
当社の高純度シリコンの製造方法は当初四塩化珪度の何本もの細いシリコン芯（シード）を通電加熱

素の還元から始まったが，三塩化シランの水素還元（約1,000℃以上）しておき，精製された高純度三塩法で1960年わが国で初めてシリコンの工業生産を開化シランの蒸気と水素を混合したガスを流すと，シ始した．多結晶シリコンの製造工程は大別して次のリコン芯の表面にシリコンが析出し，太い棒状に生４工程に区分される．

成された高品位の多結晶シリコンが得られる．これが純度イレブンナインの高純度多結晶シリコンで，同時に副生する四塩化珪素や水素ガスは回収，再利用される．
４）仕上げ【加工・製品工程】
還元工程で製造された多結晶シリコンはダイヤモ
ンドカッター等で用途に応じた形に加工し，混酸によるエッチング（多結晶シリコン表面を溶かす）と純水による洗浄を行い，外観検査の後，梱包出荷する．

図７．多結晶製造工程４）

１）転化工程（三塩化シランの製造）
２）蒸留工程（三塩化シランの精製）
３）還元工程（多結晶シリコンの製造）
４）加工・製品工程（多結晶シリコンの破砕，洗浄）※多結晶シリコンの還元工程で副生される四塩化珪素や水素は，回収工程で回収し，再利用される．

図８．製品多結晶シリコン

４．３．３ 現方法の課題と新しい方法への試み

１）三塩化シランの製造工程【転化工程】
三塩化シランは，多結晶シリコンの製造工程で生シリコン単結晶の引き上げ速度（大雑把に単結晶成される中間物で，金属シリコン，水素，四塩化珪の生産速度とみなせば）と多結晶の析出速度には素を高温（約500℃）で反応させると，ガス状の三1000倍の開きがあり，多結晶の方が遅い．しかし高塩化シランが得られる．これをさらに冷却して液体純度の点から考えると直ぐ他の方法に取って代わる
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生産と技術第59巻第４号（2007）

３）さらに人体にも優しい材料ことはなかなか難しいと思われる．但し，純度をそれほど言わない太陽電池用シリコンの場合急速に需

チタンは生体親和性に優れているので人工骨等に要が伸びていることもあり，新しい溶融析出法ととも使用されている．当社では球状粉末チタンをポーもに古く提案された亜鉛還元法なども再度提案されラス状に焼結した タイポラス（商品名） を製造ている．

しており，溶製チタンだけでなくこの分野にも寄与していきたい．

５．我々のチタン・シリコンにかける思い
５．４．３ シリコンも省エネルギーと環境
当社のシリコンは全て半導体用に使用されてい５．４．１ チタンを広く知らせたい
チタンの持っている優れた特性を広く世の中で役る．半導体を利用した方面で省エネルギー・環境対立てたいという気持ちとは裏腹に，今チタン業界が策が急速に進み，身近な例でいえば照明分野等でもマーケットから突きつけられていることは 必要な省電力化がなされてきている．ますます進んでいく

ときに必要な量を低価格で という要求である．当ことを期待したい．また当社ではこの一部のシリコ社でも来年生産量を倍増するがそれでも追いつくこンを原料とし一酸化珪素（SiO）を製造している．とができないほどである．我々はその設備の垂直立

これはプラスチックフィルムに蒸着され酸素やガスち上げと前記の連続製錬法の一刻も早い完成を目指

バリア機能を発揮し包装用に使用され薬品や食品等す．の品質保持に役立っているが，将来有機ELのバリア材への用途も期待されている．さらにLiイオンの５．４．２ チタンを省エネルギー・環境対策・保持量が多いという特長も持っているので電池等の健康福祉のキーワードとして分野にも期待されている．

１）自らのチタン製造工程での省エネルギー化
一般的にチタン製造は電力多消費産業と言われて６．素材メーカーとして我々の目指すこときたが，最も電力を消費していた塩化マグネシウムの電解に要する直流電力量を電解槽の抜本的改造により1970年代に比べて1985年以降は約半減させるこ

我々は一つの危惧も持っている．この何年かの間とができた．これからもたゆまぬ努力でエネルギーに日本からアルミニウムやマグネシウムの製錬が消削減に努力していきたい．

えた．このことは日本から技術も無くなっている（＝技術者もいなくなっている）ということでもあ

２）チタンが使用されることでの省エネルギーと環る．この先永久に輸入に頼ることになる．表面的に境は全く気付かないが，足元で取り返しのつかないことが進んでいるような気がする．

化石燃料を使用する自動車，飛行機等の一部にチタンが使用されれば軽量化が図られ化石燃料の使用チタンの世界でも同じようになりそうである．あ量も削減できる．また，チタンを化学工業用に使用る報告では（実際上は不明だが）中国ではスポンジし，SUSに代用すると耐食性により装置寿命が延長

チタンの製造能力が2006年に18ktだったが，2007年

さ れ ， GER（ Gross Energy Requirement），の終わりには56kt，2010年までには126ktという話GWP(Global Warming Potential)の減少に結びつくもある（実際の製造量はここまではならないとは思

６）

うが）．日本の計画量の倍である．との報告 もある．
また金属チタンではないが，中間原料の四塩化チタ

しかし，反面チタンがこのようにもてはやされるンを使用して紫外光及び可視光応答型光触媒酸化チようになったことも大きな目で見れば素晴らしいこタンも製造している．ノーメンテナンスでかつ光のとであろう．我々はチタンが広く世の中に適用されエネルギーだけで空気や汚れの浄化を行うことがでることを願いつつ，またそうなればなるほど人類にきる．

とって良い方向に進むことを確信している．そしてなんとか日本の地で発展させたいとも思っている．

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生産と技術７．参考文献第59巻第４号（2007）

http://www.sumitomo-ti.co.jp/

１）市橋弘行：２大先端材料の発信基地として,軽５）経済産業省非鉄金属課；2006/6 非鉄金属産業

金属,54（2004.6）264

戦略より 3．チタン産業戦略 7．半導体材料

２）Bloomberg社ニュース2007/06/27：第11回チタ

産業戦略シリコン産業の現状と課題：

ン国際会議で中国の西北有色金属研究所周廉・

http://www.meti.go.jp/policy/nonferrous̲metal/
６）T.E.Norgate, VRajakumar, S Trang ,"Titanium

研究員の講演より
３）MDB China Market Research;http://www2.mdb-and Other Light Metals-Technology Pathways

net.com/chinainfo2/databank/material/001.html

to Sustainable Development Green Processingより

2004 Proceedings",p.105 Frmantle WA.10-12
May 2004

４）住友チタニウム株式会社ホームページ；

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