令和５年度経常研究テーマ一覧
機械・材料技術部
計算材料科学の活用に向けたPCクラスタの構築
2050年の達成を目指すカーボンニュートラルや内閣府が提唱するSociety5.0の実現に向けて、革新的な特性を有する材料の開発が益々重要になっている。近年、スーパーコンピューターによる計算材料科学を駆使した革新的材料研究が一部の大学や国研を中心に推進されているものの、設備投資や維持運営に係るコストが大きく導入の障壁が高いのが実情である。公設試であるKISTECも例外ではなく、小～中規模計算可能な計算設備も有していないのが現状である。そこで、計算材料科学がより広く普及する未来を見据えて、低コストな計算環境の構築・及び運用方法の確立のために、スモールスタートする際に有効であるPCクラスタの構築を行う。
アルコール系液体潤滑下における各種硬質薄膜の摩擦摩耗特性評価
コンプレッサーや食品用機械はもとより，EV・HV等の次世代型輸送機械の潤滑油においても，SDGsの観点より環境性能の向上が求められることから，生物由来で産生可能なアルコール系液体の需要が高まっている．本研究では生分解性の高い糖アルコール系液体潤滑下における各種硬質薄膜の摩擦摩耗特性を幅広く蓄積することを目的とする．昨年度は，糖アルコール水溶液を用いたDLC膜の摩擦摩耗特性について，炭素数が小さい糖アルコールの30%水溶液で良好な結果となることを明らかにした．実使用を目指すにあたり，良好な結果を得た組合せについて圧力速度(PV)特性評価を実施する．また接触角の変化，潤滑剤のレオロジー特性評価等により低摩擦摩耗となる要因を解析する．
湿式成形中の粒子集合構造形成過程のリアルタイム観察
微粒子を分散させたスラリーを乾燥させて成形体を得る湿式成形は制御因子が多く、互いに複雑に相関するため、科学的な体系化は未達である。これまでにOCT観察を基軸にした評価システムを構築し、スラリーの乾燥特性と粒子集合構造の変化の相関を得ることには成功したものの、構造変化は定性的な理解に留まっていた。本研究では、乾燥過程におけるスラリー中の粒子集合構造変化を定量的に理解することを目的とする。
ナノ・マクロ領域への接続を目指したマイクロカンチレバー試験のスケール拡張
マイクロカンチレバー試験は、多結晶材料の粒子や粒界スケール（メソスケール）の引張応力下の破壊特性を直接評価でき、近年はナノ、マクロの力学特性との接続の観点から､試験片のスケールを拡張した試験プロセスの確立が期待されている。本研究では、マイクロカンチレバー試験において、片持ち梁状試験片のサイズが、変形挙動や、梁理論で算出される曲げ強度に与える影響（スケール効果）を明らかにする。
Phase Field法による多結晶マルテンサイト変態の組織形成シミュレーション
近年、計算機性能の向上によりPhase Field法やCALPHAD法などの“計算材料科学”を活用した金属組織の予測が可能となってきている。計算材料科学を活用した材料開発の効率化は今後さらに活発になることが予想されるが、未だ一部の大企業や大学などに活用が限定されているのが現状である。Phase Field法は材料組織形成過程を定性的に予測・可視化するために非常に強力な手法であり、活用することができれば材料開発・評価の効率化に寄与することが期待される。そこで本研究では、現在我々が実験による研究対象としている材料に対してPhase Field法を適用することで研究を推進するとともに、Phase Field法をKISTEC内で利用する際の課題を明らかにし活用方法を模索することを目的として研究を行う。
燃焼合成Ca-α-SiAlON粉末の焼結におけるAlNの添加効果
