2021年版 次世代機能性薄膜の現状と展望

無機材料・有機材料など材料の種類に関わりなく膜厚を数nm~数100nm程度の非常に薄い膜にするとバルク材料とは異なる構造・物性を示す場合があることは既知であるが、より精密な組織制御や異種材料の組み合わせ、さらにはこれまで全く想像できなかったような新たなナノ構造の組織を有する薄膜など、さまざまな次世代チャレンジが進められている。
本レポートでは市場化を見据える中で有望な機能性薄膜にフォーカスし、それに関する技術研究的な取り組みを進めている企業や研究機関に対し現在動向と今後の施策などを調査することで、当該領域を概観し、今後の展望をすることを目的とする。

発刊日
2021/06/25
体裁
A4 / 261頁
資料コード
C63104500
PDFサイズ
35.8MB
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調査資料詳細データ

調査概要
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調査目的:次世代機能性薄膜として下記 7 区分に関する技術研究的な取り組みを進めている企業や研究機関に対し、現在動向と今後の施策などを調査することで、当該領域を概観し、今後の展望をすることを目的とする。
調査対象区分:電気・電子機能薄膜、光機能薄膜、物理・化学機能薄膜、セラミックス機能薄膜、有機機能薄膜、バイオ機能薄膜、環境・エネルギー機能薄膜
対象企業、研究機関:上記対象品目関連の技術研究機関を中心に、一部生産販売、または取り扱う企業を含める
調査方法:専門調査員による直接面談取材による
調査期間:2020年8月~2021年3月
※月刊誌「Yano E plus」(2020年10月号~2021年4月号)での関連特集をベースに編集、市場数値なども抜粋

資料ポイント
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薄膜への様々なチャレンジ、次代を創る

  • 電気・電子:異種材料薄膜やナノ構造組織薄膜の創製で、新奇な機能発現が期待
  • 光:格段に性能の優れた有機薄膜太陽電池や光触媒薄膜などが脚光を浴びる
  • 物理・化学:物質の界面は特異な性質を持ち、様々な機能性薄膜材料が誕生
  • セラミックス:低次元材料デバイス構築により、新奇機能発現の試み
  • 有機:有機EL/FET/熱電素子/メモリーなどの幅広い用途における技術が進展
  • バイオ:AI・ITと融合することでさらに大きな飛躍が期待
  • 環境・エネルギー: デバイスの成否を握る材料開発が注目

資料概要
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物理・化学機能薄膜世界市場に関する調査を実施(2021年)
2020年の物理・化学機能薄膜世界市場規模は1,413億円の見込
~次世代機能性薄膜の一つである物理・化学機能薄膜は、超撥水性やガスバリア性、水分離、超親水性などの機能を発揮~

リサーチ内容

調査結果のポイント

 
1.次世代機能性薄膜とは
2.市場動向
  図・表.次世代機能性薄膜の国内およびWW市場規模予測(金額:2020-2030年予測)
  図・表.次世代機能性薄膜の機能別国内市場規模予測(金額:2020-2030年予測)
  図・表.次世代高機能薄膜の機能別WW市場規模予測(金額:2020-2030年予測)
3.各機能性薄膜の概要
 

