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最近の研究成果

次世代トランジスタ 2018年12月4日発表

SiCを用いた次世代型トランジスタ構造を開発-トランジスタ効率の指標である通電時の抵抗を大幅に低減-

炭化ケイ素(SiC)半導体を用いた1.2 kV耐電圧(耐圧)クラスの縦型スーパージャンクション(SJ)MOSFETを開発し、SiCトランジスタの世界最小オン抵抗を達成した。また、開発したSJ-MOSFETは、実使用上重要な高温特性や動特性に優れていることを実証した。n型ピラーとp型ピラーの繰り返しからなるSJ構造はシリコン(Si)トランジスタではオン抵抗の低減効果が実証されているが、SiCトランジスタへの適用はSJ構造の作製が困難なため進んでいなかった。今回、産総研独自のSiCトランジスタの作製技術を応用してSJ構造を狭いピッチで制御良く形成することができた。これによりピッチが狭くオン抵抗が低いSJ構造のトレンチゲート型MOSFETが実現でき、1.2 kV耐圧クラスのSiC-MOSFETのオン抵抗を大幅に低減できた。今後SiCの適用が期待される電気自動車の電力システムの一層の小型化・高効率化や、新たな電力システムの創出への貢献が期待される。

今回開発した2タイプのSiCトレンチゲート型SJ-MOSFETの図

氷の再結晶化防止 2019年2月13日発表

氷の結晶化は極少量の抗凍結タンパク質(AFP)で止まる-氷の顕微鏡観察から必要な添加濃度を決定-

現在産業化が進められている魚類や菌類の抗凍結タンパク質(Antifreeze Protein、AFP)が、凍結物の品質や生命力を損なう「氷の再結晶化」を15~60 mg/Lという極めて低濃度で阻止できることを見いだした。氷は無数の単結晶氷(氷核)でできており、それらが成長と融合を繰り返して時間と共に大きな塊になる“氷の再結晶化”が起こる。AFPにはこの現象を止める能力(Ice Recrystallization Inhibition、 IRI活性)が認められていたが、その定量方法は確立されていなかった。今回、氷の再結晶化過程を観察できる光学顕微鏡システムを構築し複数種のAFPのIRI活性を定量する方法を発見した。最も低濃度(15 mg/L)でIRI活性を示すのは魚類Ⅱ型AFPであった。このAFPが氷結晶面の広範囲にわたって結合することも明らかになったが、それが強いIRI活性の理由と考えられる。

光学顕微鏡(左)で撮影した氷の経時変化 (右)

人工知能 2019年2月5日発表

工場での生産準備作業を効率化するAI技術を開発-三菱電機と産総研がFA分野へのAI活用で連携-

工場での生産前に必要となる、FA(ファクトリーオートメーション)機器の調整やプログラミングなどの生産準備作業を大幅に効率化するAI技術を開発しました。三菱電機のFA機器・システムに関する技術と産総研のAI技術との融合により、生産準備作業にかかる時間を短縮できます。今回の開発成果は、産総研の保有するAI技術が三菱電機との連携によりFA分野で有用となったものであり、今後、三菱電機のAI技術「Maisart®(マイサート)」のひとつとして、三菱電機のFA機器・システムに実装を進め、工場の生産性向上に大きく貢献します。

工場での生産準備作業を効率化するAI技術

半導体型カーボンナノチューブ 2019年2月7日発表

金属型/半導体型カーボンナノチューブ(CNT)を分離するメカニズムを解明-実用性能をもつ半導体型CNTの量産化への道-

カーボンナノチューブ(CNT)の半導体応用に必須の高純度半導体型CNTの製造基盤技術である電界誘起層形成法(ELF法)について、これまで詳細が不明であった金属型/半導体型CNTの分離メカニズムを解明した。これにより、ELF法によるCNTの高純度化への指針が得られ、より高効率のCNT分離が実現した。従来と比較して分離コストを9割以上削減することと、分離時間を半分に短縮することができた。今回、電気的性質の異なる金属型と半導体型CNTの水分散液中での帯電量が異なることを新たに見いだした。また、CNTの水分散液のpHや分散剤濃度といった環境がCNTの帯電量へ及ぼす影響を調べることで、ともに負に帯電している両タイプのCNTが、電界下で別の電極側へ移動するメカニズムが明らかとなった。負の帯電量の大きい半導体型CNTは電気泳動で、負の帯電量が小さい金属型CNTは、電気浸透流によって移動していた。今回の成果は、今後、分離されたCNTの高純度化や量産・安定供給できる分離装置の設計指針につながることが期待される。