SiAlONは反応焼結法で作製する方法が一般的であり、α-Si3N4、AlN、Y2O3、Al2O3を原料粉末として用いるため、所望の特性を有するSiAlON焼結体を得るためにはそれぞれの添加量や焼結条件などの検討が必要となる。一方で燃焼合成法はSiとAlを窒素雰囲気中で燃焼しα-SiAlON粉末やβ-SiAlON粉末を得ることが出来る。これらの燃焼合成SiAlON粉末を原料として焼結体を作製することで材料設計が比較的簡易となる。本研究では燃焼合成法で作製したCa-α-SiAlON粉末へ焼結助剤として異なる量のAlNを添加し、ホットプレス法で焼結を行う。燃焼合成Ca-α-SiAlON焼結体の構成相及び機械的性質を評価することで、焼結条件と機械的性質の関係を調べる。
デジタル画像相関法によるひずみ分布測定技術の開発
現在、ひずみ測定ではひずみゲージを用いる手法が一般的であるが、一つのゲージから得られるひずみ値は一点一方向のみであり、多点や多方向の情報を得るためには、多くのひずみゲージを測定物に設置する必要があり、時間やコストが課題となる。デジタル画像相関法(DIC)は測定に際し計測物の画像の撮影のみと非接触で全視野的な計測が可能である。本研究ではひずみ測定の新たな手法の提案を目指し所内DIC技術開発を目的とした。
異なる粒度分布計測法の相互比較
KISTECでは、粒度分布評価におけるお客様の多様なニーズに応えるべく、走査電子顕微鏡に加えて、2008年度に動的光散乱式装置、2018年度に光顕による粒子画像解析装置、2022年度末にレーザ回折式装置を導入して、測定メニューの拡充によるワンストップ対応を目指している。そこで、各種計測手法で得られる結果を系統的に比較検討して、お客様に分かりやすく紹介するデータの収集を行う。
液体浸透時の人工オパール構造色の変化に関する研究
人工オパールは、粒径が数百ナノメートルに揃った球状粒子を合成し、密に充填して作製することができる。粒子の規則的な配列からなる周期構造が光に作用することにより、構造色を発現する。KISTECでは、陶芸への利用を中心に人工オパールの研究をしてきた。人工オパールが陶器表面に露出した状態で液体を浸透させると、色が変わったり消えたりし、乾くと元の色に戻る。本研究では、液体浸透時の構造色変化の要因を明らかにして制御可能にする。
電子技術部
3次元積層実装に向けた高周波向けTEGに関する研究開発
近年、半導体集積回路の高密度化を進めるために、2.5次元あるいは3次元積層実装技術が求められている。当所ではそのような最先端の実装技術に対応するために、装置メーカー、材料メーカー、公設試、大学、産総研等の研究共同体を構築し、それぞれ得意な分野が異なる機関が協力して開発できる体制を整備している。この研究共同体で2.5次元および3次元積層実装を検証するために使用できるTEGチップ作製技術と高周波伝送特性の評価技術の構築が本研究のテーマであり、次世代半導体に向けた高周波評価用TEGチップの作製と提供を目指す。
パワー半導体デバイスの断面観察技術の検討
電力変換・制御を行うパワー半導体デバイスは、産業機器、電鉄車両、電気自動車など様々な分野に広く用いられており、脱炭素社会実現に向けて効率的なエネルギー利用を担うキーテクノロジーのひとつである。半導体素子と基板を接合する実装技術としてはんだ接合に替わって金属ナノ粒子を用いた焼結接合が適用され始めている。本研究では接合部の信頼性評価を想定し、断面観察試料作製手法の検討を行う。デバイスの構成材料は、半導体、接合材、基板金属やセラミックスといった硬さの異なる材料の複合体であるため、断面観察のために均一に研磨を行うことが難しい。適切な研磨条件を見出し、製品開発等において迅速な試験・評価に本研究の成果を活用することを目指す。
畜産業に対するマイクロ流体チップの応用開発
令和に入り、牛肉をはじめとする農産物の輸出額が伸びており、2022年の農林水産物・食品の輸出額は、過去最高の1兆4,148億円となり、2021年比では14.3%の増加、額では1,766億円の増加となった。そして、2023年2月の牛肉輸出は、数量は前年同月を39％、金額は前年同月を28％それぞれ上回り、和牛肉は重要な産業に成長している。しかしながら、和牛の受胎率は低下し続けている。そのため，マイクロ流体チップにより運動性に優れる精子を選別し，和牛の人工授精の成功率を上げることを目的とする。
