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セラミックス講義第11,12,13回目6月28日, 7月5日

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セラミックス
第 11,12,13 回目
『 セラミックス材料の物性 』
( 2号館 2301教室 )
磁性の分類,フェライト,強磁性体,永久磁石
サーミスタ特性,誘電体特性,ナノテクノロジー
セラミックス材料の今後の応用と展開
2016 年 6 月 28 日(火)
7 月 5 日(火),7 月 12 日(火)
工学部 材料工学科 教授 永山 勝久
ニューセラミックスの物性
ー セラミックスの材料物性 ー
6つの機能大分類
① 熱的機能(⇒ 耐熱性,次世代エンジン用材料)
② 機械的機能(⇒ エンジニアリングセラミックス)
③ 生物・化学的機能(⇒ バイオセラミックス)
④ 電気・電子・磁気的機能
(⇒ 導電性,半導性,イオン伝導性,圧電性,
誘電体,磁気的機能・磁性材料関連)
⑤ 光学的機能(⇒ 光ファイバー,レーザー発振材料)
⑥ 原子力関連機能(⇒ 核燃料,炉心・制御・遮蔽材)
ニューセラミックスの代表的な電気・電子・磁気的性質
1.『絶縁性』:物質に通電する際、大きな電気抵抗により電気を通さない性質
2.『誘電性』:物質に電圧を印加した時、物質の両表面に電荷が現れる性質
誘電特性は比誘電率(:誘電率 ε と真空の誘電率 ε0 の比)の大きさに比例
クオーツ(単結晶SiO2):3.8,サファイヤ(単結晶Al2O3):9.4,
チタン酸バリウム(BaTiO3):4,590 ← 強誘電体(コンデンサ)となる
3.『導電性(半導体)』:特定のセラミックスは電気を通し、半導性を示す
1)サーミスタ:温度を上げると抵抗が下がり、電気を流す性質
2)バリスタ:電圧が高くなると電気抵抗が下がる性質
電子回路に必要以上の高電圧がかかるのを防ぐ電子部品
4.『圧電性』:①特定物質に応力(振動,歪)を加えると電気を発生する性質
②特定物質に電気を流すと振動を発生する性質
「圧電セラミックス」:チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3:PZTセラミックス)
5.『磁性』:通常のセラミックスは磁性を示さないが、フェライト(酸化鉄 Fe3O4,
酸化Ni,Baフェライトなどの混合焼結体)は強磁性(磁石特性)を示す
6.『超電導』:電気抵抗がゼロになり、一度流した電気が流れ続ける性質
③
④⑤
③
④
⑤
フェライト磁石発見の歴史的推移
『1930年に世界初のフェライト磁石(OP磁石)の発明』
①「KS鋼(1917年に本多光太郎博士(東北大)が発見した世界最強の
永久磁石(“近代磁石の始まり”):Fe-35%Co-6%Cr-6%W-0.9%C)」
②「MK鋼(1932年に三島徳七博士(東大)が発見した析出硬化型・
鋳造磁石:Fe-Ni-Al合金,KS鋼の倍(500Oe)の保磁力Hcを有する)」
③「フェライトOP磁石(1930年に加藤与五郎、武井武両博士(東工大)
が開発, 鋳造磁石とは原理1)が異なり、セラミックス強磁性粉末の
酸化鉄Fe3O4を主成分とし、これに各種フェライトを混合した結果、
コバルトフェライトCoFe2O4が優れた永久磁石になることを発見」
注)「OP磁石」:酸化物Oxide Powderの略(東工大所在地大岡山のOと
永久磁石Permanent Magnetの頭文字P をとったとも言われている
⇒ その後、Baフェライト,Srフェライト(AFe12O19 )高性能磁石へ発展
「フェライト磁石」は①,②の金属合金磁石とは異なり、セラミックス
(酸化物)であること、強磁性の一部 となる“フェリ磁性(セミハード,
磁気記録用磁性体)” を利用した点 が大きな特徴 となる
1)①,②が形状磁気異方性を利用した磁石であるのに対し、フェライト
磁石はSm-Co,Nd-Fe-B磁石同様、結晶磁気異方性 を利用した磁石
④「Baフェライト磁石:BaFe12O19(BaO・6Fe2O3),1952年にオランダ
のフィリップス社によって、フェライト磁石(OP:Oxide Powder磁石
:1952年に日本で発見)の性能を上回る「Baフェライト磁石」が開発