電界下で金属型CNTと半導体型CNTが分離する概念図

ひずみセンサ 2019年2月14日発表

プラモデルのように組み立てる超薄型(5マイクロメートル)半導体ひずみセンサチップ-次世代型高性能フレキシブルデバイスの機械構造設計、精密組み立て技術-

厚さわずか5マイクロメートルの超薄型半導体ひずみセンサチップを、実装機と呼ばれる精密組み立て装置を用いて、プラモデルのパーツのように1つずつ切り離して回路上に配置配線する技術を開発した。従来の半導体センサチップは、300マイクロメートル以上と厚く硬いため、ダイシングソーと呼ばれるのこぎり歯のついた装置で切り、実装機で搬送していた。本開発のセンサチップは5マイクロメートルと極薄であり、従来法ではチップが破壊される問題があった。そのため、プラモデルのようにセンサと枠の間に切り離し部を設け、弱く押すだけで切り離して搬送できる機械構造設計と精密組み立て技術を開発した。特に、切り離し部分に力が集中し、センサや集積回路部分には力がかからない構造の設計方法を確立した。本研究成果により、5マイクロメートルという非常に薄く、曲げることができる半導体チップの製造、組み立てが可能となり、次世代高性能フレキシブルエレクトロニクス実現への貢献が期待される。

プラモデルのように組み立てる超薄型(5マイクロメートル)半導体ひずみセンサチップの図

桜島火山 2019年2月14日発表

桜島火山の大規模噴火に共通の前駆過程を発見-マグマはごく浅部から噴出-

鹿児島県の桜島火山において有史に発生した三度の大規模噴火(1471年、1779年、1914年)において、爆発的噴火を引き起こしたマグマが、噴火の直前には、火山体直下の極めて浅い領域(深さ1~3 km)に蓄積されていたことを突き止めました。従来の想定では、鹿児島湾北部の姶良カルデラの下、深さ約10 km付近に存在するマグマ溜まりからマグマが上昇してくると考えられていたため、この想定よりも大幅に浅い領域からマグマが上昇してきたことになります。本研究の結果は、有史の3回の大規模噴火と同程度の噴火が、将来もう一度、同様の前駆過程を経て起こると仮定した場合、噴火に先立って浅部へのマグマの大規模な供給が起こることが予想されるとともに、浅部の火道に充填されたマグマが上昇を開始すると、ごく短時間のうちに地表に到達して噴火が開始する可能性があることを示しています。

桜島山頂の火口から桜島直下のマグマ溜まりにかけての拡大図

スピントロニクス 2019年2月12日発表

超高速・超指向性・完全無散逸の3拍子がそろった理想スピン流の創発と制御-『弱い』トポロジカル絶縁体の世界初の実証に成功-

擬一次元の結晶構造を持つビスマスヨウ化物β-Bi4I4(Bi:ビスマス、I:ヨウ素)において、「弱い」トポロジカル絶縁体相を世界で初めて観測しました。さらに、室温近傍で結晶の冷却速度を制御する事により、通常絶縁体からトポロジカル絶縁相へと転移させ、これに伴うスピン流のON/OFF制御を実証しました。情報集積の行き詰まる「エレクトロニクス」に代わり、情報爆発に対する救世主と目されているのが「スピントロニクス」です。その理想的な条件は、限りなく速い速度で(超高速)、レーザーのごとく直進し(超指向性)、情報を失うことなく伝達する(完全無散逸)、スピン流です。それを実現すると理論的に予想されていたのが「弱い」トポロジカル絶縁体ですが、これまで未発見でした。本研究では、スピントロニクス応用に向けて熱望されている理想スピン流を創発する「弱い」トポロジカル絶縁体を世界で初めて実証・観測しました。これによりレーザー照射で情報を可逆的に書き換えが可能なDVDの「スピントロニクス」版も可能であり、トポロジカル物性の真髄とも言える無散逸スピン伝導を利用した次世代のスピントロニクス技術に新展開をもたらすことが考えられます。

今回作製した高性能複合断熱材のロール(幅400mm×長さ30m×厚さ2mm)

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国立研究開発法人産業技術総合研究所