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🌡️ 📆 令和6年7月13日

👨‍🏫 ⑪マンガ本がなくなったら―印刷技術と半導体―

山形大学  理工学研究科(工学系)  化学・バイオ工学科  🔋 C1 伊藤智博 📛 立花和宏


LEDと照明

  1 LEDと照明
© 2012 K.Tachibana , C1 Lab. HPC, NCV

照明は生活に欠かせません。 LED照明に使われる半導体と、 印刷技術に共通するのは、光を使う技術ということ。

照明

  1 工業製品
分類 項目 説明
金属工業 鉄鋼 鉄道レール、鉄骨
非鉄金属 銅線、サッシ
金属製品 ボルト、ナット
化学工業 化学製品 洗剤、 🚂 医薬品🚂 肥料
プラスチック製品
🚂 石油製品 🚂 灯油
ゴム製品 タイヤ
機械工業 機械 産業用ロボット
電化製品 🚂 冷蔵庫 、 🚂 テレビ
情報通信機器 📱 スマホ 、 💻 パソコン
電子部品 🚂 液晶パネル
輸送用機械 🚂 自動車
食品工業 🚂 加工食品、飲料 🚂 ビール カップラーメン
繊維工業 繊維🚂 衣服 🚂 シャツ 🚂 下着 🚂 靴下
その他の工業 窯業 ビン、ガラス、 🚂 食器 レンガ
🏞 木材 椅子、 🚂 (テーブル) 🏞🚂 箪笥(たんす)
🚂 家具
パルプ トイレットペーパー
印刷業 マンガ本 🚂 🏞、 チラシ
🚂 かばん 革靴、皮財布
楽器・ 🚂 日用品 (JIS.S) 🚂 ピアノ 、ギター、 電池
建設・そのほか 住宅、ビル、塔、橋、ダム

いかなる工業製品もサプライチェーンをさかのぼってゆけば、 最後は地球上の資源にたどり着く。 どこかの鉱山で掘られた石か、農業あるいは狩猟採取によって殺した生き物か、そんなところから工業原料は出発する。

ローマ法王の言ってることは、ほんとうにキリスト様がおっしゃたことなのか? 中世 ヨーロッパで揉めに揉めたこの議論に終止符を打ち、近世へと導いくきっかけとなったのが印刷技術だ。 文字の大量生産を可能にし、情報記録を低コスト化を実現した。 楽譜も数式も生まれた。

衣料品 お札と切手の博物館

すみだ北斎美術館 葛飾北斎。すみだが生んだ世界の画人。絵師。 しかし版画は版元、絵師、彫師、摺師からなります。 現在で言えば、版元は出版社、絵師はイラストレーター、彫師は印刷機メーカー、摺師は印刷会社ってところです。


文字と文書

  2 文字 と文書
レベル 種類
文字 漢字、カタカナ、ひらがな、 英字 (ラテン文字) 、 ギリシャ文字 ⠟⣠⠳⠠ 😀
数字 3.15159
点字、記号、 絵文字エモティコン ⠟⣠⠳⠠ 😀 EMOJIALL 3.15159
単語 犬 サル きじ
文章 文法、 言語 、用例 本日は、晴天なり。
図表 、グラフ、楽譜、回路図
文書 横書き、縦書き、段組み、レイアウト、文字サイズ、本文、見出し、図表

祇園精舎の鐘の声、諸行無常の響きあり。

沙羅双樹の花の色、盛者必衰のことわりをあらす。

おごれる人も久しからず、 唯春の夜の夢のごとし。

たけき者も遂にはほろびぬ、 ひとえに風の前の塵に同じ。

図 沙羅双樹の花の色
書籍・雑誌 右綴じ、左綴じ、背表紙、版大きさ、用紙 小説、論文、電子書籍、タテコミ
※Windows10から搭載のUDデジタル教科書体をフォント指定しています。 ピクトグラムは難しい

文字で、感情や思想を伝えるのが飛躍的に早くなりました。 数字で、量を伝えるのが飛躍的に早くなりました。

🔷 書道博物館@東京都台東区


印刷の歴史と種類

文章や絵が書かれた紙を、遠くに運べば、思いが伝わる。手紙だ。通信だ。

文字が書かれた紙を、たくさん作って、配れば、たくさんの人に配ることができる。版画や印刷だ。書籍となり、図書となった。産業革命以降、印刷機に動力が使われ、さらに早く大量に配れるようになった。雑誌となり、新聞となった。

20世紀になると、人は、紙を配る代わりに、電磁波を使うようになった。無線通信だ。人は電磁波に文章を書けるようになった。放送だ。電磁波は、紙と違って、手に取ることもできなければ、見ることも、聞くこともできない。人が認識できないものに、文章を書くに至ったのだ。

