<일본시장조사보고서>2020년도판 차세대 고기능 재료의 현상과 전망(일본어판)
자료코드: C62117800 / A4 258p / 2020. 10. 28
기본적으로 재료라고 이름이 붙는 것은 일종의 기능 재료이지만, 여기에서는 과학이나 공업으로 연결된다는 관점에서 전기와 자기, 빛, 열 등의 물리량이 관계하는 재료군을 대상으로 한다. 본 리포트에서는 이들을 망라하여 파악하는 것이 아니라, 그 중에서도 향후 시장 플레이어가 증가할 것으로 전망되는 차세대에 유망한 특징적인 7가지 기능 재료(※)에 관한 기술 연구적인 대응을 진행하고 있는 기업 및 연구기관에 대해 현재 동향과 향후 시책 등을 조사함으로써, 해당 영역을 개관해 향후를 전망하는 것을 목적으로 한다(※7가지 기능 재료: 전기·전자기능재료, 광기능재료, 양자기능재료, 세라믹기능재료, 고분자기능재료, 바이오기능재료, 에너지기능재료)
◆조사개요
조사목적: 차세대 고기능 재료에 대해서 기술 연구적인 대응을 추진하고 있는 기업 및 연구기관에 대해 현재 동향과 향후 시책 등을 조사함으로써, 해당 영역을 개관하고 향후를 전망
조사대상: 전기·전자기능재료, 광기능재료, 양자기능재료, 세라믹기능재료, 고분자기능재료, 바이오기능재료, 에너지기능재료
대상기업, 연구기관: 상기 대상품목 관련 기술연구기관을 중심으로 일부 생산판매 또는 취급기업 포함
조사방법: 직접 면담취재
조사기간: 2020년 1월~2020년 8월
※월간지 'Yano E-plus' (2020년 3월호~2020년 9월호)의 관련 특집을 바탕으로 편집, 시장 수치 등도 발췌
◆자료 포인트
요주목!! 이들 재료군 전선에 변화
• 전기・전자：신원리에 근거한 신재료는 임팩트가 큼
• 광：광전변화 및 광유기화학반응 등, 특이한 기능을 활용하는 차세대 고기능 재료의 핵심
• 양자：신기한 디바이스의 보고, 특히 非기존형 절연체에 큰 주목
• 세라믹스：자기치유 재료는 새로운 돌파구를 가져올 가능성을 내포
• 고분자：21세가 전자기술, 바이오기술, 생명과학에 커다란 영향
• 바이오：ECMO의 문제해결 실마리에도
• 에너지：IoT센서용 자립전원 및 제로에미션의 실현으로 연결
※월간지 'Yano E-plus' (2020년 3월호~2020년 9월호)의 관련 특집을 바탕으로 편집, 시장 수치 등도 발췌
리서치 내용
조사결과 포인트
1. 차세대 고기능 재료란
2. 시장동향
(그림ㆍ표) 차세대 고기능 재료의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측(금액: 2020-2030년 예측)
(그림ㆍ표) 차세대 고기능 재료의 기능별 국내시장 규모 예측(금액: 2020-2030년 예측)
(그림ㆍ표) 차세대 고기능 재료의 기능별 세계 시장규모 예측(금액: 2020-2030년 예측)
3. 각 기능 재료의 개요
제1장 전기・전자 기능 재료
1. 「차세대 고기능 재료」 신 시리즈를 시작하며
2. 전기・전자 기능 재료의 특징
3. 주목되는 전형적인 전기・전자 기능 재료
3-1. 그래핀
3-2. 다이아몬드
3-3. 산화갈륨(Ga2O3)
3-4. 하프메탈 강자성체
3-5. 질화스칸듐 알루미늄(ScAlN)
4. 차세대 전기・전자 기능 재료의 시장규모 추이와 예측
(그림ㆍ표1) 차세대 고기능 재료의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측(금액: 2020~2040년 예측)
(그림ㆍ표2) 차세대 고기능 재료의 기능별 일본 국내 시장규모 예측(금액: 2020~2040년 예측)
(그림ㆍ표3) 차세대 전기・전자 기능 재료의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측(금액: 2020~2040년 예측)
5. 차세대 전기・전자 기능 재료에 관련하는 기업・연구기관의 대응 동향
5-1. 학교법인 고가쿠인대학
(1) 우주용 태양전지 재료로서 기대되는 III족 질화물 반도체 재료
