２次元物質を利用した
高速・液相ナノコーティング

名古屋大学未来材料・システム研究所教授

長田実

2022年2月25日

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概要• グラフェン，酸化物ナノシートなどの２次元物質（ナノシート）は，高速電子伝導，高誘電性，触媒活性などの優れた機能を発現し，機能性薄膜への応用が進められています．
• 我々は，安価で簡便な室温・水溶液プロセスにより２次元物質をコーティングし，高品位薄膜を製造する技術を開発しました．

2２次元物質（ナノシート）
無機ナノシート

グラフェン(Ti1-δO2)
厚さ~1 nm(数原子)横サイズ 数10μm“炭素の単原子シート”(A0用紙のアスペクト比)

単結晶原子膜

コロイド水溶液

薄膜・コーティング応用

10 μm

バルクと異なる優れた機能，簡便な液相プロセスでコーティング
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従来技術とその問題点■ ２次元材料：高い電子移動度, 柔軟性, 透明性, 高耐熱性など, バルクと異なる優れた機能■ 優れた機能をフルに引き出し, 新たなデバイスを実現：高品質ナノシート膜の大面積製膜
単層膜多層膜AB

ナノシート稠密配列

２次元超薄膜の微小デバイス
３次元集積 (マルチマテリアル化)

A

ヘテロ膜超格子A

転写プロセス● 高品質デバイス❌ 大量生産・大面積化

B

液相プロセス● 簡便, 低コスト, 省エネ製造❌ 膜構造の精密制御

LB法 (Langmuir-Blodgett)

酸化チタン10層膜

コロイド水溶液（酸化物系）

スピンコート法
グラフェン転写
サムソンG

10 nm

高品質・大面積薄膜の製造：二次元材料の産業化のボトルネック

4シーズ技術ナノシートの簡便製膜法「単一液滴集積法」

コロイド水溶液
基板に１滴滴下・吸引

ピペット
溶液滴下
溶液吸引

コロイド水溶液

コロイド純水100倍希釈
エタノール添加基板
製膜完了“溶液１滴, 30秒”で稠密配列単層膜を実現
Ti1-δ
O22
1-δO
Ti

Ca2Nb3O10

Y. Shi, M. Osada et al., ACS Nano, 14, 15216 (2020); 特願2020-155092

RuO2Graphene oxide

5単一液滴集積法のメカニズム＜自己組織化が有効に働く仕組み＞

希薄コロイド水溶液
原液

ナノシート

100倍希釈0秒 (溶液滴下)

Marangoni対流
剥離剤TBA・溶液濃度：0.01~0.05 mg/ml

基板加熱

・1~5%のエタノール添加(100℃)

基板加熱が誘起

毛細管流動
溶媒蒸発が誘起・界面活性剤 (剥離剤: 4級アンモニウム)→ 溶媒の蒸発,対流を促進
15秒 (溶液吸引)→ 粒子凝集抑制, 表面吸着

ナノシート表面吸着
ピン留め

溶液滴下
溶液吸引

30秒後 (製膜完了)

ナノシート稠密配列膜

トランプのように端からパッキング

製膜完了

6本技術の特徴
単一液滴集積法

ナノシート稠密配列膜

機能性コーティング応用

様々なナノシートに適用可能

多層膜，超格子膜の精密集積

溶液滴下・吸引

コロイド溶液・短時間(30秒)，簡便，安価な液相プロセスで稠密配列膜を実現
・様々な物質系，大面積化・積層化の適用可能
ナノシートの工業的な薄膜作製法として注目Y. Shi, M. Osada et al., ACS Nano, 14, 15216 (2020); 特願2020-155092

7酸化チタン多層膜の作製
多層ナノ薄膜の作製 (1~20層)

従来法で困難な厚膜の作製 (10~100層)
20L

40L

60L

80L

100L

060

050040030

Intensity (arb. units)