第1章 電気・電子機能薄膜

 
従来にない異種材料を組み合わせた薄膜や、新たなナノ構造組織を有する薄膜などの創製によって、新奇な機能発現が期待される
 
1.注目される次世代電気・電子機能薄膜
  1-1.半導体薄膜
  1-2.磁性薄膜
  1-3.誘電体薄膜
  1-4.超伝導薄膜
2.次世代電気・電子機能薄膜の市場規模推移と予測
  図・表.次世代電気・電子機能薄膜の国内およびWW市場規模予測(金額:2020-2030年予測)
  図・表.次世代電気・電子機能薄膜の分類別WW市場規模予測(金額:2020-2030年予測)
3.次世代電気・電子機能薄膜に関連する企業・研究機関の取組動向
  3-1.国立大学法人大阪大学
    (1)フレキシブルデバイスを用いた生体信号・微小信号計測センサーの開発
    図.電極を印刷したシート型のセンサー
    図.様々な生体活動電位
    (2)妊婦・胎児の先進的見守りシステム
    図.胎児心電図解析アルゴリズム
    (3)脳活動計測システム・パッチ式脳波計(EEG)
    図.装着するシート型センサー
  3-2.国立大学法人神戸大学
    (1)優れた性能を有する有機強誘電体材料の活用
    図.電気双極子に由来する強誘電体の機能性
    (2)焦電型赤外線センサー
    図.誘電体の機能とそれに基づく有機強誘電体フィルムの事例
    (3)有機赤外線センサーを用いた人の流れ検知
    図.電型赤外線センサーモジュール
    図.駅ビルにおける人流ビッグデータの収集データ
    (4)有機強誘電体薄膜を用いた応力測定とスマートインソール応用
    図.靴底に取り付けられた有機圧電センサーと小型無線ユニット
  3-3.国立大学法人東京工業大学
    図.FeSe薄膜の結晶構造の模式図
    図.(a)独立駆動4探針電気抵抗測定装置(b)実際の電気伝導測定中の試料と探針の拡大画像
    図.FeSe超薄膜(厚さ:単層、3層、5層)の電気抵抗の温度依存性
  3-4.国立大学法人東京大学
    (1)量子凝縮とは
    図.量子凝縮現象を説明した模式図
    (2)銅酸化物系あるいは鉄系高温超伝導体
    (3)鉄系高温超伝導体エピタキシャル薄膜の研究
    図.PLD製膜装置によって形成されたFeSe1-xTex薄膜
    図.酸化物基板上に作製したFeSe1-xTex薄膜の電気抵抗率の温度依存性
    図.酸化物基板上に作製したFeSe1-xTex薄膜の断面TEM像
    図.系鉄カルコゲナイドの温度-抵抗曲線
  3-5.国立大学法人東北大学
    図.共役高分子ポリジアセチレンナノファイバーの配向薄膜と銀ナノ粒子の堆積薄膜から構成される
    サンドイッチ型ハイブリッドナノ薄膜の構成図
  3-6.国立大学法人名古屋大学
    図.トランジスターの発展と次世代トランジスター
    図.歪導入や組成変化によってバンド構造が間接遷移型(左)から直接遷移型(右)に変化する
    図.格子整合系の活用による高Sn組成のGeSnヘテロエピタキシャル成長の可能性
    図.InP基板上に形成されたGe0.73SnSn0.27エピタキシャル層のXRD 2次元逆格子空間マップ(左)および断面TEM像(右)
  3-7.国立大学法人奈良先端科学技術大学院大学
    (1)薄膜トランジスター
    図.光支援プロセス後のすべての溶液処理a-IZO TFTの導電率向上メカニズム
    (2)パワーエレクトロニクス
    図.各試料におけるJ-E特性およびデバイス構造
  3-8.国立大学法人北海道大学
    図.rCoOxの結晶構造:ブラウンミラライト構造(左)とペロブスカイト
    構造(右)で可逆的に変化する
    図.酸化度合を変化させたSrCoOx薄膜試料の作製
    図.酸化度合の異なるSrCoOx薄膜の熱電特性
    図.酸化度合の異なるSrCoOx薄膜の導電性AFM像
4.次世代電気・電子機能薄膜の新たな可能性
 

