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THE高専

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SMART WORKFORCE

THE 高専

高等専門学校の学生による
研究発表会・展示

ご来場ありがとうございました。

SEMICON Japan 2019の出展者がスポンサーとなり、
高等専門学校の学生へ研究発表の場を設けました。
学生に半導体業界に対する理解を深めてもらう企画です。
高専生の若きエンジニアによるアイデアにあふれた技術や研究成果が展示されます。

参加校一覧

学校名
研究発表内容

石川工業高等専門学校

半導体材料分析および計測装置作りの教材開発

半導体デバイスに関する実験として「ダイオードのしくみを電圧電流特性から温度をパラメータに導き出す実験」を実施している。測定データのグラフを加工して新たな物理量を導き出す点が面白い。この実験からSiのエネルギーギャップは約1eVと求められる。この内容はSEMICON2017で既に発表した。その後、教材の英語化を行い、台湾国立嘉義大学理工学院電子物理学系の学生2名に実施することができた。その後も教育研究について交流が続けられている。先月、両校で学術協定が結ばれ申請者もそのサインに加わった。半導体産業はグローバル化が進んでいるので両校の学術的取組はSTEM教材を用いた国際共同教育として期待される。本研究室では材料分析装置づくりも進めていて、励起イオン源や電子アナライザーの製作も行っている。これを用いて半導体表面の電子状態の分析が行える。この製作した装置も展示する。研究テーマとしてはDLC薄膜の分析を紹介する。また教育教材としては、小学生から高校・大学生向けに作成した材料分析に関する教材を展示する。

豊田工業高等専門学校

自律サッカーロボットによるミニゲーム

サッカーロボット(直径18cm,高さ15cm)2台を用いてAI(人工知能)でミニゲームを行います。人対AIもしくは人対人の対戦も可能です。このロボットはロボカップという自律移動ロボットによるサッカーをメイン競技とした国際大会に参加するために製作したもので,豊田高専では2002年電気・電子システム工学科で開発が始まりました。ロボットのハードウェアとソフトウェアすべてを,学生たちで一から設計・開発しています。現在のロボットは70ワットBLDCモータを搭載し,歯車で減速させることなく直接タイヤを駆動させることで高速移動を実現しています。ボールよりも速く正確に移動できるロボットの開発と制御を目指しています。このロボットは本体にカメラは搭載していません。我々が参加するロボカップサッカー小型リーグは,競技フィールド上空に設置されたカメラでフィールド全体の情報(敵あるいは味方のロボット,ボールの位置)を取得し,それに基づいてフィールド外に設置したAIサーバで戦略を立てて,各ロボットに指令値を一斉同時無線送信することにより試合が進行します。試合中,人が操縦することはありません。今回,試合用システムを小中学校等への出前授業用に改良(コントローラで人が操縦できるモードを追加)したシステムを展示します。人間が操作するよりもAIの方が簡単かつ正確に移動できることを理解・体験できるシステムです。攻める,守るボタンを押すだけで自動でボールをシュートしたり,防いだりすることが可能です。

香川高等専門学校
詫間キャンパス

香川高専詫間キャンパスではAI(DL)とハードウェアを融合させた研究開発を昨年度より積極的に行っています。今年4月に行われたDLコンテスト(DCON2019)に出展し2位、5位を受賞した送電線点検ロボット(2位バリュエーション金額3億円、投資額3000万円)、イノシシの箱罠(5位バリュエーション金額5000万円、投資額500万円)を展示します。両方とも令和元年度内に製品化目途を立てたいと考えています。協力してくれる会社を求めています。(製品化後は高専学生発ベンチャーを立ち上げる予定です)

〇送電線点検ロボット

小型で軽量な送電線点検ロボットで送電線の鮮明な映像を撮影し,DLを用いた異常検出システムにより送電線の異常部分を検出します。異常検出システムは教師データとして送電線の異常画像を必要とせず,正常画像のみを学習することで異常部分を検出できるという点で優れています。

〇インテリジェントなイノシシ捕獲用箱罠

イノシシの急激な増加による農作物の被害が問題になっています。そのため政府は2023年までに個体数を半減させる目標に掲げています。しかし狩猟者数は高齢化により減少しており、ITとAI(DL)を積極的に使用することで効率的にイノシシを捕獲できるインテリジェントなイノシシ捕獲用箱罠を開発しました。