010020

10L20 L
15 L
10 L

高屈折率 (n > 3)：玉虫色

8L
6L
4L

52L
1L

550

2e (degree CuK_)

高い積層秩序に基づく高次回折線

70

360
50

240

32
10020 40 60 80 100
n (Number of layers)

30

1EpoxyExperimental

3.920Bandgap energy (eV)40Intensity

30

Absorption

2049080

10ナノ〜メソの橋渡し

1004243.8
3.7
3.6
3.5

Calc. (size effect)

1010 L

020015 L

SiTiO3:Nb

300
400500
Wavelength (nm)

・室温製膜
10 nm

膜構造を精密に制御した多層膜

600

3.4
110n (Number of layers)

100：ナノシートが孤立・積層した薄膜

・400℃加熱：c軸配向アナターゼ膜

高品位チタニアコーティングを実現
8応用展開想定される用途

素材

プロセス

デバイス・応用

無機ナノシート

単一液滴集積法

機能性ナノ薄膜

ナノシートコロイド水溶液

原子膜スマートラボ

セラミックスナノシート技術（コーティング用インク）(職人技・経験知を排除した製造)(低温でセラミックス膜を製造)

Ti1-δO2

Ca2Nb3O10

RuO2GO

セラミックスコーティング技術

セラミックス電子部品

・低環境負荷製造（原料・製造エネルギーを大幅削減）

・絶縁膜・耐熱基板, 放熱基板, 容量膜…

・金属・プラスチック基材へのセラミックス膜の接合, 複合化・高周波用積層基板，高周波モジュールなど(市場規模)
約7000億円 (年成長率10%)
世界シェア40%(市場規模)
約３兆円
世界シェア50~60%9セラミックスコーティング技術＜ナノシート技術の位置づけ＞

明渡 純「先進コーティング」テクノロージロードマップ2016-202510ナノシートコーティング技術
構造を1nm単位で制御

安価で簡便な室温・水溶液プロセス

10 nm

絶縁膜

半導体膜

Ca2Nb3O10

Ti1-δO2

磁性膜

Ti0.8Co0.2O2

導電膜

RuO2

抵抗率：10-4 Ωcm (ITOに匹敵)
透過率：>98%

耐電圧：> 4MV/cm
誘電率：εr > 200
耐熱性：>800℃

10L

100L

絶縁膜, 高耐電圧基板

光触媒膜, 光学フィルタ（高屈折率 n > 3）

容量膜（誘電体多層膜）

腐食防止/ガスバリア膜

Ti1-δO2

電磁場シールド膜

透明導電膜

フォトクロミック膜

Cs4W11O36

UV

アルミ箔
キャパシタ応用ACS Nano, 14, 15216 (2020); Nano Lett. 21, 7044 (2021)

スマートウィンドウ, 遮熱フィルム

11企業への期待• セラミックスコーティング，２次元材料に関心のある企業との共同研究を希望．
• 金属・プラスチック基材へのセラミックス膜の接合, 複合化技術を開発中の企業，２次元材料分野への展開を考えている企業には，本技術の導入が有効と思われる．
• 本技術のナノシートコーティングでは，部材表面への耐摩耗性,耐食性, 耐熱性に加え，ナノシートの有する優れた電気的，光学的機能など付与が可能．さらに，低コスト・低環境負荷の室温水溶液プロセスで実現可能．

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：ナノシートの稠密単層膜から成る薄膜の製造方法，及び，その薄膜の用途• 出願番号：特願2021-166185• 出願人：国立大学法人東海国立大学機構• 発明者：長田 実，施 越，小林 亮，山本瑛祐他，各種機能に関する特許多数保有（40件）

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問い合わせ先

国立大学法人東海国立大学機構
名古屋大学学術研究・産学官連携推進本部
TEL ：052-788-6150
FAX ：052-747-6796
Email：sangaku@aip.nagoya-u.ac.jp
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