電子線描画を用いた光学回折素子構造の試作
光学回折素子(DOE:Diffractive Optical Element)は光の回折を利用してレーザー光を所定のパターンに変える素子であり、電子線描画を利用した微細加工の開発対象のひとつして着目されている。光学回折素子用のレジストの厚みに分布をもつ3次元構造は通常の電子線描画でのパターン形成よりレジスト厚みの制御が必要な点で作製が難しくなるので、これを検討する。光学回折素子用のレジストの3次元構造は電子線描画装置を用いて多諧調的な描画を行って作製する。この3次元構造の作製の難易度が高いため、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて表面形状の評価を行い、電子線描画での作成条件を検討する。
環境調和型熱エネルギー変換材料の作製と電子輸送特性評価
過半数の国々が2050年のカーボンニュートラル実現を宣言し、化石燃料に依存する本邦においても環境低負荷なエネルギー自給率の向上と二酸化炭素排出量の削減は不可避の課題である。上記の課題解決に向けた方策の１つは、ユビキタス且つ膨大な未利用熱エネルギーの高効率な資源化である。本申請研究では、高移動度デバイスや冷熱利用熱電材料として有望な環境調和型組成のWeyl半金属候補材料の電子物性制御を目的とする。計算機シミュレーションと材料合成、電子輸送特性評価を駆使した相補的な研究手法により熱エネルギー変換材料に関わる基礎的研究を実施する。
KEC法における測定誤差要因に関する一検討（高シールド材）
電磁波を遮蔽するシールド等の新製品・新技術の開発において、高シールド材への期待が高まると予想される。しかしながら、高シールド材をKEC法で測定する場合には、微小電流領域の測定であるために、測定誤差が増大すると考えられる。本研究では、高シールド材をKEC法で測定する場合の測定誤差の増大に関するメカニズムについて検討する。
５Gを含む無線周波数帯域の電磁界分布可視化システムの開発
現在、携帯電話やWiFiなどマイクロ波帯域の電波を利用した無線通信システムが広く利用されており、今後さらに高速低遅延化が進展する。しかし、電波は目で見る事ができないため、通信がつながりにくい場所を特定することは難しく、場所によっては遅延が発生する可能性もある。本研究では、５Gを含む無線通信システムの通信環境における電波状況を確認するため、電磁界分布可視化システムを開発する。この可視化システムを利用することで、無線システムごとの電波状況を確認することができ、更に、電波状況を改善するための電磁波シールド材料や電波吸収体を施工した場合の効果ついても検証することができる。
情報・生産技術部
軟性３D造形物の弾性率が触り心地に与える影響とその評価
３Dプリンタによるインソールやヘルメットなど柔軟性のある最終製品が近年、登場していることから、３Dプリンタ造形物の触り心地を良くする研究は社会的に意義があると考えられる。心理物理学的背景として触り心地のよさと弾性率には非線形性があることが知られており、かつ技術的背景として造形物の構造や材料を変えることで多様な弾性率を設計、造形ができる。このことから本研究では３Dプリンタを用いて幾何形状が弾性率に与える影響を機械計測し、心地よさに与える影響を心理物理実験を用いて定量化し、心地よい触り心地の設計方法を確立する。
機械学習を用いたレーザ溶接における溶け込み深さの予測とブローホール検出モデルの構築