沖縄工業高等専門学校
情報通信システム工学科

ダイヤモンドSAWフィルタの高性能化・実用化に向けた研究

SAWデバイスは、スマートフォンなどのすべての携帯電話に電波を選別する部品として使われている。既に、スマートフォンには15個のFBARやSAWが搭載されている。今後サービスインが予定されている第5世代移動体無線システムでは、IoTの通信部分なども加わり、スマートフォンには実に30個のFBARやSAWが搭載される予定である。また、キャリア周波数として30GHz(ミリ波帯)や3〜6GHz(マイクロ波帯)が予定され、現状のキャリア周波数(〜2GHz帯)よりも高い周波数を用い、伝送レートを一段とアップさせる。つまり、5Gで主に使用する周波数が高い周波数になってしまい、従来材料は使用できなと思われる。そのため、セラミックやプリント基板などを用いたRFフィルタなど全く違う方式が提案されつつある。しかし、そのフィルタ性能はSAWフィルタよりも劣る。そこで、我々は、最も硬い材料であるダイヤモンドを用いたSAWが5GHzの周波数にて低損失が実現することに着目し、フェムトセルにおける基地局用フィルタを対象に、その実用化について研究を進めている。市場のターゲットを携帯端末ではないことから大量生産はする必要がないものの、研究してきた基板サイズが3x3mm^2 程度であることから、商品化の道は程遠い。そこで、産総研が生み出した “ミニマルファブ“によるシリコンIC製造によるダイヤモンドSAWの研究を実施してる。このミニマルファブは廃棄物やエネルギー消費の少ない環境にやさしい製造プロセスであり、沖縄県に最適であると考えられる。本研究は、沖縄県でダイヤモンドSAWを含めた電子部品産業を創出(シリコンパラダイス構想)し、沖縄県の発展と、同時に、5Gの発展に寄与することを目指す。さらに、物質材料研究機構の協力を得、同位体濃縮技術を使ったダイヤモンド基板を使ったSAWフィルタの研究を進めている。通常、天然にあるカーボンには、12Cが98%程度、13Cが2%程度含まれている。13Cを取り除いた12Cのみで構成されたダイヤモンドは、熱伝導率が2倍以上と驚くべき特性を示すことが知られており、それをSAWフィルタに用いた。その結果、従来よりも30%アップし、また、帯域幅60%と驚異的な大きさを持つものが得られた。提案されている可変フィルタは12Cダイヤモンドにより実現可能となる。

沖縄久米島モデル:マグネシウムを用いたエネルギー循環社会の構築

SDGs(持続可能な開発目標、通称SDGs)に述べられた9番目のテーマ「産業と技術革新の基盤をつくろう」を2030年に向けて実現するため、マグネシウム循環沖縄久米島モデルを提案している。その内容は次の通り。再生可能エネルギーはその生産と消費の時間的な差が大きいことから発電装置の大型化等様々な問題が生じている。そこで我々はマグネシウムが大容量電池になることを着目し、再生可能エネルギーで生み出された電気をマグネシウム金属精錬へ使うことを提案している。現在、世界のマグネシウム生産の80%を中国が行っている。その生産方法は大量に石炭を燃やしCO2やPM2.5など大量放出の原因となっている。我々は、通信分野ではその最新技術成果として電力が大きいマイクロ波を精密にコントロールできる技術をマグネシウム精錬技術に適用し、従来の精錬方式よりも格段に70%の省エネが出来ることを示した。そこで、沖縄県の久米島に適用することを考えている。久米島モデルでは、電力は海洋深層水の温度差発電を使い、マグネシウムの精錬に使う。原料である酸化マグネシウムは海洋深層水からにがりとして取り出す。また、還元剤のカーボンはサトウキビの搾りかすを使うことを最終目標にしている。本技術開発が達成するとマグネシウム電池は久米島にある原材料のみで出来る。また、その電池は島内の電気自動車や家庭に使うことになれば、環境にダメージを与えない完全なエネルギー循環社会が構築可能となる。これにより、離島のエネルギー問題を解決のみながらず、大量の化石燃料を使用するマグネシウム製造を再生可能エネルギーのみよる製造へと転換し、CO2排出ゼロとマグネシウム循環社会の実現向けたマイルストーンとする。