され、「高性能異方性型フェライト磁石として世界に登場した」
⑤「Srフェライト磁石:SrFe12O19(SrO・6Fe2O3),1961年にアメリカの、
ウェスチングハウス社によりBaフェライトを上回る「Srフェライト磁石」
が開発された」
上記、2つの磁石は、いずれも『マグネトプランバイト型』と呼ばれる
六方晶の結晶構造を有し、フェリ磁性を示す高性能永久磁石である
「フェライト磁石」は「原料が酸化物系セラミックス磁性粉末」と安価
なため、1968年に Sm-Co磁石が発見 されるまでは、低コストかつ
高性能を有する磁石材料として、世界中で研究・開発が行われた
なお、「フェライト磁石の工業化と大量生産」に成功を修めたのが、
TDK(当時の東京電気化学工業株式会社)を始めとする、日本の
企業であり、その後のエレクトロニクス時代を担う磁石材料として、
フェライト磁石は、現在でも世界で最も数多く生産・利用されている
世界における永久磁石の生産量と生産額の比較
『フェライト磁石』が、生産量94%(45万トン),生産額50.11%(22億5千万円)で共に世界第1位
高性能磁石特性を有する『ネオジム磁石』の生産額と生産値は共に第二位であるが、その
生産量は4.27%しかない。
現在、資源の少ない、希土類元素を使用しない(レアアース・
フリー)安価な高性能酸化物系セラミックス・フェライト磁石の開発が世界中で期待されている
永久磁石材料の年産量の比較:
2000年
年生産量(トン)
百分率(%)
アルニコ
フエライト
サマコバルト
ネオジ焼結
ネオジプラマ
グ
7300
450000
1000
16400
4000
3.43
0.84
1.52
94.0
0.21
4.27
永久磁石の年産総生産額の比較:
2000年
アルニコ
フエライト
サマコバルト
ネオジ焼結
ネオジプラマ
グ
年生産値(百万ドル)
160
2250
120
1480
480
32.96
10.69
百分率(%)
3.56
50.11
2.67
43.65
2012年 磁性材料国内生産実績月別推移(金額/億円)
180
ソフトフェライト
160
一般社団法人 電子情報技術産業協会
(JEITA: Japan Electronics
and Information Technology
100~200億円
Industries Association)
出典 http://home.jeita.or.jp/ecb
/information/stati_mat.html より
フェライト磁石
140
希土類磁石
120
100
80
60
40
10~20億円
20
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
300%
9月
10月
11月
12月
2012年度 磁性材料国内
生産実績月別推移(前年同月比)
ソフトフェライト
250%
フェライト磁石
ソフトフェライト(酸化鉄:M2+O・Fe2O3を
主原料とする軟磁性材料) 200%
希土類磁石
フェライト磁石(Baフェライト,Srフェライト)150%
希土類磁石(Sm-Co系,Nd-Fe-B系)
↑
100%
硬磁性材料=永久磁石材料
50%
0%
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
2012年 誘電体セラミックス世界生産量合計推移(2002年を100とした指数)
300
誘電体セラミックス原料
誘電体セラミックス電極材料
250
誘電体セラミックス原料1)と電極材料2)
・・・世界生産量の合計数値(重量指数)
200
150
1) 誘電体セラミックス原料
チタン酸バリウムBaTiO3原料
(酸化チタンTiO2,炭酸バリウム
BaCO3)の合計重量の数値,
100
50
2002年の月平均値を100とした指数
0
1月
2月
3月
4月
5月
6月
2)誘電体セラミックス電極材料
Ag,Pd,Ag-Pd合金3),Ni の
合計重量の数値
7月
8月
9月
10月
11月
12月
2012年度 誘電体セラミックス世界生産量合計推移(前年同期比)
140%
120%
2002年の月平均値を100とした指数
3)Ag-Pd合金
携帯電話等の小型電子機器に
実装される電子部品に適合する
