１万Ωcmから１０が１０個前後並んだ領域までの体積固有抵抗を持つ材料を半導体という。下限を１０００とか１０万Ωcmとしている教科書もある。上限も１２個程度１０が並んだ領域まで半導体領域とする教科書もある。半導体とは、適当に電気を流してくれる材料なので、その物性も適当に扱われているように見える。
しかし、実用化するときには、厳密なスペックの中に物性をおさめなければならない。これが難しい。例えば、導電体であるカーボンや金属粉を絶縁体である高分子に分散して抵抗を調整しようとすると偏差が４桁以上ばらつく場合も出てくる。
パーコレーション転移が起きるためである。たまたま実験室で安定にできても安心できない。確実にパーコレーション転移を制御できる材料設計を行わない限り、自然現象に任せていてはロバストの高い商品はできない。
絶縁体に導体を分散して半導体領域の材料を設計する場合以外に、金属酸化物半導体もその抵抗は大きくばらつく。難黒鉛化カーボンもロットにより２桁程度抵抗偏差が生じる。半導体領域の材料は、うまく設計しない限り２桁以上は抵抗がばらつく、という常識を持っていた方が良い。たまたま測定値が安定な材料が得られたときに、その原因や理由が明らかになっていなければ安心してはいけない。
コニカへ転職して間もないときに帯電防止材料の新規アイデアを相談してきた人がおり、アイデアを話したところ、その後なしのつぶて。たまたま相談者と廊下で出会ったときに、進捗を聞いたところ、「うまく進捗しているからほっといてくれ」という意味に近いことを言われたので、ばらつきの制御だけは注意するようにアドバイスしたが、その１年後帯電防止層の品質問題が起きて、仕事が自分のところへ回ってきた。量産が始まったところで導電性が２桁程度ばらつき、問題だ、とのこと。帯電防止層の処方を見たら、ただ材料を２種類混ぜているだけで材料設計されていない処方であった。技術を甘くみてはいけない。
実は材料物性において、導電性はその偏差の大小が材料および設計方法により大きく異なる。力学物性よりも測定値の偏差は小さいと思っているととんでもない失敗をする。導体である銅でも純度が管理されなければ１桁程度ばらつく。半導体領域になるとそのばらつきが目立つようになるだけと考えると気楽だが、商品の中には１桁以内に偏差を抑えることが要求される場合もあるので高度な技術が必要になってくる。
この材料設計では、複合材料で半導体を製造する場合と単一組成で半導体を製造する場合とでは戦略が異なる。ただし、プロセスの負荷が小さくなるように設計する方針で考える、あるいは、プロセスの負荷が大きくなる場合には既存のプロセスに改良を加え生産の安定化設計を行うなど、共通する部分もある。大切なことは、半導体領域の材料設計が、絶縁体や導電体よりも安定した物性を造り込むことが難しい点を認識することである。
カテゴリー : 電気/電子材料 高分子
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思考実験はニュートンにより始められた、と言われていますが、案外遠い昔から無意識に行われていた方法かもしれません。それをニュートンは無意識ではなく意識的に行い、それを発明のために良い方法だと気がついたマッハは、弟子のアインシュタインに教えたのでしょう。
祖先が無意識にやっていた経験に基づく問題解決を、科学の時代には科学的方法論でまとめ上げ、それを教育というシステムの中で伝承するようになり、本来人間に備わっていた勘や心眼による方法が軽視されるようになりました。
しかし、山中博士のノーベル賞を受賞した研究から、勘や心眼が持っている問題解決力のポテンシャルを改めて見直しても良いのではないでしょうか。幸いなことに勘や心眼は日常の生活の中で鍛えることができます。さらに、本書で紹介しました問題解決法は、勘や心眼を鍛える道具として使えます。
従来の問題解決法が役に立たない、と否定しているのではありません。そもそも問題を解くとは、答がある問題について答を実現するアクションを考えることなのです。問題そのものを科学的に分析して答を導き出すという行為は、科学者が答を見出すために行う一つのプロセスなのです。従来は問題を解く意味と答を見出すプロセスをごちゃまぜにしていただけです。答を見出すのに、科学的プロセスも使えますが、科学の無い時代のように勘や心眼、さらに経験までも使うことができるはずです。
＜明日へ続く＞
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カラスは、自動車を使い殻を割りクルミの実を食べるという方法を発見して動作として身に着けたのだろうと思います。他のカラスは、仲間がやっている方法を見て真似をすることでそれが広がっていったのではないでしょうか。