レーザ溶接においては狙った溶け込み深さに対して加工条件の選定に多くの時間を要する．さらに，溶接欠陥の一つであるブローホールは加工条件の検討によりその発生確率を抑えることができるが，突発的に発生することがあるため別工程での検査が必要となる．そこで，レーザ溶接条件検討の省力化に加え，加工時に発生する信号をモニタリングするインプロセスでの検知が求められている．本研究ではレーザ溶接条件，発光強度と溶融池形成後の温度からなるモニタリング，各種評価（断面観察，外観撮影，RT）により得られたデータを元に機械学習を行い，溶け込み深さの予測モデルとブローホール検出モデルの構築を行う．
小規模工場のスマート化を実現するためのDocker/Kubernetesを利用した外観検査模擬システムの構築
近年、スマートファクトリは製造業におけるDXの実現方法の一つとして注目を集めている。生産現場と経営層が一体となって事業変革を推し進める枠組みとして期待されており、各所で既存工場のスマート化に関する報告がなされている。しかしながら、これを実現するためにはICTシステムとICT人材が不可欠であり、中小製造業におけるシステムの構築・運用は部分的にICTベンダーを利用しつつベンダーロックインに陥らない方法が望まれる。本研究では、既存の中小工場のスマート化を想定し、コンテナ仮想化技術を利用した外観検査模擬システムを構築し、中小工場へ適用する上での課題を抽出する。
化学技術部
ガラス繊維強化プラスチックの破断面観察
製品が破損した際、割れた箇所の形状観察から破損に至る経緯を推察する破面解析が、破損原因究明のための有力な手法とされている。繊維強化プラスチックはプラスチックにガラスやカーボンなどの繊維を混合した複合材料で、軽量かつ強度や弾性率に優れていることから、構造材料にも用いられるようになっている。一方で、複合材料になるため、破損原因と破断面の形状との相関に係る知見が求められている。本研究では、ガラス繊維強化プラスチックの破壊メカニズムと破断面形状との対応関係を事例として蓄積し、破損原因対策に係る技術支援に役立てることを目的とする。
非線形粘弾性指標を用いたゲル化点近傍の曳糸性評価
ゲルや高粘度ポリマーの曳糸性は、生産効率や製品性能に直結することから企業ではこれを自在にコントロールする技術が求められている。しかし、曳糸現象は大変形を伴った強い非線形粘弾性(NLVE)現象であるために解析が難しく、これまでほとんど粘弾性との関係づけが行われてこなかった。KISTECではこれまで独自にNLVE指標を考案し、化粧品や食品、ゴムなど様々な製品の柔らかさの違いを評価してきた。そこで本研究では、NLVEと曳糸性(糸引き)を関係づけ、さら僅かな試料から簡便に曳糸性を予測する技術の確立を目指す。本成果は、プラスチック製品の生産、性能評価、トラブル解析に至るまで様々な分野で活用することが出来る。
プラスチック材料の引張試験における湿度環境の影響
プラスチック材料はその吸水率によって引張強さ等の力学的特性が変化するため、JIS等の試験規格では恒温恒湿環境（23℃、50％）で試験を行うことが推奨されている。一方で、試験する材料が湿度に影響を受けない場合には湿度制御を行う必要がないと規定されているが、プラスチック材料が湿度環境によってどの程度の影響を受けるのかについての詳細な情報を得るのは容易ではない。本研究では、恒温恒湿槽を使用してプラスチック材料の引張試験を行い、その力学的特性が湿度環境によって受ける影響を調べることを目的とする。予備乾燥を行った引張試験片を準備し、温度、湿度、状態調節時間等の条件が力学的特性に与える影響について詳細な試験データを蓄積する。
高純度銅試薬の主成分分析法に関する基礎検討
産業界では高純度な試薬の需要が増加しており，その純度を精度よく分析することは重要な課題である。しかし，一般に機器分析による定量分析では十分な精度が得られない。また，不純物を定量してその残分を主成分とする差引法によって純度が決定される場合も多いが，この方法では主成分を直接定量していないため，主成分の含有量が厳密には保証されないという問題がある。本研究では，銅を対象として高純度試薬の新たな主成分分析法の開発について基礎検討を行う。
六価クロム標準試料開発に関する基礎的検討3