第2章 光機能薄膜

 
次世代光機能薄膜として、従来より格段に性能の優れた有機薄膜太陽電池や光触媒薄膜などが脚光を浴びている
 
1.注目される次世代光機能薄膜の事例
  1-1.有機薄膜太陽電池(OPV)
  1-2.光触媒薄膜
  1-3.有機薄膜レーザー
  1-4.その他の光電変換素子
  1-5.光メモリー薄膜
2.次世代光機能薄膜の市場規模予測
  図・表.次世代光機能薄膜の国内およびWW市場規模予測(金額:2020-2030年予測)
  図・表.次世代光機能薄膜の機能別WW市場規模予測(金額:2020-2030年予測)
3.次世代光機能薄膜に関連する企業・研究機関の取組動向
  3-1.学校法人工学院大学
    (1)分子プレカーサー法
    図.分子プレカーサー法の原理を示した模式図
    図.分子プレカーサー法による薄膜形成プロセスの典型的なフロー
    (2)分子プレカーサー法で形成した高い光触媒活性をもつアナターゼ薄膜
    (3)分子プレカーサー法で作製した透明薄膜リチウムイオン電池
    図.透明薄膜LIBのセルの構成と組み立ての模式図
    図.電源を用いた透明薄膜LIBの充電反応
    図.光を用いた透明薄膜LIBの充電反応
  3-2.学校法人中部大学
    (1)CeO2-PTFEハイブリッド多機能膜の開発と応用
    図.開発した樹脂製窓材の断面構造イメージ
    図.CeO2-PTFE膜の表面硬度データ 
  3-3.国立大学法人東京工業大学
    (1)酸素とフッ素を構成元素に含む可視光応答型の光触媒および水分解光電極
    図.Pb2Ti2O5.4F1.2の結晶構造(左)と光吸収特性(右)
    図.可視光応答型光電極による水分解
    (2)酸化チタンと水酸化コバルトを組み合わせた可視光駆動型水分解電極
    図.酸化チタンと水酸化コバルトからなる複合材料を用いた可視光照射下での
    光電気化学的水分解の模式図(左)と可視光吸収能(右)
  3-4.国立大学法人東京大学(1)
    (1)光触媒微粒子
    ①Al-doped SrTiO3(Al:SrTiO3)
    図.外部量子収率96%の光触媒の構造
    ②Y2Ti2S2O5
    (2)光触媒シート
    図.粒子転写法による水分解用光触媒シートの作製方法
    (3)水分解用光触媒パネル
    図.水分解用光触媒パネルの構造(左)と1m×1mの反応器(右)
    (4)水素製造パイロットプラント
    図.水素+化学エネルギー製造プラント予想図(25km2)
  3-5.国立大学法人東京大学(2)
    (1)ツイスト2層グラフェンの電子状態
    図.2層グラフェンがねじれてできた準結晶状態
    図.準結晶状態の複数バンド構造
    図.パルスレーザー光励起時間分解光電子分光装置の模式図 [2]
    図.2層グラフェンの層間における電荷移動
    図.ハニカム格子を積層してねじった場合に形成されるモアレパターン例
    (a)基板の蜂の巣格子(ハニカム格子)、(b)被覆層の巣格子格子(ハニカム格子)、
    (c) 2つの格子(a,b)の間に3.5度の回転角(ツイスト角) を加えた場合、
    (d)被覆層(b)の格子を5%縮めた場合、( e) (c)を広い面積で見たもの、
    (f) (d)を広い面積で見たもの [2]
  3-6.国立大学法人東北大学
    図.MnTe化合物で観察される変位型相変態による可逆的な結晶多形変化
    図.MnTe化合物を電極で挟み込んだメモリー素子に観察された
    可逆的な電気抵抗スイッチング現象とレーザー加熱による光学反射率変化
  3-7.国立大学法人横浜国立大学
    (1)新規光表面レリーフ形成材料の創製と機能化
    図.アゾベンゼンの異性体とその相互変換
    図.表面レリーフの可逆的形成の模式図
    図.可逆的な表面レリーフ形成
  3-8.国立研究開発法人理化学研究所
    (1)アルミニウムのナノ構造体で「色」を作る
    図.「色」を作り出すメタマテリアルの構造 
    a (i)目的のメタマテリアル構造 (ii)実際のできあがったメタマテリアルの電子顕微鏡写真
    スケール:D=260nm、P=440nm、G=180nm
    図.開発したメタマテリアルで作製した理研のロゴマーク 
    (左)理研ロゴの元画像、(中)メタマテリアルで作製した理研ロゴの光学顕微鏡写真、
    (右)中の電子顕微鏡写真
    図.開発したメタマテリアルで作製したカラーチャート
    (左)Al薄膜を塗布する前の光学顕微鏡写真(右)Al薄膜の塗布後
    図.赤・緑・青のメタマテリアルの混合で実現できる黒色 
    (a)赤・緑・青の各色を出すメタマテリアルの反射スペクトル 
    (b) (c)のメタマテリアルの反射スペクトル (c) (a)の各色を出すメタマテリアルを集積して