回路形成用導電性ペースト材料
100%
80%
60%
誘電体セラミックス原料
40%
誘電体セラミックス電極材料
Ag-Pdナノ粒子ペースト
5nm程度のナノ粒子を使用して 20%
20μm程度の超微細電子(導電性) 0%
回路パターン形成を実現
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月 11月 12月
← Nd-Fe-B焼結磁石
:(BH)max=~60MGOe
JEITA 社団法人電子情報技術産業協会
JABM 日本ボンド磁性材料協会 より引用
← フェライト磁石:(BH)max=~5MGOe
図 日本における永久磁石材料の
左上:磁石特性の推移
右下:生産総額の推移
フェライトボンド磁石
→
フェライト焼結磁石 ○+フェライトボンド磁石 ○
: 生産額:~250億円
(希土類焼結磁石に次、第2位)
フェライト磁石
←
J E I TA 社 団 法 人 電 子 情 報 技 術 産 業 協 会
JABM 日本ボンド磁性材料協会 より引用
← フェライト焼結磁石生産量
: 40 kton(40万トン) 第1位
← フェライトボンド磁石
:=10 kton(10万トン)第3位
図 日本における永久磁石材料の
左上:生産量(重量)の推移
右下:生産コストの推移
フェライト焼結磁石 ○,フェライトボンド磁石 ○
:共に、全ての磁石中、最も製造コストは低い →
フェライトボンド磁石○ ↓
図 永久磁石材料の種類と強さの比較
フェライトの応用分野
TDK(株)HPより
『 フェライトコア 』
:携帯電話,各種通信機器,
パソコン等のケーブル端部に
取り付けられている円筒状の
部品が「フェライトコア」であり、
高周波ノイズ吸収用フィルター
として使用される
ケーブル内にノイズ電流(高周波)が流れ
ると、ケーブルから磁場が発生するため、
それを「フェライトコア」に吸収させ、熱に
変えることでノイズを低減させ、音質向上
やPC,情報端末等の誤動作を防止する
1.磁性体セラミックス(フェライト,酸化鉄セラミックス
[:図1,表1 参照])
軟磁性材料(ソフト)
(ex.磁気ヘッド材料,
トランス用材料)
半硬磁性材料
(セミハード)
(ex.磁気記録
用材料)
硬磁性材料(ハード)
(ex.永久磁石材料)
図1 磁性体セラミックス
(フェライト,酸化鉄
セラミックス)の用途
表1 代表的な鉄酸化物系化合物
物 質
結晶系
系 性
色 相
α -Fe2O3
γ -Fe2O3
α -FeOOH
(α -Fe2O3・H2O)
Fe3O4 Fe(Fe2O4)
MnFe2O4
CoFe2O4
NiFe2O4
ZnFe2O4
六方晶
立方晶
直方晶
非磁性
強磁性
非磁性
赤褐色
茶 色
黄 色
X線密度
[g/cm3]
5.29
5.07
4.28
立方晶
立方晶
立方晶
立方晶
立方晶
強磁性
強磁性
強磁性
強磁性
非磁性
黒 色
黒 色
黒 色
黒 色
赤褐色
5.24
5.00
5.29
5.38
5.33
六方晶
六方晶
強磁性
強磁性
黒 色
黒 色
5.28
5.15
永久磁石
BaFe12O19
SrFe12O19
鉱物名
α-Hematite
Heamatite
γ-Hematite
Maghemite
Goethite
Magnetite
(Jacobisite)
(Trevorite)
(Flanklinite)
備 考
赤鉄鉱,ベンガラ
ガンマ
針鉄鉱,黄鉄
磁鉄鉱,黒鉄
磁鉄鉱,鉄黒
マンガンフェライト
コバルトフェライト
ニッケルフェライト
亜鉛フェライト,タン
(顔料)
バリウムフェライト
ストロンチウムフェライト
フェライトの一般式:M・Fe2O4 ・・・ M:2価の金属
(MO・Fe2O3 ) (M = Mn, Ni, Zn, Ba,Sr,・・・)
**酸化鉄(磁性体酸化鉄)・・・Fe3O4 : マグネタイト
「主な用途」: ①ビデオテープ,カセットテープ用磁性体 磁気記録用
磁性体粉末
BaO・6Fe2O3
②フロッピーディスク用磁気記録媒体
③モータ回転用マグネット(ex. PC用ハードディスクHDD
SrO・6Fe2O3
④スピーカー(ex.携帯電話,音楽プレーヤー)用
注)現在:CD, MO, MD(光磁気記録用各種メディア材料) マグネットドライブモータ)