熊本高等専門学校
熊本キャンパス

絶縁基板上におけるⅣ族半導体混晶の低温形成

柔軟性に富んだプラスチックなどの基板上に、高移動度の薄膜トランジスタや高効率の光デバイスなどを集積したフレキシブルデバイスを実現するためには、プラスチックシートのような低融点絶縁基板上に高品質な半導体結晶を非常に低温(≦150℃)で形成する技術が必要になります。パルスレーザーアニール法や固相結晶成長法などの技術開発が世界中で行われていますが、熊本高等専門学校・角田研究室では、半導体結晶薄膜を低温で形成するための鍵となる技術が、金属触媒誘起結晶化技術にあると考え、研究に取り組んでいます。この手法は、Ⅳ族の非晶質半導体薄膜上に配した触媒金属をシードとして低温で結晶化を誘起させる手法であり、熱処理のみで結晶成長を誘起する手法に比べて、約200℃以上もの低温化が実現できます。これまでに、金属触媒として金(Au)を用いた非晶質Ge薄膜の低温結晶成長を試み、180℃程度の低温で結晶成長が引き起こされる現象を見出しています。しかし、金属触媒誘起結晶化技術では、Au触媒を非晶質Ge薄膜に導入し原子間結合状態を弱めることで低温結晶成長を実現するため、低温結晶化後の結晶Ge薄膜内にAuが多量に混入してしまい、半導体の電気的特性の劣化が懸念されます。このジレンマを解決するため、角田研究室ではAuの多量混入を抑制し、かつ、200℃の低温で結晶成長を実現する手法を考案しました。本展示では、その取り組みの一部について紹介するとともに、結晶成長技術の更なる低温化へのアプローチを紹介します。 また、Auを用いることで半導体結晶の低温形成を可能にしていますが、Auの地殻存在度がシリコンの1/108にすぎない点も課題としてあげられます。そこで、Auよりも資源が豊富な材料で、Auと同等もしくは更なる結晶成長温度の低温化を実現することが必要不可欠となります。近年、角田研究室では、Auの代替材料に着目し、低温成長の可能性を検討しており、その取り組みも紹介する予定です。

舞鶴工業高等専門学校

超音波振動液滴室温ナノインプリントインプリントリソグラフィによるDLCデバイスの開発

1)超音波振動液滴室温ナノインプリントによるDLCドットアレイの作製
ナノテクノロジーは最先端の基礎科学から応用製品にまで,幅広い分野に活用されている。本研究では,半導体微細加工技術の一つである室温硬化ナノインプリントリソグラフィについて主に研究を行っている。そこで本研究で開発した液滴室温ナノインプリントリソグラフィ(Droplet Room-temperature Curing Nanoinprint Lithography:DRT-NIL)によって次世代フラットパネルディスプレイ用DLC(Diamond-like Carbon)ドットアレイの作製を行っている。DRT-NILの課題として,インプリントパターンの高精度化,転写剤がパターンの細部まで充填していないことが挙げられる。そこで,インプリントの際に超音波振動を併用する超音波振動液滴室温ナノインプリントインプリントリソグラフィ(Ultrasonic Vibration-DRT-NIL)を初めて提案した。この方法により,パターン細部まで転写剤の流入促進や加圧時間の短縮および残膜層の軽減が期待できる。そのため、本研究では様々な周波数の振動を基板に与え,最適なインプリント条件を見出し,DLCドットアレイの作製を行った。

2)ナノインプリントを用いた小・中学生のためのナノテクノロジー教育
ナノテクノロジーは、IoT化が進むにつれ情報通信機器やMEMSセンサといった半導体分野で特に重要である。本研究では、開発したポータブル室温ナノインプリントシステムを用いて小・中学生対象の公開講座を実施することにより、我々の生活に深く関わっているナノテクノロジーの基礎知識を小・中学生に認知,理解してもらうことを目的としている。約3,600個/㎝2のマイクロギヤパターンを有するPDMSモールドで転写パターンの形成を行った。一方で,ポータブル室温ナノインプリントシステムの除振台の内部構造が不明瞭であること、従来のコントロールソフトウェアでは複数の圧力を扱ったインプリントが不可能であるといった難点があった。そのため本研究では、除振台の改良と圧力を時間的に変更する圧力制御方式の実装も行った。また、パターン精度の向上とインプリント時間の短縮を目的としてインプリント時に振動を印加するため、システムの一部として、ワンボードマイコンを用いた発振回路の作製を行った。