    黒色になるようにしたパターンの電子顕微鏡写真
4.光機能薄膜技術は次世代光フォトニクスの基盤技術を開拓する
 

第3章 物理・化学機能薄膜

 
物質の界面は、特異な性質を持っており、その物理・化学的性質を活かした様々な機能性薄膜材料が生まれている
 
1.特異な性質を有する界面
2.注目される次世代物理・化学機能薄膜
  2-1.超撥水性薄膜
  2-2.超親水性薄膜
  2-3.抗菌性薄膜
  2-4.ガスバリア性薄膜
  2-5.水分離薄膜
3.次世代物理・化学機能薄膜の市場規模予測
  図・表.次世代物理・化学機能薄膜の国内およびWW市場規模予測(金額:2020-2030年予測)
  図・表.次世代物理・化学機能薄膜の機能別WW市場規模予測(金額:2020-2030年予測)
4.次世代物理・化学機能薄膜に関連する企業・研究機関の取組動向
  4-1.学校法人工学院大学
    図.Wenzelモデル(上)とCassieモデル(下)
    図.透明超撥水表面の実験フローチャート
    図.真球の細密構造の凹凸を持つ逆オパール構造モデル
    図.作製した逆オパール構造 (上)表面SEM像、(下)断面SEM像
  4-2.国立研究開発法人産業技術総合研究所(産総研)
    (1)親油性なのに油がよく滑るLiquid-like表面
    図.各種基板表面に噴霧した油滴(着色したn-ヘキサデカン)の様子 
    (a)今回開発した技術による表面処理 (b)有機シランのみの表面処理 
    (c)パーフルオロアルキルシラン表面処理 (d)フッ素樹脂板
    ((a)~(c)はガラス基板を使用各基板は60°傾斜、噴霧後30秒経過)
    (2)親水性なのに水がよく滑るLiquid-like表面
    (3)着氷防止機能のあるLiquid表面
    図.(a)開発した離しょうゲルと離しょうしない撥液成分を含むゲルの表面の様子 
    (b)離しょうゲルの撥液性の様子(各試料は約20°に傾斜 
    (I)および(II)はそれぞれマヨネーズとソースの滴下位置) (c)撥液機構の模式図
    (4)表面のぬれ性をテーラーメイドで制御できる表面処理技術
    図.(a)今回開発した重合開始層の形成技術の概要 (b)重合開始層を形成した各種基板
    (c)roll-to-roll方式塗工により重合開始層を形成したPETフィルムのロール(40 cm×100m)
    図.(a)今回使用したモノマーの構造式と今回開発したポリマーブラシ作製技術の概要
    (b)Paint-on法によるDMAEMAポリマーブラシ作製前後のPETフィルム外観、透明性および水滴接触角
  4-3.学校法人東京工科大学
    (1)高機能性薄膜の電気化学的創製
    ①シリコンオキシナイトライド薄膜
    図.室温における電気化学的SiON薄膜形成のための装置の模式図
    ②酸窒化タンタル薄膜
    ③フッ素ドープした酸化チタン薄膜
    図.TiOx基の複合アニオン化合物層
  4-4.国立大学法人東京工業大学
    (1)撥水性と抗菌・抗ウイルス活性を併せ持つ革新的複合酸化物の創製
    図.LMOの作製フロー
    図.LMOの撥水性能
    図.LMOの抗菌性能
    図.LMOの抗ウイルス性能
  4-5.国立大学法人長岡技術科学大学
    図.プラズマCVD装置の模式図
    図.マイクロ波プラズマ発生中のAr放電の様子
    図.アモルファスCN膜の形成過程
  4-6.ナスクナノテクノロジー株式会社
    図.メディカルナノコートのウイルス不活性化メカニズム
    図.従来の抗ウイルスコーティング(左)とメディカルナノコート(右)の表面状態の違い
    図.抗ウイルス性能評価試験(JIS R 1765)の結果
  4-7.国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)(1)
    (1)分子膜の界面科学および分子マシンへの応用
    図.巨視的な機械的運動による分子の放出(左)と捕獲(右)の様子
    (2)マクロスケール力を適用したアミノ酸のキラリティー識別
    図.機械的な分子のねじれを通したアミノ酸の分子制御
    (3)液液界面に生じるしなやかなタンパク質ナノ薄膜
    図.しなやかな液液界面が実現する間葉系幹細胞の神経分化誘導
  4-8.国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)(2)
    図.多孔性カーボン膜を模式的に示した断面図
    図.アゾベンゼンとトルエンの分離(左)、ジベンゾチオフェンの除去率(右)
    図.多孔性カーボン膜
    図.プラズマCVD装置(左)と連続キャスティング装置(右)
5.薄膜に期待される効果
 