(※ ビデオテープ、フロッピーディスク等の記録用媒体は全て γ-Fe2O3 粉末を使用)
『磁性材料(強磁性体材料)の実用的分類』[:図2 参照]
①軟磁性材料(ソフト磁性材料)
・・・保磁力Hcが小さく、磁化率χrが大きい(⇒ M/Hが大きい)材料
例)磁気ヘッド,トランス用磁芯材料
②硬磁性材料(ハ-ド磁性材料)
・・・保磁力Hcが大きく、かつ飽和磁化MS,残留磁化Mrが
共に大きい材料, 例)永久磁石材料
③半硬磁性材料(セミ・ハ-ド磁性材料)
・・・①と②の中間的性質を示す磁性材料
例)磁気記録用材料:磁気テ-プ材料,磁気ディスク材料,
垂直磁気記録材料,光磁気記録材料
B:磁束密度[単位:Gauss]
(強磁性体中の磁化の大きさMと
外部磁場Hの両者を合せた物理量)
図2 磁性材料とB-Hヒステリシス曲線
①軟磁性材料,②永久磁石材料,③半硬質磁性材料
保磁力Hcによる磁性体の分類
③
①Hc小:軟質磁性体
①
:磁気ヘッド、変圧器鉄心、
磁気シールド
②Hc中:半硬質磁性体
:磁気記録媒体
③Hc大:硬質磁性体
:永久磁石
②
1Oe=80A/m
1T=8x105A/m
→105A/m=1.3kG
『強磁性体の特徴』
外部からの磁場印加によって、強磁性体特有の磁化挙動を示す
( ⇒ 強磁性体の特徴となる、外部磁場Hに対する磁化Mの変化)
↓
“磁化曲線=ヒステリシス(M-H)曲線”[:図3 参照]
・・・強磁性体が有する単位体積当りの磁化(磁気モーメント)の
大きさMが、外部磁場Hの増大と減少に伴い、連続的に変化
する時の物質の磁性状態(過程)を示す曲線
『磁化M』
:原子が有する孤立電子(不対電子,スピン)によって
発生する磁気モ-メントの総和
( ⇒ 結晶を構成する全ての原子が有する不対電子の総和)
『磁場H』
:物質に対し、外部から連続的に印加する磁場力(磁場の強さ)
『強磁性体の磁化過程』
①:最初の状態(H=0,M=0)
②:初磁化過程
(χr:磁化率,Ms:飽和磁化)
③:外部磁場を取りさった状態
(Mr:残留磁化(H=0)
④:-Hcの磁場で強磁性体中の
磁化Mは完全にゼロになる
(Hc:保磁力)
⑤:②とは反対方向に飽和磁化
した状態(-Ms)
⑥:③とは反対方向に生じた残留磁化(-Mr)
図3 ヒステリシスM-H曲線
⑦:④とは反対方向の保磁力Hc
[M-H曲線は閉じる] ⑧:②と同一方向の飽和磁化状態Ms
注)χr:強磁性体に磁場印加した時の最初の傾き[磁化率χr=M/H]
Ms:強磁性体内の全ての磁気モ-メントが印加磁場(外部磁場)
方向に配列した時に生じる磁化M[飽和磁化]
Mr:飽和磁化状態Msにある強磁性体に逆方向の磁場を印加し、
外部磁場がH=0の時に強磁性中に残存する磁化M[残留磁化]
Hc:強磁性体中に残った磁化を全てゼロにするために必要な磁場
強磁性体の磁化過程
-磁化Mと磁場Hの関係(ヒステリシス曲線)-
磁化M
残留磁化Mr
DB
E
保磁力Hc O
F
飽和磁化Ms
C
磁化率 χ=M/H
A
磁場H
G
図 ヒステリシス曲線(M-H曲線)
Magnetization(磁化)
強磁性体の温度:Tと磁化:Mの関係
(強磁性体から常磁性体への変化:キュリー温度,Tc)
強磁性
常磁性
キュリー温度: Tc
鉄のキュリー温度: 770℃
Temperature(温度): ℃
強磁性体の磁化曲線(ヒステリシス)
O→B→C:初磁化曲線
C→D: 残留磁化
D→E: 保磁力
C→D→E→F→G→C
:ヒステリシスループ
残留磁化
飽和磁化
保磁力
初磁化曲線
Hcによる磁性体の分類
Hc小:軟質磁性体
Hc中:半硬質磁性体
Hc大:硬質磁性体
初磁化状態
マイナーループ
世界最強の永久磁石材料
Nd2Fe14B相の結晶構造
ナノレベルで原子配列が制御された
9層・稠密・積層・正方晶構造
結晶構造:正方晶(a=8.81Å,c=12.21Å)
単位胞 :4×Nd2Fe14B=68個の原子
Fe:56個,Nd:8個,B:4個
特異構造:下に示す積層構造を呈する
(9層稠密構造)
Nd4Fe2B2(C面)
|
Fe11(Fe-Cr 2元系で表れるσ相と同一,
|
かつC面に平行でない)
Fe4
|
Fe11
|
Nd4Fe2B2(C面/2)
|
Fe11
なお
|
1)C軸にはFe原子のみ
Fe4
2)Nd, B原子は、C面
|
および1/2C面のみ