ここで重要なのは、クルミの硬い殻が自動車に轢かれて割れて中から食べられるおいしい実が出てくるのを最初に発見したカラスは、誰なのかということです。すなわち、彼こそがクルミの実という答を発見し、その答を導き出すアクション、すなわち車に轢かせて硬い殻を割るという方法を考案したカラスの世界のノーベリストです。
カラス如きに考案という熟語がふさわしく無いとするならば、この答とそれに直接結び付くアクションがワンセットであることを木の上から偶然見て、その同じ光景を仲間に見せることでその方法を伝承していったのです。すなわち彼は、硬いクルミの実を食べるにはどのようにしたら良いかという問題を偶然の発見により解くことができ、経験を積み重ねながら仲間たちに伝承していったのです。
科学の無い時代における技術の伝承も、おそらく人類はカラスと同じことをやっていたのではないかと想像できます。ただ、人類がカラスと大きく異なるのは想像力という万能シミュレーターを持っていたことです。
硬いクルミが像に踏まれることにより割れるのを見た人類は、像の代わりに自分で踏んでみることを試みたのかもしれません。そして自分の代わりに道具で硬いクルミの殻を割る方法を発明したのではないかと思います。
あるいは「像」に踏まれて硬いクルミの殻が割れるという発見から、「重いもの」に踏まれて硬いクルミの殻が割れるとか、「重い石」でクルミの殻が割れるとか、つぶやきながら頭の中でクルミの殻が割れるシミュレーションを行い、像によるアクションから石という道具の発見があったのかもしれません。
＜明日へ続く＞
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なお、本技術が開発された時には、ゾルでミセルを作ることができること、あるいはゾルの粒子に高分子が吸着するとミセルのように挙動することなどわかっていませんでした。脆いゼラチンをライバルの技術よりも優れた技術で割れにくくすることはできましたが、そのメカニズムの科学的な解明はできていません。
しかし、電子顕微鏡写真には、シリカゾルやラテックス粒子が全く凝集構造を作らないで分散している状態が映し出されていました。世界で初めての科学的成果は得られましたが、そのメカニズムの科学的解析ができましたのは、２０００年に発表された論文のおかげです。
技術の世界には科学で解明されていなくとも、「あるべき姿」を具体化できれば実現できるＫＫＤという不思議な力があります。第四章の問題解決法は科学的ではありませんが、ここで紹介しました事例のように発想力を引出し、眠っているＫＫＤを呼び起こす作用があります。
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かつてテレビや電化製品の外装材といえば、ＡＢＳ樹脂が主流でした。しかし、最近はＰＣとＡＢＳをブレンドしたポリマーアロイがよく使われています。
ＰＣはＣＤに使用されている光学特性に優れた樹脂です。しかし、耐衝撃特性（すなわち割れやすい）や流動性（射出成形時に複雑形状を作れない）が悪い、という欠点があります。高分子材料技術では、一成分のポリマーの物性を改良するためにブレンド技術がプロセスと処方の両面で開発されています。
ＰＣとＡＢＳのポリマーアロイは、ＰＣの物性を改良するために開発された、と教科書には書かれています。この説明はおそらく間違っていないでしょうが、その材料の射出成形体のきれいな外観を見ますと、ＡＢＳの安っぽい外観を改良するために考案されたような印象を持ちます。
最初にこの組み合わせを考えた人がどのようなコンセプトでポリマーアロイを設計したのか聞いてみたい気がしています。流動性を改良するためであれば、ＰＣにナイロン樹脂をブレンドしても目的を達成できるからです。またＰＳをブレンドしても耐衝撃性や流動性をある程度改善できます。
確かにＰＣとＡＢＳのポリマーアロイＰＣ／ＡＢＳの物性に及びませんが、コストはナイロン樹脂やＰＳをブレンドした方が安価です。コストや物性のバランスを見ているとＰＣ／ＡＢＳの選ばれている理由が良好な外観にあるように思えてきます。
このＰＣ／ＡＢＳのポリマーアロイにも泣き所が有り、少し高度な射出成形技術が要求されると言うことです。すなわち多成分系のブレンドなので、金型温度などの射出成形条件をうまく管理しなければ、テープ剥離というような外観の品質問題が起きやすい。この品質問題はこれまで射出成形技術の問題とされていましたが、コンパウンドの混練に先端技術を用いますと皆無にできます。すなわちコンパウンドの寄与が大きい故障です。もしご興味がございましたら弊社へお問い合わせください。