第4章 セラミックス機能薄膜

 
結晶粒子を配向制御した薄膜セラミックスの製造技術や、2次元配向膜の性質を使用した低次元材料デバイス構築により、新奇機能発現の試みがなされている
 
1.次世代セラミックス機能薄膜の課題
2.セラミックス薄膜でどんな機能が付与されるのか
  2-1.電子機能性
  2-2.超伝導性
3.注目されるセラミックス機能薄膜の作製方法
  3-1.気相合成法
  3-2.ゾルゲル法
  3-3.化学溶液法
4.次世代セラミックス機能薄膜の市場規模予測
    図・表.次世代セラミックス機能薄膜の国内およびWW市場規模予測
    (金額:2020-2030年予測)
    図・表.次世代セラミックス機能薄膜の機能別WW市場規模予測
    (金額:2020-2030年予測)
5.次世代セラミックス機能薄膜に関連する企業・研究機関の取組動向
  5-1.国立大学法人大阪大学
    (1)「塗って焼くだけ」で、ナノ材料を基板に直接成長させる技術
    図.(a)ガスセンサー素子の外観  (b)ガラス基板上に成長したひげ状の
    MoO3ナナノ粒子のSEM像
    図.各種長さを制御したMoO3ナナノロッドの断面SEM像
    (a)約70nm、(b)約200nm、(c)約500nm、(d)約600 nm
    図.MoO3ナノロッドアレイガスセンサー特性測定装置の概略図
    (2)「塗るだけ」で、セラミックス超薄膜をコーティングする技術
    図.有機太陽電池の写真とのセル構造の概念図(左)および
    光照射中非照射時における電流密度電圧(JV)特性(右)
    (3)「塗って焼かない」で、多孔質セラミックスをプラスチック基板へ
    コーティングする技術
    図.プラスチック基板へ成膜されたナノ構造多孔体酸化チタン薄膜(TiOx)
    図.成膜されたナノ構造多孔体酸化チタン薄膜(TiOx)の外観(上)
    表面SEM像(下)、aとbは異なるナノ構造多孔体
    図.高強度光焼成装置の概念図 (左)光照射前(右)光照射中
    図.成膜されたナノ構造多孔体酸化チタン薄膜(TiOx)のSEM像
    (左)加熱焼成後、(右)光焼成後、(上)表面像、(下)断面像
  5-2.国立大学法人岡山大学
    (1)酸化鉄系磁性半導体薄膜材料[1][2]
    図.Fe2-xTixO3固溶体薄膜のTEM写真(左)と磁化曲線(右)
    (2)電子強誘電体YbFe2O4薄膜のエピタキシャル成長と評価[3][4]
    図.エピタキシャルYbFe2O4薄膜作製のフローチャート
    図.YbFe2O4薄膜の測定結果(左上からXRD、断面TEM像、電子回折像、正極点測定)
    (3)酸化鉄系高周波磁性体薄膜材料[5]
    図.酸化鉄系高周波磁性体薄膜材料の開発フロー
  5-3.学校法人関西大学
    (1)新しい成膜プロセスの開発
    ~プラスチックス表面にセラミックス薄膜を作製する技術~
    図.ゾルゲル法の概略
    図.転写プロセスのフロー
    図.ポリカーボネート基板上に作製したITO薄膜の表面SEM像(a)、
    表面SPM像(b)、(c)FIB加工によって作製した断面のSEM像
    図.プラスチック基板上にパターン化されたセラミックス薄膜の作製フロー
    図.ポリカーボネート基板上に作製したリボン状のITO薄膜のSEM像(左)
    ITO/PCの2種類のセラミックリボンが交互に並んだパターン(右)
    (2)ゾルゲル法によって作製されるセラミックス薄膜の内部応力に関する研究
    図.コーティング膜の昇温過程と降温過程における面内応力変化の模式図
    図.焼成温度と残留応力の関係:TiO2(左)、SiO2(中)、YSZ(右)
  5-4.国立大学法人東北大学(1)
    (1)黒色で意匠性が高く、かつ電気を流さないセラミックス薄膜の開発
    図.黒いのに電気を流さないセラミックス薄膜の外観と電子顕微鏡写真
    図.(a)従来型 (b)高デザイン性のタッチパネル
    図.PLD装置の模式図
    図.開発したAg-Fe2O3複合膜とカーボンの可視光吸収スペクトル
  5-5.国立大学法人東北大学(2)
    (1)ランタン酸化物の超伝導体化メカニズムを解明
    図.高温超伝導体の母物質La2CuO4(左)
    本研究で扱ったLaOエピタキシャル薄膜(右)の結晶構造
    図.YAlO3(110)基板上とLaAlO3(001)基板上に成長したLaO薄膜の電気抵抗率の温度依存性
    (2)室温透明強磁性半導体(Ti,Co)O2の制御
    図.自己バッファーによる薄膜結晶の高品質化(左)と
    (Ti,Co)O2薄膜の微細磁気構造(右)
    (3)異常原子価を持つR2O2Biの新規合成法
    図.固相エピタキシーによるY2O2Biの合成
  5-6.国立大学法人名古屋大学
    (1)圧電体ナノロッドアレイを用いた環境振動発電素子
    図.PZTナノロッドの密度(A/A0)が実効的なFOM33と出力パワーに及ぼす影響
    図.PZT薄膜およびナノロッドの SEM像 (左)PZT薄膜、
    (右)PZTナノロッド、(上)表面像、(下)断面像
    (2)エピタキシャル強誘電体薄膜の電気光学特性
    図.(a)透過型の電界変調型エリプソメトリー装置の模式図、
    (b)偏光状態の変化の様子
  5-7.国立大学法人横浜国立大学
    図.常温緻密化蛍光体粒子分散酸化マグネシウムセラミックスの外観
    図.酸化マグネシウムセラミックスの破面 (左)静水圧プレス前、
    図.静水圧プレスした酸化マグネシウムセラミックスのEDX分析結果 
    (左)STEM像、(中)Oマッピング結果、(右)Mgマッピング結果
6.セラミックス機能薄膜技術の将来展望
 