Fe
11
|
Nd4Fe2B2(C面)
Nd1, 4f
Nd2, 4g
Fe1, 4e
Fe2, 4c
Fe3, 8j1
Fe4, 8j2
Fe5, 16k1
Fe6, 16k2
B , 4f
『Nd-Fe-B永久磁石材料(ネオジム磁石)』
・・・エレクトロニクスの高性能化・小型軽量化に大きく貢献
(※ 1982年に住友特殊金属の佐川眞人らによって発明
された世界最強の高性能永久磁石材料)
【応用例】
① ハードディスクHDDのヘッドを駆動するリニアモータ
およびディスクを回転させるスピンドルモータに使用
② 携帯電話の振動用モータ(・・・マナモード時)に使用
③ CD,DVDなどの光ピックアップなどの各種小型モータ
④ 風力発電用・永久磁石式発電機
⑤ MRI-CT(強い磁場を利用した身体の断層映像医療・
観察・診断用)用マグネット(核磁気共鳴NMRを利用)
⑥ ハイブリッドカーや電気自動車の発電・動力用モータ
(・・・永久磁石式自動車用同期モータ)に大量に使用
(MRI:Magnetic Resonance Imaging,
磁気共鳴画像装置)
(Voice Coil Motor)
(Anti-lock Braking System,
VCM: HDDの磁気ヘッド,
自動車ブレーキ用センサ)
デジタルカメラ・オートフォーカス用
位置決めセンサ
微小精密モーター
出典: 日経ものづくり
(2011年1月号,pp.52-57より)
用永久磁石型
同期PMモーター
医療機器関連
:永久磁石式MRI(Magnetic Resonance Imaging)*)
*) MRI:核磁気共鳴(NMR-CT)を利用して身体の断層映像を得る装置
[特徴]:超伝導磁石によるMRIよりも発生磁場は小さいが、
コンパクトかつコストが安い[:図1,図2 参照]
図2 永久磁石式MRIを搭載したMRI検診車
図1 Nd-Fe-B系焼結磁石を使った永久磁石式MRI
Nd-Fe-B製
PMモーター
トヨタ・プリウス(ハイブリッドカー) ウィキペディア (Wikipedia) http://ja.wikipedia.org/ より
Nd-Fe-B永久磁石:1982年に住友特殊金属の佐川眞人らによって、
Nd-Fe-B磁石(ネオジム磁石)が発明された。ネオジム磁石を使った
永久磁石式同期モーターは、新型ハイブリッドカーや
電気自動車の発電・動力用モーターに大量に使用される
ハイブリッドカーの駆動モーターには、車1台当たり、
1.2kgのNd-Fe-B焼結磁石が使用される
注)永久磁石型同期モーター:Permanent Magnet Synchronous Motor
Nd-Fe-B製
PMモーター用磁石
※ 駆動モーターの中で、最も普及しているのが『永久磁石型同期(PM)モーター注)』
であり、現在、実用化されている電気自動車や、トヨタのハイブリッドカーなどに搭載
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)
:センサー,アクチュエータ(電子回路を構成する
素子),電子回路を一つのSi基板,ガラス
基板,有機薄膜上に集積化したデバイス
補足:【磁性の基礎】
『磁性の分類』[:表1,図1,図2,表2 参照]
:原子が有する固有の不対電子*) (電子,スピンの自転)による
磁気モ-メントの配列の仕方(スピンの秩序性)で、磁性状態は
以下の ① ~ ④ に分類される
*) 不対電子を有する原子(⇒室温以上で強磁性状態を示す元素)
⇒ Fe族3d遷移金属[26Fe,27Co,28Ni]+4f 希土類金属64Gd
① 常磁性
:不対電子による磁気モ-メントが外部磁場方向
に配列せず、バラバラの方向をとる磁性状態
② 反強磁性 :2つの磁気モ-メント↑と↓の大きさが同じで、
完全に正・負の磁気モーメントを打ち消す磁性状態
③ フェリ磁性 :外部磁場によって、反強磁性と同じスピン配列を
とるが、2つの磁気モ-メントの大きさに差があり、
ある方向に強い磁性を示す(⇒「磁気記録材料」)
④ 強磁性 :全ての磁気モ-メントが一方向(外部磁場方向)
に完全に揃い、強い磁性を示す
(⇒ 「実用磁性」 ・・・トランス,磁気ヘッド,永久磁石材料 など)
表1 磁性体の種類
⇒スピン(不対電子)に依存しない磁性
ラーモアの反磁性:1905年