(그림1) (좌)태양전지의 구조와 손실 예, (우)다접합 태양전지의 구성과 효율계산에 사용하는 그래프
(그림2) 제1원리 계산에서 사용하는 GaN 구조 모델 예. 점결함 생성 프로세스를 모델화한 것
(2) 저차원 물질의 구조 탐색과 전자 상태 해석
5-2. 국립연구개발법인 산업기술종합연구소
5-3. 국립대학법인 쓰쿠바대학
5-4. 국립대학법인 도쿄공업대학
(1) 상전이형 거대 음의 열팽창 물질
(그림3) 온도 상승에 의한 BiNi1-xFexO3의 저온 삼사정상(三斜晶相)(좌)에서 고온 사방정상(斜方晶相)(우)
으로의 결정구조 변화
(그림4) X선 회절실험에서 구한 BiNi1-xFexO3의 격자상수의 온도 변화
(2) 차세대 저소비 전력 메모리 재료로서 유력한 강자성 강유전체
(그림5) BiFeO3(좌)과 BiFeO3의 Fe 일부를 Co로 치환한 Bi(Fe, Co) O3(우)의 자기 구조
(그림6) 프로브현미경에 의한 강자성・강유전 도메인의 표면 관찰 결과
5-5. 국립대학법인 도쿄대학(1)
(그림7) (a)3차원 적층형 IGZO 채널 강유전체 HfO2・FeFET의 모식도,
(b)폴리실리콘 채널과 IGZO 채널의 FeFET의 특징 비교
(그림8) (a)제작한 TiN/HfZrO/IGZO 커패시터의 단면 TEM상, (b)커패시터의 분극 전하 및 전류밀도 특성
(그림9) (a)제작한 IGZO 채널 FeFET의 전류 전달 특성, (b)전계 효과 이동도
5-6. 국립대학법인 도쿄대학(2)
(그림10) 전류를 담당하는 전자의 파동함수 일부가 InAs 층 속에서 인접하는 GaFeSb층에 공간적으로 유출되는 현상을 나타내는 모식도
5-7. 국립대학법인 도호쿠대학(1)
(그림11) (a)본 연구에서 사용한 디바이스 구조의 개략도와 특징, (b)전극으로서 사용한 금속 재료의 일함수 실측치,
(c)규격화한 발전효율의 ΔWF 의존성
(그림12) (a)본 방법에서 (a, b, d)실리콘 기판 상, 및 (c, e)투명 플렉시블 기판 상에 대면적 형성한 쇼트키형 TMD 태양전지의
(a-c)광학사진과 (d, e)전형적인 발전 특성
5-8. 국립대학법인 도호쿠대학(2)
(그림13) 전자현미경에 의한 PdCoO2/Ga2O3 계면의 원자상(좌)과 대응하는 결정 모델(좌)
5-9. 국립대학법인 나고야대학
(그림14) 그래핀과 GNR
(그림15) 페난트렌 개시제와 벤조나프트시롤 모노머를 사용한 리빙APEX중합법에 의한 피요르드형 GNR 합성
(그림16) 리빙APEX중합의 개요와 GNR의 길이 제어
(그림17) 블록공중합과 암체어형 GNR
5-10. 국립연구개발법인 물질재료연구기구
(그림18) 단일 NV 중심의 광전류 매핑 검출을 실증한 다이아몬드 시료의 제작 방법
5-11. 학교법인 와세다대학
(1) 여기자 흡수에 의한 증감을 이용한 고효율 태양전지의 개발
(그림19) AlGaAs/GaAs 초격자 구조와 밴드 구조의 모식도
(그림20) 여기자에 의한 광흡수 계산 예
(2) InAlN 박막을 이용한 NTC 서미스터 개발
6. 차세대 전기・전자 기능 재료의 장래 전망
제2장 광기능 재료
1. 차세대 광기능 재료란
2. 차세대 광기능 재료의 개발 동향
3. 주목되는 차세대 광기능 재료
3-1. 실리콘
3-2. 형광 재료
3-3. 광기록 재료
3-4. 메타머티리얼
3-5. 포토닉 결정
3-6. 광촉매
3-7. 페로브스카이트 태양전지
4. 차세대 광기능 재료의 시장규모 예측
(그림ㆍ표1) 차세대 광기능 재료의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측(금액: 2020~2040년 예측)
5. 차세대 광기능 재료에 관한 기업・연구기관의 대응 동향
5-1. 국립대학법인 이바라키대학(茨城大学)
(그림1) 개발한 라다형 구조를 가진 2종류의 도너 억셉터형 분자
(그림2) (a)라다형 TADF 발광체를 사용한 OLED 소자의 발광 스펙트럼과
(b)휘도-EQE 곡선과 EL 소자에서의 발광 소자