カテゴリー : 高分子
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合成技術グループのＫ１チャートを基に思考実験を組み立ててみました。
１．シリカゾルの粒子に高分子が吸着し、安定なミセルができる。
２．ミセル内にラテックスが取り込まれ、ラテックスの合成が行われる。
３．ラテックスの合成後も、ミセルは安定に存在し、そこへゼラチンを混合しても、シリカゾルの凝集は生じない。
４．３で出来上がった水溶液を塗布して作った単膜にはシリカゾルが均一に分散しており、ゼラチンの脆さが改善されている。
この思考実験を繰り返し頭の中で行いますと、ラテックスの合成経験があれば１においてシリカゾルに高分子を吸着させる条件が重要であるという勘が働きます。その理由は、シリカゾル表面で反応させながら高分子を合成した場合には、コア・シェルラテックスができるためです。新技術では、ラテックスの原料を反応させないために、シリカゾル表面へ高分子を吸着させているだけです。このように考えますと、この吸着条件は、新技術となり、特許を出願できます。
すなわち、コア・シェルラテックスと異なり、ラテックスは微粒子表面で反応せず、シリカゾルから独立して合成されています。この条件は従来のラテックスの合成条件と同じですので、思考実験を行わなければシリカゾルへ高分子を吸着させるプロセスを見落とすところでした。
このように思考実験は、前向きの推論で進めますので、アイデアが発散する方向へ展開されてゆきます。ゆえに思考実験を繰り返して行いますと見落としていたアクションや課題などに気がつくことがあります。
＜明日へ続く＞
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エネルギー問題への関心やボーイング７８７の事故もあり、Liイオン二次電池に対する関心が高いのでしょうか。昨日の報告に対して反響が結構ありましてびっくりしています。本日続編でもう少し詳細情報を書きますが、一部有料情報につきましてはお問い合わせください。
まず、講師の先生は、京都大学大学院工学研究科合成・生物化学専攻教授吉田潤一先生です。開催場所は、高分子学会高分子同友会会議室。ここで月に何回か勉強会が開催されています。詳しくは高分子学会へお問い合わせください。
講演のタイトルは、「高性能リチウムイオン電池のためのピレンテトラオン構造をもつ有機ポリマー正極材料の開発」で、講演内容のポイントは
（１）Ｌｉイオン二次電池の正極物質に最適な分子構造を理論計算により設計。
（２）設計した分子を導入したポリマーを合成し、Ｌｉイオン移動型の二次電池を開発。
（３）高蓄電エネルギー密度、高い充放電サイクル特性、高速充放電を実現。
１９８０年代にブリヂストンでポリアニリン正極を用いたＬｉイオン二次電池が実用化され、日本化学会化学技術賞を受賞いたしました。この業績は、正真正銘の世界初の高分子Ｌｉイオン二次電池の実用化であるとともに白河先生のノーベル賞の具現化でもあります。
しかし、吉田先生のご研究は、このポリアニリン正極よりも遙かに性能が良く、新たな可能性を示す成果をあげられており、すばらしいご研究と思いましたので昨日取り上げました。また、この成果の公開を許可されたＰ社にも敬意を表したいと思っています。
企業研究の場合にそれが新しいコンセプトであればあるほどなかなか外部発表までさせて頂けません。例えば、フローリーハギンズ理論から絶対に相溶しないと思われる有機高分子と無機高分子を新しいコンセプトで均一に相溶することに成功したポリマー前駆体を用いた高純度ＳｉＣの技術についてなかなか発表できませんでした。ポリアニリンのＬｉイオン二次電池の発明よりも早く実現していたのですが、日本化学会化学技術賞の受賞はポリアニリン二次電池の受賞から２０年以上過ぎていました。
そのような経験もあり、昨日の研究報告を許可されたＰ社の技術に対する自信に敬意を表したいと思っています。
カテゴリー : 電気/電子材料
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ホワイトボードの半分のエリアには、１ｃｍほどのミミズ状の絵がいっぱい描かれ、その中に２ｃｍほどの丸が書かれています。１ｃｍほどのミミズ状の絵は、ミセルというものを作っています。
筆者「図をよく見てください。同じに見えませんか？」
担当者「シリカゾルをミセルにしてラテックスを合成すればいいんですね。」
さっそくＫ０チャートとＫ１チャートを作成しました。あるべき姿はホワイトボードに書かれた、ゾルをミセルに用いてラテックスが合成された状態の図です。担当者は、ベテランでしたのでＫ０チャートは、経験から合成技術のグループと評価技術のグループがあるべき姿に向けて直列につながった図を簡単に描き、合成技術よりも評価技術がゴール達成のために重要である、と指摘しました。