1.原子が電子による磁気モーメントを持つ場合 ⇨ 強磁性、反強磁性
⇨ 常磁性、反磁性
2.原子が電子による
磁気モーメントを持たない場合 (互いに打ち消し合う・・・常磁性)
注)反磁性 (diamagnetism): 磁場印加により、負の磁化率を有する磁性
⇒ 磁場に対し逆方向に磁化を示し,反発する磁性)
外部磁場印加により,物質中に電磁誘導に依存した円電流(永久電流)が流れ、
磁場印加方向と逆向きにローレンツ力(=円電流による磁場=反発力)を生じる
図1 常磁性,強磁性,反強磁性体の
磁気モーメント(スピン)配列
『常磁性(Paramagnetism)』
:磁気モーメント(スピン)を有するが、外部磁場が無い時は
スピンがばらばらで磁化を示さず、外部磁場を印加すると
磁場方向に弱く磁化する磁性( ⇒ M=χH:線形変化)
『強磁性(Ferromagnetism)』
:全てのスピンが磁場方向を向き、強い磁化を示す磁性
『反強磁性』
:片方のスピンは磁場方向に向き(強磁性→)、もう1つの
スピンは反対方向に向き(←)、磁化を完全に打ち消す磁性
図2 フェライトのフェリ磁性および
各種磁性の磁気モーメント配列モデル
表2
磁性の分類
常磁性
強磁性
常磁性
反強磁性
フェリ磁性
負(磁場よりは 磁場にかられる 常磁性の一種 常磁性の一種 強く磁場にひ
特
強磁性に似る きつけられる
じき出される) 温度係数負
性
温度係数負
温度変化なし
物質のもつ電子不対電子のもつ 磁気モーメント 磁気モーメント 物質の中に磁
の軌道運動の 磁気モーメント が相互に打ち消 が反平行に配向気モーメントを
外部磁場による の磁場による配 し合う形で配向 しているがその そろえた磁区が
起
歳差運動
向および自由電 している
モーメントに差 あり、それが磁
因
子の磁気モーメ
があり強い常磁 場で一方向に
ントの配向
性を示す
配向する
(Pauli 常磁性)
分類
モ
デ
ル
反磁性
振動試料型磁力計 (VSM)
小さな試料片を印加磁場H
により磁化させ一定の大きさ
の振幅と周波数で正弦波的
に振動させたとき、近接させ
ておいたコイルに誘導される
起電力の大きさから磁化の
強さMを求める方法
(←永山研究室・所有装置
豊洲校舎1F-D-30実験室)
強磁性体の原理・機構
強磁性体(ex.永久磁石)になるために
は、原子が磁気モーメントを持つだけで
は不十分で、その向きが揃っていなけ
ればならない
原子
磁気モーメント
強磁性
常磁性
鉄
コバルト
アルミニウム
サーミスタ,バリスタ、誘電体(電気・電子的特性)
(1)サ-ミスタ(thermistor)*) [:図1 参照]特性
[定義]:温度により材料の電気抵抗値が変化する性質
(・・・温度調整、測定用の温度センサー用素子)
①CTRサ-ミスタ(Critical Temperature Resistor:臨界温度サ-ミスタ
②NTCサ-ミスタ(Negative Temperature Coefficient thermistor)
③PTCサ-ミスタ(Positive Temperature Coefficient thermistor)
③
①
②
サーミスタ(thermistor)
Thermally Sensitive Resistor
電気抵抗の特異な温度依存性
を利用して、材料の電気抵抗を
測定することにより温度を検出
するセンサー素子
*)
図1 3種類の代表的サ-ミスタ
の電気抵抗の温度依存性
① 『CTRサ-ミスタ』:結晶の構造変化が生じる相転移点で
電気抵抗が急激に低下する材料
V2O5:80℃以下(単斜晶系)では抵抗が負の温度係数を持った半導体
80℃以上(ルチル構造:正方晶系)では電気伝導度が2ケタ以上増加
(抵抗が急激に減少)し、金属的挙動[温度の増加につれ抵抗は増加する
・・・抵抗:正の温度係数]を示す
[応用]:温度スイッチなどの各種センサ材料
② 『NTCサ-ミスタ』:抵抗が温度上昇に伴って単調(指数関数的)に減少する材料
(CTRサ-ミスタとは異なり、相転移には無関係)
不純物注入型遷移金属酸化物(Fe2O3-Ti系,NiO-Li系),
ZrO2-Y2O3系,SiCなど
[応用]:ダイオ-ド,ヒュ-ズ,各種温度スイッチ類など
③ 『PTCサ-ミスタ』:相転移点で抵抗が急激に上昇する材料