第5章 有機機能薄膜

 
柔らかくフレキシブルな有機薄膜の特長を活かして、有機EL/FET/ 熱電素子/
メモリーなどの幅広い用途における技術が進展している
 
1.注目される次世代有機機能薄膜
2.典型的な次世代有機機能薄膜
  2-1.有機薄膜太陽電池(OPV)
  2-2.有機電界効果トランジスター(OFET)
  2-3.自己修復性ポリマー
  2-4.超分子ポリマー
3.次世代有機機能薄膜の市場規模予測
  図・表.次世代有機機能薄膜の国内およびWW市場規模予測(金額:2020-2030年予測)
  図・表.次世代有機機能薄膜の機能別WW市場規模予測(金額:2020-2030年予測)
4.次世代高分子機能材料に関連する企業・研究機関の取組動向
  4-1.国立大学法人大阪大学
    (1)n型有機半導体の開発
    図.新規含フッ素アクセプターユニット(左) 
    これを含むn型半導体材料の構造(右)
    図.FNTzを組み込んだn型半導体材料を用いたOPVの特性
    (2)被覆ユニットを応用した新しいOPV
    図.被覆効果を有する単分子導線
    図.単分子導線から得られた太陽電池アクセプター材料
    図.単分子導線アクセプター材料から得られたOPVの電流-電圧特性
    (3)今後の構想
  4-2.国立大学法人熊本大学
    (1)溶液中における固液界面における2次元自己組織化
    図.基板-分子相互作用の強弱と表面における分子構造の模式図
    (2)分子間水素結合に由来した2次元ネットワーク構造
    図.トリメシン酸(TMA)とメレムから自発形成した水素結合由来2次元パターン構造
    (3)固液界面を反応場とした共有結合性2次元ポリマー構築
    図.(上)固液界面を反応場とした共有結合性自己組織化構造形成の模式図
    (下)自己組織的に形成した直線状、2次元ネットワーク状ポリマーのSTM像
    (4)化学液相成長~1・2次元構造から3次元構造へ~
    図.化学液相成長により形成した有機ポリマー薄膜のAFM像と
    薄膜の反射UV-vis吸収スペクトル
    図.化学液相成長有機ポリマー薄膜の多様な形態の例(ナノウォール構造)
  4-3.国立大学法人東京大学(1)
    図.MOFを鋳型として使うことで、1分子厚の高分子シートを大量合成した研究の概念図
    図.今回の研究の概念を分子レベルで説明した模式図
    図.得られた高分子シートの構造を示すAFM観察結果
  4-4.国立大学法人東京大学(2)
    (1)イオンで電子を制御して金属性高分子を実現
    図.(a)一般的なイオン交換の原理
    (b)今回の研究で発見された高分子半導体におけるイオン交換ドーピングの原理
    (2)高分子半導体における分子ドーピングと立体障害の相関を解明
    図.隙間のサイズを制御した結晶性高分子半導体PNDTBT-4C16と
    PNDTBT-C20の化学構造と分子集合体の模式図
  4-5.国立大学法人 東海国立大学機構 名古屋大学
    図.電解質ゲート法による電荷注入の模式図(S、D、Gは電極)
    図.ペルチェ素子を用いたゼーベック係数の計測システムと用いた高分子(PBTTT)
    及び電解質[DEME][TFSI]の化学構造
    図.(左)熱電材料の性能を示すゼーベック係数(上)と発電性能(下)の
    電気伝導率依存性 (右)電気伝導率(σ)の温度依存性
    図.高分子半導体材料のドメイン構造と分子構造の関係
    図.高分子薄膜の構造模式図と理論計算された分子構造
  4-6.国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)
    (1)なぜ高分子材料を用いた有機薄膜デバイスが望まれるのか
    図.低分子材料(左)と高分子材料(右)を用いて作製した有機EL構造の例
    (2)高分子合成の進展
    図.高分子合成の進展とコストの関係
    (3)有機薄膜太陽電池の開発
    図.高分子の末端欠陥とOPVの光電変換特性の関係
    (4)有機ELの開発
    図.C-H/C-H脱水素型クロスカップリング反応による高分子の合成概略図
  4-7.国立大学法人山形大学
    (1)ウェアラブルデバイスに応用可能な高伸縮性半導体高分子の開発
    図.半導体高分子鎖とエラストマー鎖からなる伸縮性半導体高分子の事例
    (2)低環境負荷な高分子半導体の合成プロセス
    図.遷移金属とハロゲンを用いない環境低負荷型重合系による
    半導体高分子の合成プロセス
5.極限の厚みに到達しつつある有機超薄膜の世界
 