表面処理鋼板（三価クロメート処理）中の六価クロム標準物質の試作を行うための基礎的検討。表面処理鋼板（三価クロメート処理）を作成し、標準物質として重要な六価クロム濃度の管理方法、安定性を検討する。
食品機能性成分の神経保護作用評価方法の構築
近年、平均寿命の延伸、高齢化に伴い認知症をはじめとする神経疾患の発症が増加している。神経疾患発症後の治療は困難であり、完治を目指すよりも進行抑制や症状緩和が主となるため、神経疾患発症前に防ぐことが重要である。その方法の１つとして日常の食品摂取による神経保護があるが、食品の神経保護作用については動物を用いた脳機能を中心として評価されており費用と時間を要する。そのため簡便な食品の神経保護作用評価方法の構築が望まれている。食品機能性成分の神経保護作用について、試験管レベル～生体レベルまで簡便に評価できる方を構築することで、神経保護作用をもつ新たな食品機能性成分の迅速なスクリーニングが可能となる。
樹脂系材料の劣化に対する化学的総合診断への試み -バイオプラスチックへの適用（2）-
プラスチック部品、塗料など、樹脂系材料の劣化に関する相談は、年間通して数多く寄せられる。適切な評価・診断手法を提案・実施し、原因究明につながる情報を提供することが求められている。一方、単一の分析手法による結果から得られる情報は限られている。このような背景から、本研究では、種々の化学的手法を組合せて、劣化を総合的に評価、診断する手法について検討し、樹脂系材料の劣化にかかわる試験計測技術の充実をはかることを目的とする。本年度は、海洋生分解性を有することから、マイクロプラスチック対策のひとつとして今後利用がすすむと予測される、ポリヒドロキシブチレートヘキサノエートを対象として促進暴露試験を行い、各種分析手法による評価、解析を行う。
貝殻焼成物が気相に放散する静菌活性物質に関する研究
大量に廃棄されているホタテ貝殻の有効利用法を開発すべく、焼成粉の機能性の評価、エビデンスの取得を目指す。
電解オゾン水に関する基礎研究
消毒用途として、水道水を電解してオゾン水を生成するポータブル機器（電解オゾン水生成器）が一般消費者向けに販売されている。しかし、被処理水の水道水水質が、生成するオゾン水にどういった影響を及ぼすかについては明らかではない。本研究では、オゾン水の生成における水質への影響について基礎的な検討を行う。
低濃度イオン成分の評価と溶出手法の確立
製品のトラブル解析や品質確認など様々な試料からのイオン成分の溶出試験に関する相談が増加している。本研究では、低濃度イオン成分の評価手法の確立を目的とし、実験室内に簡易クリーンブースを導入して環境からの汚染の影響を低減し低濃度イオン成分の評価を可能にするとともに、試料に応じた溶出試験手法の確立を行う。
複合構造を持つ半導体光電極の分光感度特性
禁制帯幅の異なる２つの半導体をH2発生光触媒、及びO2発生光触媒として接合させた半導体光電極から、二段階励起型の水分解系の光触媒反応システムを創生し、電気化学特性評価から応答波長依存性を明らかとする。禁制帯幅の異なる半導体がヘテロ接合した構造は、光電変換デバイスにおいて高効率太陽電池を実現しており、光触媒でも(i)効率的な光吸収、(ii)光励起電荷の効率的な分離を可能なことから、光触媒効果を用いた光－化学エネルギー変換が期待される。
酸素濃淡電池腐食に関する研究
酸素濃淡電池腐食（別名 通気差腐食）とは，溶存酸素（DO）の濃度差が存在する水中に金属が浸っている場合，DO濃度が低い部分の金属の腐食が促進される現象である．この種の腐食の代表例は，pH緩衝性の無い中性環境中において鋼に発生するものである．酸素濃淡電池腐食は銅合金には発生しないとされており，その他の金属素材において発生するかどうかは明確には分かっていない部分も多い．そこで水中にDO濃度差を発生させる実験系を組み立て，鋼およびその他の実用金属材料を用いて，酸素濃淡電池腐食が発生するかどうか，また発生する場合の条件について調べる．得られた結果を将来の腐食トラブルに対応する際の情報源として役立てる．
