12.エネルギー化学

27/30時間（2単位、15回）

屋根

トタン、ガルバリウム

腐食と防食

腐食は、金属材料は本来の姿（酸化物など）に戻っていく過程を言います。また、腐食を防止するかを防食と言います。

4. 腐食と防食
山下正通、小沢昭弥. 現代の電気化学 . 丸善,2012-4-1 （参照 2012-5-1 ） .

ｐH電位図（プールベダイアグラム）

図 1 . 金属のイオン化傾向

©K.Tachibana

錆びにくい金属を貴金属と言います。イオン化傾向は、金属と金属イオンの平衡反応の酸化還元電位に関係があります。電位が卑なほど、腐食しやすく、還元しにくくなります。電位が貴なほど、腐食しにくく、還元しやすいです。

4.1. 金属材料の安定性―腐食の平衡論―, p.89
山下正通、小沢昭弥. 現代の電気化学 . 丸善,2012-4-1 （参照 2022-1-12 ） .

アルミニウムの電位ｐＨ図（プールベダイアグラム）

^1

) 田邉悠 ^2

) 👨‍🏫 高電場機構とアルミニウムのアノード酸化 👨‍🏫 アルマイトとアノード酸化

✍ 平常演習

電位ｐＨ図（プールベダイアグラム）を描こう . エネルギー化学・ ―エッチングと腐食―

水の電位窓（電位-pH図）

図 5 . 水の電位窓（電位-pH図）

水の分解電圧は1.23Vです ^3

) ^4

) 。

^5

)

水素発生反応（HER）	H⁺ + 2e^- → H₂ `E`º = 0V
	2H₂O + 2e^- → 2OH^- + H₂ `E`º = -0.8285V
酸素発生反応（OER）	O₂ + 4H⁺ + 4e^- ← 2H₂O `E`º = 1.229V
	O₂ + 2H₂O + 4e^- ← 4OH^- `E`º = 0.401V

酸化還元電位

表 1 . 水素と酸素の酸化還元電位

電極反応	電位 / V	${(\frac{ⅆ E}{ⅆ T})}_{th}$ / mV/K	${(\frac{ⅆ E}{ⅆ T})}_{isoth}$ / mV/K

2H₂O + 2e^- → 2OH^- + H₂	-0.8285	0.037	-0.834	アルカリ性
H⁺ + 2e^- → H₂	0.000	0.871	0.000	酸性
O₂ + 2H₂O + 4e^- ← 4OH^-	0.401	-0.809	-1.680	アルカリ性
O₂ + 4H⁺ + 4 e^- ← 2H₂O	1.229	0.025	-0.846	酸性

電気化学測定で、電位は、平衡の測定データです。

pH0（酸性）では、1.229 （酸素）-0.000 （水素）≒1.23、pH14（アルカリ性）では、0.401 （酸素）-(-0.8285 （水素）)≒1.23となってどちらも同じ1.23Vです。電位-pH図でみると、水の電位窓がpHによらず1.23Vです。この1.23Vが、水電解の電解槽における水の理論分解電圧であり、酸素水素燃料電池の電池の起電力です。

「酸素水素燃料電池の起電力＝水の理論分解電圧」です。

E = E^{0} - \frac{R T}{n F} \ln K

腐食の種類と防食

図錆と犠牲防食実験

プリント配線基板の製造工程

架橋不溶化（露光－パターニング）

⬇

現像

⬇

エッチング

⬇

フォトレジスト除去

⬇

図 6 . プリント配線基板の製造工程

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) ^7

)

◇ エッチング加工

表面処理

表6.1　表面処理法とその目的、用途 ^8

)

表面処理法	目的	用途(具体例)

電気めっき	(イ)装飾 (ロ)耐食 (ハ)耐摩耗　(二)機能	(イ)装飾品(金ボタン、時計側) (イ)+(ロ)耐食性装飾品(自動車用マーク) (ハ)耐摩耗品(エンジンシリンダー) (二)合金めっき(ワイヤメモリ、磁気ヘッド)
無電解めっき	(イ)装飾　(二)機能	(イ)下地めっき(自動車用マーク) (二)磁性めっき(磁性めっき)
気相めっき	(ロ)耐食　(ハ)耐摩耗　(ハ)機能	(ロ)+(ハ)耐食・耐摩耗品(切削工具) (二)酸化物超伝導体(電子デバイス)
エッチング	(二)機能	(二)砂目立て(PS版) (二)回路形成(プリント基板) (二)表面積増大 ( 電解コンデンサー )
アノード酸化化成	(イ)装飾　(ロ)耐食　(ハ)耐摩耗　(二)機能	(イ)+(ロ)+(ハ)アルマイト処理(アルミサッシ) (二)Alの酸化膜(電解コンデンサー) (ロ)+(ハ)+(二)Alの酸化膜(PS版)
電解研磨	(イ)装飾 (ロ) 耐食 (二)機能	(イ)+(ロ)耐食装飾品( ステンレス鋼) (二)超精密研磨(超精密部品)
塗装電着塗装	(イ)装飾 (ロ) 耐食 (イ)装飾 (ロ) 耐食	(イ)+(ロ)耐食装飾品(カラーステンレス、バンパー) (イ)+(ロ)耐食装飾品(自動車ボデー)
化学処理	(イ)装飾	(イ)装飾品(カラーステンレス)
泳動電着	(イ)装飾 (ロ) 耐食 (二)機能	(イ)+(ロ)耐食装飾品(自動車ボデー) (二)酸化物超伝導体(磁気シールド)
表面硬化浸炭、窒化、浸透	(ロ)耐食　(ハ)耐摩耗	(ロ)+(ハ)耐食・耐摩耗品(工具)
化学修飾		(二)電極の機能化(電池用電極、センサー)
電鋳	(イ)装飾 (二)機能	(イ)装飾品(精巧な美術品) (二)複雑形状金属(精密機器部品、電子部品)