茨城工業高等専門学校

マグネシウム合金の3Dプリンタを用いたロストワックス遠心鋳造法

マグネシウム合金は、実用金属として最も軽い材料であり、強度や剛性、振動吸収性、切削性に優れている。燃焼しやすいとうことからアルミニウム合金の添加材としての利用が多かったが、難燃性のマグネシウム合金の開発されて、鋳造や鍛造などの加工法により軽量化を目的とした用途に用いられるようになってきている。本発表では、マグネシウム合金の鋳造について説明を行う。鋳造には砂型や金型を用いる方法がある。今回は、鋳造品の表面を滑らかにするために砂の代わりに石膏を用いて行う。また、製品のモデルとなる模型を3次元CADで設計し、そのデータを利用して3Dプリンタでの造形を行う。この模型を石膏に沈め、素焼きすることで鋳型を作る。マグネシウムは軽いので溶けた湯が鋳型内の入りにくいため、遠心鋳造機を作成し圧力を加えた鋳造を行った。本校では鋳造工場なく、専門のスタッフもいないため、鋳造の法案を考え、素焼きの適切な温度の実験、遠心鋳造機の製作を行った。今回はその研究制覇について発表を行う。

旭川工業高等専門学校

圧電デバイスによる超音波伝搬特性/NAG:NdレーザーPLDによる酸化物半導体結晶成長

展示者らは誰でも簡単に果実の状態評価を非破壊で行えることを目的に、地元地域の主力産品であるトマトの成熟度評価技術の確立を目指している。そのため圧電振動子を用いてトマト中の超音波の伝搬についての研究を行っている。展示ではトマト中を伝わる超音波の音速とトマトの状態の関係性を説明し、測定の様子のデモを展示する。固体レーザーであるNd:YAG レーザーを用い たPLD法は、これまでレーザー強度の安定性から酸化物半導体薄膜での使用は敬遠されてきたが、設置条件やコスト面において分子線エピタキシー法やKrFエキシマレーザーを用いたPLD法に比べ大きな利点がある。 展示者らは、Nd:YAG レーザーの第 4 次高調波を用いた PLD 法でホモエピタキシャル成長した SrTiO3 薄膜について研究し、c軸方向の拡大量 0.01Å程度の良質な膜の作成に成功した。 本展示では、PLD法の概要および、SrTiO3 またはNb:SrTiO3薄膜の結晶成長とポストアニール効果について説明する。

都城工業高等専門学校・木更津工業高等専門学校 (代表:都城高専)

高専ネットワークを活用した新規銀系太陽電池および過酷環境対応放射線検出器の開発

現在、高専機構では、研究ネットワークの形成を推進しており、昨年までに約70の研究ネットワークが形成された。今年は、その中から4つのネットワークが重点支援事業として採択されている。本出展では、重点支援事業の中の1つである「半導体材料・デバイス研究ネットワーク」の中から2つの成果を紹介する。

[1] 新規銀系太陽電池の開発 (都城高専) 将来のテラワット規模の大規模発電を担うために新たな太陽電池材料の探索が求められており、我々は大規模生産を想定し、レアメタルフリーで低環境負荷型の新規銀系化合物太陽電池材料として(Cu,Ag)2SnS3(CATS)やAg8SnS6に着目し、研究を展開している。本出展では、我々のグループで世界初の発電に成功した猫太陽電池と呼んでいるCATS太陽電池およびAg8SnS6の薄膜作成技術開発と新規太陽電池開発に向けた成果についての紹介を行う。

[2] 過酷環境対応放射線検出器の開発 (木更津高専) 福島第一原子力発電所の炉内には非常に高い放射線を発する燃料デブリ等が存在しており、廃炉に向けた作業に大きな支障をきたしている。一方で化合物太陽電池は高い耐放射線性を有することが知られており、かつ光学的な感度にも優れている。この特徴を有しているCdTe太陽電池をセンサとした線量測定技術を基盤として構築した高線量放射線計測システムを提案し、実用化に向けた開発を行っており、その成果についての紹介を行う。

 

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