腐食促進試験の定量的な評価方法の検討
塩水噴霧試験などの腐食促進試験の結果は目視により評価されることが多く、評価基準が主観的で、定性的である。より信頼性、再現性の高い評価を行うためには、客観的、定量的な方法、基準が必要となる。腐食の発生による色彩の変化に注目し、非破壊で実施可能な方法を用いた定量的な評価に関する検討を行う。
川崎技術支援部
光改質反応における基質前処理の影響
①背景：光触媒について、これまで環境浄化分野の相談・依頼が多かったが、その一方で、人工光合成分野に関する相談が年々増加傾向にある。
②目的：人工光合成分野に関する相談や依頼に対応できる試験体制を構築し、企業、大学等での研究、製品開発の一助となる。
③実験内容：光改質反応より有機性廃棄物から水素を生成するCdS光触媒をターゲットとして、材料、前処理の違いによる水素生成能および有機成分濃度を観測する。
次世代金属微細回路の作製および解析手法の確立
①5G向け通信機器の金属微細回路において、めっき膜の密着性、平滑性、及びそれらを解析する技術は重要な要素となっている。
②ダイレクトパターニングめっき技術を用いて次世代基板材料へ金属微細回路を作製し、電子顕微鏡による解析が困難とされる次世大材料の解析手法の確立を目指す。
③ダイレクトパターニングめっき技術を用いた次世代金属微細回路の作製、及び電子顕微鏡を用いた次世代金属微細回路の解析。
軽元素材料のイメージング技術の研究
①背景：カーボン材料、ホウ素系セラミックス、高分子のような軽元素を主成分とする材料は電子顕微鏡観察下ではコントラストが乏しく、金属などと比較すると視認性が低い。内部構造の観察を目的として材料を樹脂包埋した場合、視認性の低下はさらに顕著となり、包埋に用いた樹脂と材料の区別が付かなくなることもある。このような背景から当研究所では軽元素材料を電子顕微鏡観察下において鮮明にイメージングできる技術を開発した(特許出願中)。
②目的：本研究では、これまでイメージングが困難とされてきた軽元素材料の詳細な構造評価を行い、新たな材料解析手法を確立することを目的とする。
③実験内容：グラフェンナノプレートレット（GnP）、ホウ素系セラミックス、カーボン被覆材等へ開発した技術を応用して微構造と材料特性の関係を明らかにする。
ペロブスカイト太陽電池の光加速試験による耐久性評価
①背景：新型太陽電池の製品化において、稼働年数を明確にすることが望まれ、その方法の一つして高放射照度の光照射による光加速試験の検討が行われている。
②目的：ペロブスカイト太陽電池の光加速試験を行い、寿命予測の一助とする。
③実験内容：ペロブスカイト太陽電池の光加速試験を行いデータを蓄積する。
ペロブスカイト太陽電池の劣化解析基盤の構築
①背景：カーボンニュートラルに向けた社会情勢を受けて、次世代の太陽電池であるペロブスカイト太陽電池(PSC)が注目されている。しかし、PSCは耐久性に課題があり、水分、酸素、熱などが原因で発電性能の低下を引き起こす。本研究では、PSCデバイスの劣化機構を明らかにし、実用化に貢献する。
②目的：PSCの耐久性、劣化機構を明らかにする。
③実験内容：結晶シリコン太陽電池、三接合太陽電池、ペロブスカイト太陽電池について高照度下、温度変化での試験を実施し特性評価を行う。
ウィズコロナ時代に向けた抗ウィルス製品のスクリーニング法の研究開発
①背景：コロナ禍で、各種抗ウイルス製品の研究開発が盛んにおこなわれている。費用などのハードルが高い効ウイルス性能試験の代替となる評価法が求められている。
②目的：光触媒JIS試験などを用いた抗菌抗ウイルス性能スクリーニング試験方法を開発する。
③実験内容：各種性能試験と抗菌抗ウイルス性能試験を同じ試料に対して実施し、相関を確認してデータベースとすることで、セルフクリーニング性能試験を抗ウイルス製品の性能評価法として提案する。