すなわちゾルをミセルにした合成技術は世界初であり、仮にラテックスの合成に成功しても、シリカゾルが凝集する場合があるかもしれない、というのです。さらに、どこまでの凝集が許されるのか、評価技術を開発し技術の目標を決めたい、と説明がありました。
担当者が描いたＫ０チャートは直列でしたが、マンパワーを補強し、合成技術グループと評価技術グループをあるべき姿に向けて並行に進めることにしました。すなわちそれぞれのグループのＫ０ポイントは、あるべき姿と一致します。
＜明日へ続く＞
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昨日高分子同友会勉強会で久しぶりにアカデミアの典型的な研究報告を拝聴させて頂きました。有機物で電池の正極を合成する、というＰ社との長期にわたる産学連携で行われた京都大学吉田先生の研究報告です。
研究のコンセプトから始まり、コンセプトに基づく分子設計を行って分子構造と物性との関係のシミュレーション、そして実験でその結果を確認し、コンセプトの正しさを証明する、という内容でした。
科学とは真理を追究することと昔から言われています。そして研究とは何か新しいことを見つける活動だ、と４０年前教えられました。昨日の講演はまさにこの両者を兼ね添えた典型的な科学的研究成果でした。
自然現象は複雑怪奇です。そのため優れた科学的研究はそれだけでは完結せず、真理を明らかにするとともに常にまた新しい課題を生み出します。研究者がそれに気がつく、あるいは気がついていなくてもそれが存在すれば優れた科学的研究成果だと思います。そのため後者の場合には時として科学的研究がその時代に評価されず、後世になってその研究で提示された課題に気づいた研究者により再評価が行われたりします。吉田先生の研究報告にも新しい課題の提示がありました。
産学連携が叫ばれ、アカデミアでは、その純粋性を維持するのが難しくなってきています。しかし昨日の講演に接しますと、アカデミアが健全に活動できる産学連携とは研究者の力量であると気づかされます。すなわち吉田先生のみならずＰ社の研究者も優れていなければこの研究の継続は難しかったと思います。すぐに実用化できない成果でも我慢してアカデミアを応援できる力量がＰ社の研究者にあったからこそ、長期間継続することができたと思います。両者に高い力量があり、研究の成果を共有し信頼できなければ、科学的研究が完成するまで我慢できません。提示された新しい課題に関連した特許が出ていないことを祈るのみです。この新しい課題にご興味のある方は弊社へお問い合わせください。
カテゴリー : 電気/電子材料
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担当者の説明によりますと、ゼラチン層におけるシリカゾルとラテックスの理想的な分散状態は、それぞれがゼラチンの中でまったく凝集していない状態とのことです。ところが、ゼラチン薄膜の塗布液を製造する時に、塗布液の成分をどのような順番で添加しても、あるいは混合プロセスを工夫してもシリカゾルが凝集するのだそうです。そして、この凝集体ができる理由は科学的に説明でき、技術的にはコアシェルラテックスの技術以外では解決できない問題とのことです。
担当者にゼラチンの中でシリカゾルとラテックスが理想的に分散した場合の漫画を描かせてみました。ゼラチンは水溶性高分子なので水に溶けており描かれていません。ホワイトボード一面には、シリカゾルに相当する５ｍｍほどの点とラテックスに相当する２ｃｍほどの丸がランダムに多数描かれています。
筆者「この状態をプロセスで作りこむことはできませんか」
担当者「コロイド化学の教科書に書かれているように、混合した時にシリカゾルが凝集します。」
筆者「シリカゾルとラテックスを混合しないで、この状態を作れませんか。」
担当者「コア・シェルラテックスが、その状態を達成しています。」
筆者「コア・シェルラテックスは、超微粒子の周りをラテックスが覆っていますが、この図はそうではありません。この図の状態を「あるべき姿」として、混合プロセスを使わないで作る方法はないですか。」
担当者「無理です。」
筆者「ラテックスはどのように重合しますか。」
担当者「界面活性剤でミセルを作り、その中でラテックスを合成します。」
筆者「ホワイトボードの半分を消して、その様子を描いてみてください。」
担当者「こうなります。」
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