5-2. 국립대학법인 우쓰노미야대학(宇都宮大学)
(1) 정밀무기합성을 기반으로 하는 광기능 재료 및 환경기능 재료의 개발 8
(2) 성장 차원을 제어하는 독자적인 산화물 합성방법
5-3. 국립대학법인 에히메대학(愛媛大学)
(1) 무연・제로/저광탄성 유리 재료의 신규 개발
(그림3) 무연・제로/저광탄성・투명 인산염 유리
(그림4) ZnO, SnO를 함유한 무색 투명의 제로 광탄성 ZnO-SnO-P2O5 유리
(2) 저광탄성(저복굴절성) 유리의 포토닉스 응용
(그림5) 저복굴절성(저광탄성) 렌즈・필터가 배치된 편광 프로젝터 내의 광학계
(3) 광탄성 상수의 고정밀도 측정
(그림6) 레이저 헤테로다인법을 이용한 원반형 유리의 광탄성 상수의 고정밀도 측정계
5-4. 국립대학법인 오사카대학(大阪大学)
(1) 생체 기능을 밝히는 데 필요한 광 스위칭 기능을 가진 하이브리드 나노입자와 관찰기술의 개발
(2) 광대역 광응답성 하이브리드형 광촉매의 개발
5-5. 국립대학법인 규슈대학(九州大学)
(1) π 전자계 화합물을 이용한 광전변환/청정에너지 기술
(2) 고효율 발광기능을 가진 전자계 화합물과 OLED 디바이스
5-6. 학교법인 게이오기주쿠대학(慶応義塾大学)
(1) 고휘도 광산란 도광 폴리머
5-7. 국립대학법인 사가대학(佐賀大学)
(1) 유기-무기 층상 페로브스카이트 양자우물 재료를 이용한 포토닉스 재료의 개발
(그림7) 유기-무기 층상 페로브스카이트 화합물의 구조
(그림8) 기능성 발색단을 도입한 유기-무기 층상 페로브스카이트 양자우물
5-8. 학교법인 조치대학(上智大学)
(그림9) 페로브스카이트층의 수평배향(좌)와 수직배향(우)
(그림10) (a)유기층에 카복시기를 도입한 페로브스카이트 화합물, (b)박막 단면의 전자현미경 상
5-9. 국립대학법인 도쿄대학(東京大学)
(그림11) 여러 가지 형상의 나노 입자
(그림12) 포집한 빛에너지의 행방
(그림13) 반투명 태양전지의 개념도
(그림14) 광나노가공의 사례
5-10. 국립대학법인 도쿄농공대학(東京農工大学)
(1) 분자 집합체 나노와이어와 금 미립자로 구성된 네트워크 구조의 제작과 전기 물성 평가
(2) 수소 결합 제어에 의한 겔의 제작과 평가
(3) 도너 억셉터 분자를 치환한 부타디엔 유도체의 합성과 전기 특성 평가
5-11. 국립대학법인 도호쿠대학(東北大学)
(1) 유리에서 광파 제어 디바이스를 만든다.
(그림15) 결정과 유리의 구조 차이를 모식적으로 나타낸 그림
(그림16) 선형 광학효과와 비선형 광학효과의 차이를 모식적으로 나타낸 그림
5-12. 국립대학법인 나가오카기술과학대학(長岡技術科学大学)
(1) 레이저에 의한 유리의 위치선택적 결정화 프로세스의 개발과 디바이스로의 전개
(그림17) 레이저에 의해 유리 표면에 형성된 마이크로 패턴
(그림18) 유리 표면에 제작한 LiNbO3 결정의 2차원 패턴
(2) 고기능 결정화 유리의 개발
(그림19) 비선형 광학 특성을 가진 결정화 유리
(3) 케미컬 프로세스에 의한 유리의 형태 제어 기술
(그림20) 강유전체 나노 결정으로 이루어진 섬유 프로브(좌) 및 유리 기판 위에 형성한 마이크로 홈 구조체(좌)
5-13. 학교법인 니혼대학(日本大学)
(1) 유기색소분자를 이용한 광/전기에너지 변환소자의 고효율화
(그림21) 은나노 어레이 구조의 빛 가둠 효과에 의한 광전류 증폭의 모식도
(그림22) Cu 재료의 빛 가둠 효과에 의한 광전류 증폭 사례
(2) FeS2 반도체 나노 결정 자체의 빛 가둠 기능
(그림23) 합성한 FeS2 나노 결정의 빛 가둠 효과와 근적외역에서의 광흡수 증폭
5-14. 국립연구개발법인 물질재료연구기구(NIMS)
(그림24) 광조사에 의한 전류-열류변환의 제어
(그림25) 원편향을 조사함으로써 디자인한 온도 변화 패턴의 예,
(a)광유기 자화 반전 현상으로 디자인한 자화 분포 모식도,
(b)Co/Pt 다층막에서의 이상 에팅스하우젠 효과의 관측 예,
(c)직선 편광 조사에 의한 온도 변화의 ON/OFF 제어