第6章 バイオ機能薄膜

 
バイオテクノロジー革命により、バイオ医薬品、遺伝子治療などに
新風がもたらされている。AI・ITと融合することでさらに大きな飛躍が期待される
 
1.次世代バイオ機能薄膜とは
2.注目される次世代バイオ技術
  2-1.バイオセンサー
  2-2.バイオミメティック技術
  2-3.システムバイオロジー
  2-4.バイオインターフェイス
3.次世代バイオ機能薄膜の市場規模予測
  図・表.次世代バイオ機能薄膜の国内およびWW市場規模予測(金額:2020-2030年予測)
  図・表.次世代バイオ機能薄膜の機能別WW市場規模予測(金額:2020-2030年予測)
4.次世代バイオ機能薄膜に関連する企業・研究機関の取組動向
  4-1.国立大学法人九州工業大学
    (1)単一ニューロン解析デバイス
    図.単一ニューロン解析デバイスの概要図(左)とSEM写真(右)
    図.単一ニューロン(緑:明るく見える部分)とシナプス
    (赤:やや暗く見える部分)の蛍光画像
    (2)細胞外電位計測デバイス
    図.微小電極付きSiN多孔膜を挟んだ共培養の概要図
    図.細胞外電位計測デバイスの概略図
    図.細胞外電位計測デバイスの実物写真
  4-2.国立研究開発法人産業技術総合研究所(産総研)
    (1)過飽和液中レーザー照射法によるリン酸カルシウム(CaP)成膜
    図.過飽和液中レーザー照射法の模式図(上)と照射後の基材
    (エチレン-ビニルアルコール共重合体)表面の光学顕微鏡像(右下)
    およびSEM像(左下)
    図.フッ素添加CaP過飽和溶液中でのレーザー照射前(左)および
    照射後(右)の焼結水酸アパタイト基材表面のSEM像(文献[2]より改変)
    (2)ヒト象牙質基材へのフッ素担持アパタイト成膜
    図.フッ素添加CaP過飽和溶液中でのレーザー照射前および
    照射1、5、30分後のヒト象牙質基材表層の断面分析結果
    (上段:TEM像、中段:HAADF像、下段:フッ素の分布を示す走査TEM-EDX像)
    (文献[3]より改変)
    図.フッ素添加CaP過飽和溶液中でのレーザー照射30分後の
    ヒト象牙質基材表層の断面TEM像(上)およびSAEDパターン(下段)
    (文献[3]より改変)
  4-3.国立大学法人東京医科歯科大学
    (1)バイオトランジスターを用いたDNAシーケンシング解析
    図.バイオトランジスターの構成
    (2)リアルタイムDNA増幅検出の研究
    図.パターン化されたAu薄膜電極上のプローブを用いた
    マイクロRNA検出の模式図
  4-4.国立大学法人東京工業大学(1)
    (1)高分子ナノシートの特性と製造方法
    図.高分子ナノシートの接着力と厚みとの関係
    図.高分子ナノシートの製造方法。コーティングマシンの外観(左上)、
    Roll-to-Rollプロセスの模式図(右上)、成形したナノシートの模式図(下)
    (2)糊なしで接着できるナノ絆創膏
    図.ナノ絆創膏を用いた例(矢印の色の濃い部分にナノ絆創膏が貼ってある)
    (3)電子ナノ絆創膏
    図.電子ナノ絆創膏を生体に貼り付けた例
    (4)ウェアラブル筋電計測デバイスのスポーツへの応用
    図.ハイスピードカメラを用いた投球モーションと表面筋電位の同期測定
    (5)生体組織接着用インプランタブル発光デバイスとしての応用
    図.(a)PDA-PDMSナノシートとPDMSナノシートでNFC-LEDチップを
    挟み込んだ組織接着性無線発光デバイスの模式図 (b)NFC-LEDチップの拡大写真 
    (c)緑(左側)・赤色(右側)の組織接着性無線発光デバイス
  4-5.国立大学法人東京工業大学(2)
    (1)バイオマテリアルにおける材料設計手法
    図.Au-チオール系自己組織化単分子膜(SAM)の模式図
    (2)機械学習で生体分子の吸着を予測し、材料を高速スクリーニングする手法
    図.人工ニューラルネットワークを用いた機械学習の概略図
    図.機械学習を用いた水の接触角とタンパク質吸着量の実験値と予測値の比較
  4-6.国立大学法人東京大学
    (1)生体ゆらぎに学ぶ超低消費電力を実現する次世代AIデバイス
    図.ニューロシステム(左)とスピングラス(右)の記憶機能対比
    図.ノイズ印加とSN比の関係
    (2)スピン波量子干渉による超高感度磁気センサー
    図.電荷+スピン(左)とスピン波(右)の対比
    (3)超高感度ウェアラブル生体ガスセンサー
    図.ウェアラブル体ガスセンサー 
    (上)モジュール外観 (中)センシング部分のSEM写真 (下)センサー部分の外観
  4-7.国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)
    (1)生体模倣型足場材料の創出
    (2)生体組織再生のための複合多孔質足場材料の開発
    (3)細胞機能を制御するマイクロパターン化材料の開発
    (4)細胞機能を制御するナノ微小環境材料の創出
  4-8.学校法人早稲田大学
    (1)FETバイオセンサー
    図.典型的なFETバイオセンサーの模式図
    (2)タンパク質固定化センサー
    (3)低分子固定化センサー
    (4)糖鎖固定化センサー
    (5)DNA固定化センサー
    (6)FETバイオセンサーのアプリケーション
    図.FETバイオセンサーのアプリケーション事例
5.次世代バイオ機能薄膜の将来展望
 