エッチング

表 2 . エッチング

種類	形式	用途

ウェットエッチング
ドライエッチング

👨‍🏫 表面処理

フォトリソグラフィー

半導体デバイスの種類

表 3 . 半導体デバイスの種類

種類	形式	用途

発光ダイオード（ＬＥＤ） *	ｐｎ接合	照明、通信、レーザープリンタ
定電圧ダイオード	ｐｎ接合、１ＳＺ	レギュレータ
バイポーラトランジスタ ^9 ) （接合型トランジスタ）	２ＳＡ、２ＳＢ、２ＳＣ，２ＳＤ ^10 )
モノポーラトランジスタ	J-FET ２ＳＫ、２ＳＪ
モノポーラトランジスタ	MOS-FET

フォトリソグラフィーによって、集積回路（ＩＣ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）と進歩しました ^11

) 。

バイポーラIC製造プロセス

バイポーラICでは、名素子間を電気的に絶縁する分離技術が主要技術となっている ^12

) 。 (図7.8）

半導体の製造工程は、基板上にＩＣ回路を形成する前工程と、基板を製品化する後工程に分けられます。２つの工程を合わせて何百もの工程があります ^13

) 。

コンピュータの心臓部となる集積回路は、精密レジストなしは作ることはできない ^14

) 。

nMOS-ICの製造プロセス

MOS-IC はバイポーラに比して構造が簡単で製造工程も少ない ^15

) 。 (図7.9）

半導体の製造工程は、基板上にＩＣ回路を形成する前工程と、基板を製品化する後工程に分けられます。２つの工程を合わせて何百もの工程があります ^16

) 。

コンピュータの心臓部となる集積回路は、精密レジストなしは作ることはできない ^17

) 。

半導体レーザーの山ぎりカットも、エッチング加工です。

インゴット引き上げ

インゴット切断

ウエーハの研磨

酸化

👨‍🏫 フォトレジスト塗布

⬇

回路設計・パターン設計

フォトマスク作成

ウエーハ表面にパターン形成（露光）

⬇

👨‍🏫 エッチング

ＣＶＤ・イオンプランテーション

平坦化

電極形成

ウエーハ検査

図 10 . 半導体前工程

^18

)

^19

)

👨‍🏫 日本半導体製造装置協会 *

バッテリの管理はマイコンで

図 11 . 電池管理用マイコンの例

バッテリーストリングの各セルの電圧を差動アンプでひろい、積分型の高精度ＡＤ変換器でデジタルデータにします。電流はシャント抵抗の両端の電圧を作動アンプでひろいます。アナログフロントエンド（AFE）がやります。マイコン（マイクロコントロールユニット、MCU）で処理します。 FETドライバが搭載され、パワー半導体を制御できます。

ルネサスより（ RAJ240090のスペック）

そうした中でルネサスは、「産業向けリチウムイオン電池管理ICとして業界初」というマイコン（RL78 CPUコア）を内蔵し、ソフトウェアで柔軟に多様な電池システム仕様に対応できる電池管理ICを実現した。電池残量の計測や、過電圧、過電流などの安全監視機能（アナログフロントエンド部）とマイコンが1パッケージ化されたため、電池制御の電圧測定に必要な高精度A-Dコンバーターとマイコンとのマッチングを事前に調整した上で提供するため、キャリブレーション作業が大幅に削減できるとする。その他、新製品は、電源、FETドライバー、リアルタイムクロックなどを搭載し、電池管理システム部分のトータルコストを従来品よりも「30%削減可能」（同社）とした。

シリアル通信 C ラズベリーパイ・エッジ

印刷

印刷には、版があります。版を作ることを刷版と言います。版の形式によって、オフセット（平版）、グラビア（凹版）、スクリーン（孔版）、凸版（活版）に分類されます。

インクジェットプリンターを使ったオンデマンド印刷や３Ｄプリンターを使った３Ｄ印刷があります。これらの印刷では、版はデジタル情報であり、電子媒体に記録されています。半導体の回路配置も電子媒体に記録されています。

表 4 . 印刷

項目	平版印刷（オフセット印刷）	凹版印刷（グラビア印刷	孔版印刷（スクリーン印刷）	凸版印刷（活版印刷）

	平版	凹版	孔版	凸版
版材料	アルミニウム ^20 )	銅	シルク、ステンレス	鉛、 🏞 亜鉛、感光性樹脂 ^21 )
刷版	ＰＳ版 ^22 )	エッチング、彫刻		活字組版、フォトリソグラフィー
印刷工程	ロール	ロール	枚葉	枚葉／ロール
対象	紙	フィルム	板	紙
用途	紙幣・定期刊行物（新聞・雑誌・年鑑 ) 書籍・広告、朝日新聞、暮しの手帖、ニュートン、フォーカス	カレンダー・パッケージ	スマホ文房具	書籍・図書、世界の名作全集など
歴史	昭和高度成長期			明治期