(⇒ 「CTR及びNTCサ-ミスタ」とは逆に、抵抗は温度上昇に伴って増加し、
かつCTRサ-ミスタ同様,結晶の相変化に起因する)
・・・「正方晶-立方晶変態」に伴う抵抗変化
(ex.代表材料:BaTiO3 ・・・セラミックスコンデンサ材料)
[応用]:電圧異常と回路の短絡保護材料・・・大電流が流れると、サ-ミスタの
温度が上昇し,抵抗値が増加し電流量を低下させる
サーミスタ(代表的3種類)の特徴
(Thermistor, Thermally Sensitive Resistor)
(1)NTCサーミスタ(Negative Temperature Coefficient)
: 温度が上昇すると抵抗値が連続的に減少する
(2)PTCサーミスタ(Positive Temperature Coefficient)
: 温度が上昇すると特定の温度以上で抵抗値が
急激に増加するサーミスタ
(3)CTRサーミスタ(Critical Temperature Thermistor)
: 温度が上昇すると抵抗値が急激に減少する
※ NTCサーミスタ(温度制御用センター素子として多用)の
温度と抵抗値の関係式
1 1
B(  )
T T0
0
R  R exp
R : 温度Tにおける抵抗値 ⇒ 材料の抵抗Rを測定し
T : 温度(K)
温度Tを求める
R0: 基準温度T0における抵抗値
T0 : 基準温度(K) (一般に25℃(=298K)を使用)
B : 定数
[身近な用途・応用例]
: 電子体温計、冷蔵庫、冷凍庫、エアコンの制御用温度センサー
(その他:OA機器、カーエアコン、自動車エンジン用温度計測センサー)
(2)バリスタ(variable resister)特性
[定義]:電流-電圧特性が非直線的なセラミックス半導体材料
(電圧Vが増加すると抵抗Rが急減し、非オ-ム則を示す材料)
※ V=IR に従わない
[:図2,図3 参照]
⇒ 低電圧域では温度依存性が小さいが、
臨界降伏電圧VBで、突然電気抵抗値が
消失し、電流が急激に増加(流れる)
図2 ZnOバリスタの典型的なI-V特性
(電流はVBで急激に増加) 図3 ZnOとSiCのバリスタ特性
用途: ① 整流器で発生する異常電圧から、回路素子を保護
② 落雷,高電圧の流入による電気回路の破壊防止用
(3)誘電体特性[:図4 参照]
:絶縁体と同様、電界を印加した場合に 定常電流は流れないが、
電荷を蓄積できる特性(コンデンサー特性)を有する材料
[:図5, 図6 参照]
① 常誘電体:誘電率の低い物質 [:BaTiO3の高温相(立方晶型)]
② 強誘電体:外部電界によって双極子モ-メントが整列することに
よって自発分極が発生し、かつ自発分極の方向が変化できる物質
[:BaTiO3の低温相(正方晶型)]
③反強誘電体:自発的な双極子の配列が結晶内で平行になるよりも、
反平行になる方が安定な物質 [:ジルコン酸鉛(PbZrO3)]
図4 電界を印加した時の
誘電体の分極モデル
A
C    F 
t
 :誘電率
A:電極面積
t :電極間距離(誘電体の厚さ)
図5 BaTiO3の結晶構造
図6 BaTiO3の誘電率の温度依存性
(a) BaTiO3の高温相(常誘電体)
(εa :a軸方向の誘電率,
(b) BaTiO3の低温相(強誘電体)
εc :c軸方向の誘電率)
『固体電解質(安定化ジルコニアセラミックス)』
ZrO2:1100℃で結晶変態(・・・低温:単斜晶→高温:正方晶)
↓
数%の容積変化の発生(・・・亀裂発生に伴う自己破壊の誘発)
↓
∴ 安定化剤の添加(CaO,MgO,Y2O3を数%~数十%添加)
・・・室温で立方晶を呈し、高温での結晶変化がない
(※ 室温以上で立方晶構造を安定化させ、
高温での結晶構造変態を完全に抑制させる)
『安定化ジルコニア(Stabilized Zirconia)』
・・・Zr4+ と Ca2+,Mg2+,Y3+ の置換によって
結晶格子中に酸素イオンO2-が不足し、
酸素イオンの伝導体(=『固体電解質』)
として応用[:図1 参照]
→ 各種酸素センサ素子 [:図2, 図3, 図4 参照]
PSZ:セラミックス高温・高強度構造材料
『部分安定化ジルコニア(PSZ:Partially Stabilized Zirconia)』
:正方晶ZrO2(高温安定相)