6. 차세대 광기능 재료의 장래 전망
제3장 양자기능재료
1. 양자기능재료란
2. 특이한 거동을 하는 양자기능
2-1. 초전도
2-2. 양자구속구조
2-3. 강상관 전자계
2-4. 양자수송
3. 주목되는 차세대 양자기능재료
3-1. 초전도 재료
3-2. 양자구속 구조재료
3-3. 강상관 전자계 재료
3-4. 양자수송재료
4. 차세대 양자기능재료의 시장규모 예측
(그림ㆍ표1) 차세대 양자기능재료의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측(금액: 2020~2040년 예측)
5. 차세대 양자기능재료에 관련된 기업・연구기관의 대응 동향
5-1. 국립대학법인 오사카대학(大阪大学)
(1) 고효율・소형의 파장변환형 미답 파장 광원의 개발
(2) 와이드갭 반도체를 이용한 양자광원의 개발
(3) 광원・광도파로 집적형 시스템의 개발
5-2. 국립대학법인 교토대학(京都大学)
(1) 제1원리 열역학 계산법의 개발과 응용
(그림1) 제1원리 열역학 계산에 의한 ZnO-MgO 유사 2원계 상태도
(2) 제1원리계산에 기반한 머티리얼즈 인포매틱스의 전개
(그림2) 제1원리 계산에 근거한 머티리얼즈 인포매틱스 모식도
(3) 세라믹스 재료 중의 국소양자구조와 기능 9
(그림3) ZnO 대응 입계의 원자구조 계산결과(상단 좌측)과 고분해능 투과형 전자현미경 상(하단)
5-3. 국립대학법인 지바대학(千葉大学)
(1) 할로겐화물 페로브스카이트
(그림4) (좌)할로겐화물 페로브스카이트 구조, (중)CH3NH3PbBr3 단결정, (우)레이저 냉각원리 모식도
(2) 2차원 단층물질인 쿨롱 엔지니어링
(그림5) (좌)주위의 유전율이 다른 경우의 포텐셜 에너지 차이,
(우)광흡수 에너지의 주위 유전율에 대한 의존성
5-4. 국립대학법인 쓰쿠바대학(筑波大学)
(1) 양자효과를 활용한 혁신적 디바이스의 연구
(그림6) 양자효과에 의해 전자의 흐름을 일방통행으로 한 디바이스
(2) 양자센싱과 양자컴퓨팅
(그림7) 다이아몬드 NY 중심의 ESR 측정결과
(3) 전이금속 다이칼코게나이드 전계효과 트랜지스터
(그림8) MoS2의 구조와 브릴루앙 영역, 밴드갭의 상태
(그림9) MoS2를 h-BN 사이에 끼워 만들어진 환경의 교란을 잘 받지 않는 FET
5-5. 국립대학법인 도쿄공업대학(東京工業大学)
5-6. 국립대학법인 도쿄대학(東京大学)
5-7. 국립대학법인 히로시마대학(広島大学)
(1) 보텀업 접근법(Bottom-up Approach)
(그림10) 원자・분자를 1개씩 조작하는 모습을 묘사한 모식도
(2) 원자 및 분자를 관찰・제어하는 수단
(그림11) STM의 원리
(그림12) STM으로 관찰한 실리콘 웨이퍼 표면의 수소원자 상
(3) 자기조직화
(그림13) 유기분자의 자기조직화 사례
5-8. 국립연구개발법인 물질재료연구기구(NIMS)
(그림14) MI 연구에서 사용되는 블랙박스 최적화 방법의 절차
(그림15) QA를 활용한 MI 신방법의 콘셉트
(그림16) QA를 사용한 MI 방법의 방사냉각용 메타머티리얼 개발에 적용한 사례
(그림17) 탐색결과와 계산에 필요한 시간 비교
5-9. 국립대학법인 요코하마국립대학(横浜国立大学)
(1) 여러 층의 원자로 이루어진 층상 반도체를 사용한 전자 디바이스
(그림18) 제작한 층상 반도체 소자의 광학현미경 사진
(2) 양자역학으로 작동하는 새로운 초전도 디바이스 24
5-10. 국립연구개발법인 양자과학기술연구개발기구(QST)
(1) 스핀트로닉스 디바이스의 개발
(그림19) (좌)기존의 그래핀/자성재료 적층재료, (우)그래핀/호이슬러 합금 적층재료
(그림20) (좌)그래핀/호이슬러 합금 적층구조에서 호이슬러 합금에 함유된 Co원자와 Fe원자의
자기모멘트 표면에서의 깊이에 따른 변화, (우)각 깊이에서 호이슬러 합금의 스핀 편극률
(2) 다이아몬드 NV 중심에 의한 양자센싱
(그림21) 다이아몬드 NV 중심의 모식도