第7章 環境・エネルギー機能薄膜

 
エネルギーフローにおいてデバイスの成否を握る二次電池、燃料電池、
太陽電池、熱電変換素子等に関わる材料開発が注目されている
 
1.次世代環境・エネルギー機能薄膜とは
2.次世代環境・エネルギー機能薄膜の主要ラインナップ
  2-1.二次電池
  2-2.燃料電池
  2-3.太陽電池
  2-4.熱電変換素子
3.次世代環境・エネルギー機能薄膜の市場規模予測
    図・表.次世代環境・エネルギー機能薄膜の国内およびWW市場規模予測
    図・表.次世代環境・エネルギー機能薄膜の分類別WW市場規模予測
    (金額:2020-2030年予測)
4.次世代環境・エネルギー機能薄膜に関連する企業・研究機関の取組動向
  4-1.国立大学法人九州大学
    (1)グラフェンに注目する理由
    (2)超高品質な単層グラフェンの合成と成長機構
    図.超高品質単層グラフェンのCVDプロセスと従来の合成法との違い
    図.Cu(111)面上に成長したグラフェンのモデル図
    図.グラフェンを用いたトランジスター
    (3)二層グラフェンの作製と物性
    図.AB積層二層グラフェンの選択成長機構と転写した二層グラフェンの写真
    図.二層グラフェンへのインターカレーション
    (4)2次元原子薄膜の創製と新エネルギー・エレクトロニクス応用
    図.2次元絶縁物質として期待される多層h-BNの構造と断面電子顕微鏡写真
    図.様々なキャリア移動度とバンドギャップを持つ2次元原子薄膜
    (5)2次元原子膜の積層・面内ヘテロ構造の創出と新機能探索
    図.ファンデルワールス力に基づく全く新しいヘテロ積層物質の
    創製とインターカレーションの融合のイメージ
  4-2.国立研究開発法人産業技術総合研究所(産総研)
    図.超薄膜Ge構造の形成プロセス
    図.超薄膜Ge構造断面のTEM像
    図.超薄膜Ge層における電子移動度のシート電子密度依存性
  4-3.国立大学法人東京工業大学(1)
    図.SOFCの作動機構 (a)酸化物イオン伝導タイプ (b)プロトン伝導タイプ
    図.(a)ペロブスカイト型構造 (b)プロトン伝導体LWOの結晶構造
    図.LWO中のプロトン拡散経路模式図
    図.LWO67、BZY20(BaZr0.8Y0.2O3-δ)、および
    BZCYYb1711 (BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ)
    電解質膜による理論セル効率の電流密度依存性
    (電解質の膜厚:10マイクロメートル、発電温度:873K、
    アノード雰囲気:3%加湿H2、カソード雰囲気:3%加湿空気)
    図.アノード支持型セルの断面SEM像
  4-4.国立大学法人東京工業大学(2)
    (1)ウェハー級品質の太陽電池用シリコン薄膜を従来の10倍以上の速度で作製
    図.ゾーンヒーティング再結晶化(ZHR)法の模式図(左)と外観(右)
    図.急速蒸着(RVD)法によるSiのエピタキシャル成長
    図.Siの二重多孔質構造(DLPS)の最適化 (a)c-Siウェハー上のDLPSの
    断面SEM像 (b)ZHR前のDLPS表面のAFM像 (c)ZHR後のDLPS表面のAFM像
    (2)ZHR法によるペロブスカイト太陽電池光吸収層の大粒径化と発電特性の関係
    図.ペロブスカイト層へのZHR法の適用
    図.太陽電池特性に及ぼす結晶粒サイズの影響 (a)短絡電流密度(Jsc)
    (b)開放電圧(Voc) (c)曲線因子(FF) (d)エネルギー変換効率(PCE)
  4-5.国立大学法人東京大学
    (1)シリコン系熱電変換デバイスの開発
    (2)ナノ構造化による半導体薄膜材料の熱物性・熱流制御
    図.パターニングによって熱電材料の性能指数を改善する仕組み
    (ZT:性能指数、σ:電気伝導率、S:ゼーベック係数、κ:熱伝導率)
    図.実際に多結晶Siにパターニングした事例
    図.熱電変換デバイス構造とパターニングの事例
    図.エネルギーハーベスターを備えたセンサーノードの事例
  4-6.国立大学法人東北大学
    (1)超大容量・低消費電力・高性能不揮発性メモリーの実現に道筋をつける
    MTJ素子における未踏の一桁nm領域の動作実現
    図.本研究で提案した形状磁気異方性を利用した磁気トンネル接合(a)と、
    従来型の界面磁気異方性を利用した磁気トンネル接合(b)を比較した模式図
    図.作製したMTJ素子の電流誘起磁化反転の測定結果
    (2)世界最小磁気MTJ素子の高性能動作を実証
    図.(a)従来型形状磁気異方性MTJ素子構造(2018年開発)
    (b)今回提案した静磁気結合を有する積層構造を用いた
    形状磁気異方性MTJ素子構造の模式図
    図.本研究で作製した静磁気結合を有する新構造形状磁気異方性MTJ素子の
    電圧パルスによる磁化反転の測定結果
  4-7.国立大学法人 東海国立大学機構 名古屋大学
    図.尾上研究室の研究概要
    図.(a) C60薄膜の結晶構造図
    (b)金属的性質を示す1次元凹凸周期フラーレンポリマーの構造図
    図.(A)C60薄膜の赤外スペクトル
    (B)大気暴露後に出現したピークと予測される生成物の理論スペクトルとの比較
    図.C60薄膜の赤外スペクトル:(a)大気暴露前 (b)大気暴露後 
    (c)炭酸イオンの理論赤外スペクトル
    図.(A)1次元凹凸C60ポリマー薄膜のモデル構造 
    (B)ナノ空間内のポリマー鎖間でピン留めされたCO2分子の(a)、
    変角振動で活性化されたCO2とH2Oとの間で活性錯合体が形成する(b)、
    H2CO3が生成する(c)様子
    (C)CO2の結合角の変化に対するフロンテイア軌道のエネルギー変化の様子
  4-8.学校法人早稲田大学
    (1)SEnSICの役割
    図.SEnSIC建物の作りと外観
    図.スーパードライルームと二次電池作製ライン
    (2)Li-S電池開発
    図.Li-S電池設計の考え方(エネルギー密度とCレート)
    図.Li-S電池正極作製のための新工法
    図.負極特性の改善のための固液界面のナノ構造を制御
5.次世代環境・エネルギー機能薄膜の将来展望

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