または 正方晶ZrO2+ 立方晶ZrO2(安定化ZrO2)の混在構造
⇒ 『強靱,高強度セラミックス材料』の代表
[機構]:PSZセラミックスに外力が加えられた場合、正方晶構造が
単斜晶構造に相転移して、外力を相変態時の駆動エネルギ-
として吸収する ⇒ 『結晶(構造,相)転移による強化機構』
・・・ TTZ (Transformation Toughened Zirconia)
特徴 :①高強度,高靭性
②熱伝導率は小さく(断熱性良好),熱膨張係数は金属に近い
↓
Y3+:結合手が3つ
O2-のホールを介した
イオン伝導
(・・・結晶中を移動)
Zr4+:結合手が4つ
O2- : 〃 が2つ
図1 Y2O3添加による
ZrO2の安定化
(単斜晶から 立方晶型
への相転移)
図2 安定化ZrO2固体電解質を用いた
酸素センサの酸素濃度と起電力の関係
図3 自動車用排気ガス用
酸素センサ素子の構造
E=55.7log10PR/PM
(E:起電力,PR:大気中の酸素濃度,PM:被測定ガスの酸素濃度
ex) 自動車排気ガス中のCOまたはCO2濃度を測定)
E(O2-のイオン伝導によって生じた起電力)
PR(大気中のO2量)
= 55.7log10
PM(測定ガス中のO2量)
(SOFC)
図4 ZrO2セラミックス用途
光学的機能 - 代表材料 -
光通信用ガラスファイバー[:SiO2(石英ガラス)製ファイバー]
※ 単結晶石英ガラス(SiO2):可視光(人間が目で見ることが
できる波長を有する光)を最も良く伝える固体材料
[光ファイバ(Optical fiber)の概要および要求特性]
① 直径50~125μm
② 屈折率が高い:1.5(cf.空気:1.0,水:1.3,ダイヤモンド:2.4)
③ 1本のファイバーで、1Tbps(1012ビット/秒)以上の光デジタル
信号(電話回線1万本以上)かつ100kmを無中継で伝送可能
④ 1秒間に地球を5周程度回る速度(秒速約20万km)で、
光デジタル信号を高速伝送する
⑤ 光ファイバー中での損失量は、1kmで数%程度(約0.3dB*) )
と非常のロスが少ない
*) 光が1km伝送することによって、1/1に減衰する時、1デシベル
(dB) とする = “1㎞での減衰率がゼロ(損失が全くない)”
コア径:約50μm,クラッド径:約125μmのファイバーの外周部を
シリコーン樹脂で被服
屈折率の高い,中央部のコア(Si+Ge)と外周部の
クラッド(Si)の境界部で光信号を全反射させ、
Si
長距離伝送を可能とする
Si(+Ge)
図 光ファイバー中の光デジタル信号の伝送機構
[製造法の一例]
:原料ガス(SiCl4:四塩化ケイ素)+GeCl4:四塩化ゲルマニウム)+O2+H2)を
石英ガラスチューブ内で燃焼・分解
原料ガス中から Si(+Ge)O2 が石英チューブの内側に析出
石英ガラスチューブごと加熱して引き伸ばし、ファイバー状に加工する
企業が求める大学生の要素・人材
企業が求める大学生の6大要素(NEC 遠藤社長)
1.基礎学力・・・大学1,2年生の教養・基礎学力
(工学リベラルアーツ:工学を基盤とする倫理感ある大学教養教育)
2.専門力・・・大学で何を学んだが
自分の大学,学部,学科,専攻を熟知
自分の興味や強み(専門性)が明確化
3.自己力・・・問題意識,解決力・自己分析力が高い
4.プレゼンテーション能力・・・自分の考えを伝達
5.コミュニケーション能力・・・社会,他人との関わり
6.国際力・・・国際感覚に優れ、語学力の高い人材
大学人(教育・研究者)にとって必要な5P
国際基督教大学ICU 鈴木典比古 学長
現在,国際教養大学 理事長, 学長
・・・①価値観,②創造力,③決断力,④説得力,
⑤実行力 等が総合された全人格を有する人間
1.Passion(情熱)・・・自ら考え情熱をもって取り組む
2.Persuation(説得)・・・自分の考えを丁寧に伝える
3.Patience(忍耐)・・・辛抱強く自分の考えを貫き
答え(結果)を導く
4.Perspective(見通す力)・・・洞察力,先見性
5.Planning(計画力)・・・事前準備,意義ある計画
↓
P(Plan)・D(Do)・C(Chek)・A(Act)を確実に遂行
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