(그림22) 다이아몬드 NV 중심의 형성방법
(3) 다이아몬드 NV 중심 제작법으로서의 양자빔 기술
(그림23) 양자빔에 의한 다이아몬드 NV 중심의 제작방법
(그림24) 다이아몬드의 타입과 형성되는 NV 중심
(상)불순물로서 N을 일정량 함유한 다이아몬드 (하)고순도 다이아몬드
6. 차세대 양자기능재료의 장래 전망
제4장 세라믹기능재료
1. 세라믹스 기능재료란
2. 차세대 세라믹스 기능재료의 동향
3. 주목되는 차세대 세라믹스 기능재료
3-1. 전자 세라믹스
3-2. 자기치유 세라믹스
3-3. 고기능 나노촉매
3-4. 열전재료
3-5. 생체적합재료
4. 차세대 세라믹스 기능재료의 시장규모 예측
(그림ㆍ표1) 차세대 세라믹스 기능재료의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측
5. 차세대 세라믹스 기능재료에 관한 기업・연구기관의 대응 동향
5-1. 국립대학법인 오사카대학(大阪大学)
(그림1) 금속티탄 분산 알루미나기 복합재료에 균열 도입 후(a), 실온 균열 복원 후(b)~(d)의 전자현미경 사진, 및 균열 도입 전,
균열 도입 시 및 복원 후의 강도 변화(우)
5-2. 국립대학법인 가나가와대학(神奈川大学)
(1) 산소저장 무기재료
(그림2) Ca2AlMnO5+δ의 결정구조
(2) 천연가스 고부가가치화용 신규 촉매재료
(그림3) OCM 촉매 Li2CaSiO4의 결정구조
(3) 금속공기전지용 양극촉매재료
(그림4) 금속공기전기의 모식도
5-3. 학교법인 공학원대학(工学院大学)
(1) 전지 구성 재료로서의 신규 고체전해질(초Na 이온 전도성 결정화 유리)
(그림5) Na5RSi4O12형 결정구조
(2) 인산염 유리 이상현상을 이용한 방사성 폐기물 고화 유리
(그림6) 인산마그네슘유리의 구조모델
5-4. 국립연구개발법인 산업기술종합연구소
5-5. 학교법인 주부대학(中部大学)
(그림7) 신규 공기극의 반응 메커니즘과 전극구조: (a)산소이온-전자 혼합 전도체를 이용한 공기극의
반응 메카니즘, (b)신규 공기극의 반응 메카니즘, (c)신규 공기극의 전극구조
(그림8) 공기극의 성능비교
5-6. 국립대학법인 도요하시기술과학대학(豊橋技術科学大学)
(그림9) (상)유황-탄소복합체의 모식도와 전자현미경 사진,
(하)전고체 유황전지의 구성과 사이클 특성
5-7. 국립연구개발법인 물질재료연구기구(NIMS)
(그림10) 세라믹스의 자기치유 메커니즘을 나타낸 모식도
(그림11) 균열치유에 의한 파단강도 회복
(그림12) 열역학 평형계산에 의한 치유활성상 선정
(그림13) (a)자기치유를 가능하게 하는 뼈의 구조 모형,
(b)치유활성상의 3차원 네트워크와 균열의 치유를 나타낸 조직 사진
5-8. 국립대학법인 요코하마국립대학(横浜国立大学)
(그림14) 표면 균열의 자기치유 메커니즘 배리에이션
(그림15) 사용해도 강도가 저하하지 않은 자기치유재료의 특징
(그림16) 화학반응을 활용한 생체의 동적기능 모방재료 사례로서의 장섬유 강화 자기치유 세라믹스
(그림17) 제트엔진용 터빈 블레이드에 요구되는 온도와 상정되는 장섬유 강화 자기치유 세라믹스의 특징
6. 차세대 세라믹스 기능재료의 장래 전망
제5장 고분자기능재료
1. 고분자 기능재료란
2. 하드 머티리얼에서 소프트 머티리얼로
3. 주목되는 차세대 고분자 기능재료
3-1. 초분자
3-2. 이온성 액체
3-3. 자기회복 고분자
3-4. 도전성 고분자
3-5. 고분자 박막
3-6. 자극응답성 고분자
4. 차세대 고분자 기능재료의 시장규모 예측
(그림ㆍ표1) 차세대 고분자 기능재료의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측(금액: 2020~2030년 예측)
5. 차세대 고분자 기능재료에 관한 기업・연구기관의 대응 동향
5-1. 국립대학법인 오사카부립대학(大阪府立大学)
(1) 광응답성 고분자 재료
(그림1) Au 나노입자를 담지한 PEG 수식(修飾) 덴드리머
(2) 온도, pH 응답성 고분자 재료
(그림2) 다분기 폴리글리세린을 사용한 pH/온도응답성 고분자
(그림3) 빛/pH/온도응답성 고분자
5-2. 학교법인 게이오기주쿠대학(慶應義塾大学)
(1) 생체 시스템의 자기조직화를 모티브로 한 나노 소재 개발
(그림4) 전형적인 나노 구조체 개발 기술 프로세스
(2) 생체시스템의 계층구조를 모티브로 한 고분자 미립자의 2차원・3차원 조직화
(그림5) 전형적인 고분자 미립자의 2차원・3차원 조직화 프로세스
5-3. 국립대학법인 지바대학(千葉大学)
(1) 생체 모방 고분자에 의한 구조색 재료
(그림6) (좌)공작 날개 사진, (우)시인성이 높은 무지개색 구조색과 단색 구조색을 실현
(그림7) 코어 쉘 입자의 구조와 구조색의 각도의존성
(2) 무착색 자성 고분자 재료
(그림8) Ho 도프 폴리머를 실리카 입자 표면에 피복해서 얻은 무착색 및 다양한 착색의 자성 나노입자
5-4. 국립대학법인 도쿄공업대학(1)(東京工業大学)
(그림9) 서로 다른 가교 고분자 재료를 접착시키는 신방법의 개념도
(그림10) 서로 다른 가교 고분자 재료를 접착시켜 혼합 동일화시킨 필름
5-5. 국립대학법인 도쿄공업대학(2)
(그림11) 플렉시블 디바이스 개발을 위한 역학해석
(그림12) Y's Blook 내구시험기 DR11MR-CS-cam-ESA의 외관
5-6. 국립대학법인 도쿄대학(東京大学)
(1) 자극에 따라 발광색이 변화하는 액정 재료
(그림13) 자극에 따라 발광색이 변화하는 액정 재료의 모식도
(2) 리튬이온전지용 액정 전해질
(그림14) 액정 전해액을 사용한 LIB의 모식도
(3) 수처리용 고분자막
(그림15) 광해리반응을 활용한 나노 채널 구조를 자기조직적으로 형성하는 액정
5-7. 학교법인 도쿄이과대학(東京理科大学)
(1) 덴드리머의 대량 합성법 개척
(그림16) AMA법에 의한 덴드리머 합성 이미지
(2) 덴드리머를 골격 모체로서 사용한 기능성 재료
(그림17) 덴드리머에서 기능성 재료를 얻는 방법을 나타낸 모식도
(3) 광중합성 디아세틸렌 유도체를 이용한 π공액 폴리머의 조제 및 기능성
(그림18) 디아세틸렌 겔화제의 일반 구조
(그림19) 디아세틸렌의 네트워크 구조 SEM 상
5-8. 국립대학법인 나고야공업대학(古屋工業大学)
(그림20) 개시제에 의한 모노머 중합 프로세스
(그림21) 할로겐 결합에 의한 탄소-할로겐 결합의 절단과 비닐에테르 중합
5-9. 주식회사 브릿지스톤(Bridgestone Corporation)
(그림22) 개발에 성공한 세계 최초의 수지/고무 하이브리드 재료 「SUSYM」
5-10. 국립대학법인 야마나시대학(山梨大学)
(그림23) S-PEDOT의 계층 구조와 특성의 관계
(그림24) (a)S-PEDOT 수용액(0.5wt%)과 (b)PEDOT:PSS 수분산액(Clevios PH1000)의필터투과실험
5-11. 국립연구개발법인 이화학연구소
(그림25) Sc 촉매에 의한 에틸렌과 아니실프로필렌류의 공중합 반응
(그림26) 새로운 기능성 폴리머의 미크로 상분리 구조의 모식도
5-12. 학교법인 리쓰메이칸대학(立命館大学)
(1) 액정성 금착체 개발: 액정 배향을 이용한 발광 제어
(그림27) 액정 배향을 이용한 발광 제어
(2) 금속산화물 나노재료의 개발과 액정을 이용한 배열 제어
(그림28) 액정을 이용한 배열 제어 사례
6. 차세대 고분자 기능재료의 장래 전망
제6장 바이오기능재료
1. COVID-19로 인한 혈전 문제 대응
2. 바이오기능재료란
3. 주목되는 차세대 바이오기능재료
3-1. 재생의료
3-2. 재생의료용 발판재료
3-3. 약물전달시스템(DDS)
3-4. 외과용 실란트제
3-5. 기능성 화장품
3-6. 바이오센서
3-7. 바이오연료전지
4. 차세대 바이오기능재료의 시장규모 예측
(그림ㆍ표1) 차세대 바이오기능재료의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측(금액: 2020~2030년 예측)
5. 차세대 바이오기능재료에 관한 기업・연구기관의 대응 동향
5-1. 국립대학법인 규슈대학(九州大学)
(1) 바이오 계면의 수화(水和)구조에 착안한 생체친화성 발현기구의 해명
(그림1) 바이오머티리얼에서 중간수의 역할
(2) 차세대 예방, 진단, 치료기술을 뒷받침하는 생체친화성 재료의 설계방법
(그림2) 생체친화성 PMEA형 바이오머티리얼을 이용한 암진단
(그림3) 생체친화성 PMEA형 바이오머티리얼을 이용한 담관 스텐트
5-2. 국립대학법인 교토대학(京都大学) 9
(그림4) DDS・재생의료・세포공학 등의 상관관계를 나타내는 모식도
(1) 생체조직의 재생치료를 위한 생체재료
(그림5) 세포와 그 주변 환경의 모식도
(2) 줄기세포공학 및 기초생물의학 연구를 위한 생체재료
(그림6) 재생의료에서의 바이오머티리얼 기술의 역할
(3) DDS를 위한 생체재료
(그림7) DDS의 목적
(4) 외과・내과치료 어시스트를 위한 생체재료
5-3. 국립대학법인 도쿄의과치과대학(人東京医科歯科大学)
(1) 가동성 표면 상에서의 세포기능 제어
(그림8) 세포가 배양 기재에 접착할 때 기재 계면의 표면 분자 가동성의 영향
(2) 세포 내 분해성 폴리로타키산의 의약 응용
(그림9) 세포 내 환경에 응답하여 초분자 구조가 붕괴되어 시클로덱스트린을 세포 내에 방출하는 폴리로타키산
(3) 폴리로타키산을 이용한 생체분자 복합체의 나노메디슨 응용
(그림10) 폴리로타키산의 분자가동성과 주사슬 골격의 강직성이 생체분자의 생리활성과 세포 내 동태에 미치는 영향
(4) 폴리로타키산을 이용한 차세대 치과재료의 설계
(그림11) 광분해성 폴리로타키산을 함유한 치과용 접착제의 개발
5-4. 국립대학법인 도쿄공업대학(東京工業大学)(1)
(1) 자연에서 배운다(생명기능 프로세스)
(그림12) 물고기 비늘을 이용하여 사람의 각막 재생을 실현하는 시험
(2) 자기조직화 현상(분자 레벨의 신기한 구조)
(그림13) 콜라겐과 탄산아파타이트를 이용한 새로운 인공뼈 개발
(3) 나노메디슨(복합재료에서 난치병 치료로)
(그림14) DDS에 의해 병을 치료하는 세포응답형 재료 개발
(4) 바이오테크놀로지와의 융합(신기술의 개발)
(그림15) 바이오세라믹스와 생체분자의 상호작용에서 얻은 새로운 바이오센서
(그림16) 피부나 점막을 통해 약을 투여하는 이온토포레시스 전극을 개발
5-5. 국립대학법인 도쿄공업대학(東京工業大学)(2)
(1) 핵산 구조의 조작
(그림17) 핵산 구조의 여러 가지 조작
(그림18) 알로스테릭형 핵산효소(MNAzyme)의 활성화 메커니즘
(표1) 기존의 PCR법과 비교한 인공 샤페론 강화 MNAzyme법의 특징
(2) 지질 이중막의 구조 전이 제어
(그림19) 지질 이중막의 구조 전이
5-6. 공립대학법인 도쿄도립대학(東京都立大学)
(1) 유전자(플라스미드 DNA) 전달시스템
(그림20) 유전자(pDNA) 전달시스템의 모식도
(2) 생리활성아연(Zn2+) 전달시스템
(그림21) 생리활성아연(Zn2+) 전달시스템의 모식도
(3) 바이오의약품 전달
(그림22) 바이오의약품 전달과 바이오이나트 표면의 구축 모식도
5-7. 국립대학법인 나가오카기술과학대학(長岡技術科学大学)
(1) 조기 암진단과 치료를 양립하는 나노바이오세라믹스 개발
(그림23) 암세포 표식용 FA-NHS를 고정한 복합나노입자의 조제와 평가프로세스를 나타낸 모식도
(2) 뼈의 보전과 치료촉진을 목표로 한 수화층(水和層)을 특징으로 하는 바이오세라믹 입자의 합성
(그림24) 뼈 보전과 치료를 촉진하는 수화층을 특징으로 하는 바이오세라믹 입자 합성기술 모식도
(3) 뼈의 구조를 재현하는 배향성 콜라겐 제작기술 개발
(그림25) 뼈조직을 재생한 배향성 콜라겐 피브릴 배열구조의 제작기술 모식도
6. 바이오재료의 진보는 의학의 진보를 촉진한다
제7장 에너지기능재료
1. 산업혁명으로 시작된 동력혁명은 현대의 에너지 기능재료에 이르러
2. 주목받는 차세대 에너지 기능재료
2-1. 축전지용 재료
2-2. 연료전지용 재료
2-3. 태양전지재료
2-4. 열전재료
2-5. 광합성 재료
2-6. 수소에너지 재료
2-7. 양자에너지 변환재료
3. 차세대 에너지 기능재료의 시장규모 예측
(그림ㆍ표1) 차세대 에너지 기능재료의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측(금액: 2020~2030년 예측)
4. 차세대 에너지 기능재료에 관한 기업・연구기관의 대응 동향
4-1. 학교법인 가나가와대학(神奈川大学)
(그림1) 구멍이 있는 LFP 전극을 제작하기 위한 피코 초 펄스 레이저 및 폴리곤 미러
(그림2) 구멍이 있는 LFP 전극의 표면 SEM 상
(그림3) 구멍이 있는 전극, 구멍이 있는 집전박을 사용한 전극의 출력 특성
(그림4) 구멍이 있는 전극에서 Li+이온 이동의 촉진을 나타내는 모식도
(그림5) 구멍이 있는 후막 전극에 의한 부피 에너지 밀도 향상의 개념도
(그림6) 에너지 이동형 하이브리드 전지의 모식도
4-2. 공립학교법인 시가현립대학(滋賀県立大学)
(1) 고내구성 유・무기 하이브리드 태양전지
(그림7) (a)입방정, (b)정방정 CH3NH3PbI3, (c)CsPbBr3 페로브스카이트 구조[1]
(그림8) (a)박막태양전지 단면도, (b)페로브스카이트 결정, (c)DPPS의 구조
(2) 원소 치환 페로브스카이트 태양전지
(그림9) (a)외부양자효율의 변화, (b)에너지 레벨도, (c)구조와 상태밀도
4-3. 국립대학법인 신슈대학(信州大学)
(1) 도전성 나노시트를 이용한 전극 촉매
(그림10) 기존의 코어셀 나노입자(좌)와 새롭게 개발한 Ru@Pt 코어셀 나노시트(우)
(2) 그래핀 나노시트 전극
(3) 급속 충방전이 가능한 하이브리드 슈퍼커패시터
(그림11) 하이브리드 커패시터(AdHiCap)의 기본구조(우)와 시제작품(좌)
4-4. 국립대학법인 도쿄공업대학(東京工業大学)
(1) Ni-Ti계 형상기억합금을 이용한 배열회수
(그림12) 도메인 호모 계면에 관한 요소를 나타낸 모식도
(2) 형상기억합금을 이용한 자기냉동과 고속구동화
(그림13) (a)폴리머와 FSMAP로 구성되는 스마트 복합재료의 제조방법 및
(b)자장과 FSMAP의 자기이방성을 사용한 FSMAP 분포의 미세구조제어 모식도
(그림14) 마이클 CT에 의한 복합재료의 3D 상
(그림15) 새롭게 성공한 청정 NiMnGa 입자
4-5. 학교법인 도요타공업대학(豊田工業大学)
(1) 열전재료
(그림16) 신규 열전재료인 구리와 세렌의 화합물이 나타낸 열전성능 ZT
(그림17) 신규 열전재료의 고성능화 이유를 나타낸 모식도
(2) 열류제어재료(열 다이오드, 열 스위치)
(그림18) 열 정류의 개념을 나타낸 모식도
(2)-1. 열 다이오드
(2)-2. 열 스위치
4-6. 국립대학법인 나고야공업대학(名古屋工業大学)
(1) 호이슬러 화합물 열전재료의 개발
(그림19) 호이슬러 화합물 열전재료 Fe2VAl의 결정구조
(그림20) Fe2Val 합금의 출력인자 온도 의존성
(2) 배열 이용에 의한 열전발전소자의 개발
(그림21) Fe2Val 열전모듈의 실물 사진
(그림22) 열전유닛을 장착한 자동이륜차의 머플러(상)과 열전발전유닛의 모식도(하)
4-7. 국립대학법인 나고야대학(名古屋大学)
(그림23) 이상 네른스트 효과의 개념도
4-8. 국립대학법인 요코하마국립대학(横浜国立大学)
(1) 이온액체[1]
(그림24) 이온액체 연구의 확대
(그림25) 이온 겔의 실물사진
(2) 이온액체 연구에서 '자유용매 제로'라는 사고방식에 도달하다[2]
(그림26) 리튬이온전지 구조의 모식도
(3) 리튬황전지[3]
(그림27) 리튬이온황전지의 원리도 (좌) Li2Sm가용성 전해액을 사용한 리튬이온황전지
(우)황종 난용성 전해액을 사용한 리튬황전지
5. 차세대 에너지 기능재료의 장래 전망
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