  3 🗾 記録 材料としてのと印刷の 歴史
時代区分 産業 政治 世界
地質
原始
古代 古墳 の発明と漢字
🔷 飛鳥
593 -710年
610雲黴日本に 製紙法を伝える 1 )
奈良
万葉仮名
770 万葉集
770 最古の印刷物、陀羅尼、楮紙、木版画?
平安
平安女性は、ひらがな(31文字?)
料紙 *
平安男性は、漢字、漢文で日記 *
律令体制の崩れ、反古紙の活用
中世 鎌倉
室町
戦国
美濃紙
1581信長ねねに手紙 *
1600徳川家康木活字
1439年頃にヨーロッパで初めて活字による印刷を行った。
1555、イエズス会によりグーテンベルグによって発明された鉛活字と木製印刷機 (42行聖書) 2 )
1501楽譜の活字印刷 *
大航海の時代
近世 江戸 1606徳川家康銅活字 3 )
1615支倉常長和紙の手紙 * *
葛飾北斎、版画
第一次産業革命(鉄と 石炭) 1790英国のウィリアム・ニコルソンが輪転印刷機
1798年にはフランス人のルイ・ロベールが紙抄き機械(長網式抄紙機)を発明。
1840年。木材パルプ機械製造
1853年タイムズ紙輪転機
1868年タイムズ巻取紙方式輪転機
近代 明治 前島密、漢字廃止論
1873大阪造幣局で、鉛室法硫酸の製造
1873 第一国立銀行設立
1890大阪朝日新聞、 印刷に輪転機採用
富国強兵
日本の産業革命
( 鉄道、郵便、電話、生糸)
第二次産業革命( 電気石油
大正 1923関東大震災
昭和(戦前)
昭和(戦後) 1964日立製作所大型汎用コンピュータを開発
1965年には日本国産のPS版 *
1971ユニオンプレス設立 *
1949年 PS版(米) *
写真製版)
1955年フォトレジスト *
1985 DTPオフセット印刷 *
平成 1999ガラケー絵文字 *
2001 電子マネー 2008FTTH、スマホ 2015Unicode-emoji
令和

92 印刷博物館

エジプト、メソポタミアは焼き物に粘土を押し付けて印刷。中国では木に墨でかいて布に転写(平版印刷)。紙があった中国で7世紀ごろ木版画が発明。経典を木版画で実現。

1438年、グーテンベルクは活字の鋳型を発明。鉛と錫の活字。キリスト今日の聖書を発明。中国に遅れること800年。 宗教改革につながります。


印刷技術!

  2 印刷技術!
© 2011 K.Tachibana , C1 Lab. HPC, NCV

4 )


  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 5 ) シルク、ステンレス 鉛、 🏞 亜鉛、感光性樹脂 6 )
刷版 PS版 7 ) 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
対象 フィルム
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
参考文献

凸版印刷(活版印刷)、凹版印刷(グラビア印刷)、平版印刷(オフセット印刷)、孔版印刷(スクリーン印刷) 8 )


印刷インク

  3 物質の三態と可塑性と弾性
物質の状態

分子が自由に動き回っているのが気体です。

元素が秩序正しく格子点に固定されているのが固体の 結晶です。

温度や圧力 によって、物質が固体、液体、気体、 超臨界流体のいずれの 状態を示した図を 状態図と言います。 分子結晶は、昇華しやすく、 イオン結晶は、融点や沸点が高いです。

乳濁液(エマルション)や懸濁液(サスペンション)などの コロイド溶液 を安定化するのに、 界面活性剤が使われます。

p V = n R T

粘性

10-410-2100102104106108101010121014101610181020 空気 マヨネーズ ハチミツ 溶岩
  4 📏 粘性率 η/Pa s
©K.Tachibana
不均一混合物 せん断応力σ=粘性率η×流束γ1/s

液体の流動パターン

  5 液体の流動パターン
分類 流動形式
ニュートン流体
非ニュートン流体 疑塑性流動
塑性流動 (非ビンガム流動) 塗料 インキ マヨネーズ サスペンション
チキソトロピー 塗料 インキ
ダイラタンシー かたくり粉水溶液 餅 粘土スラリー 濡れた砂

液体は、 ずり応力Sと ずり速度Dで、いろいろな流動パターンを示します 9 )


コロイドの状態

  6 コロイドの状態
分散媒
気体液体固体
分散質 気体 気泡、泡 スポンジ
液体 【エーロゾル】霧、雲 【乳濁液・エマルション】 寒天、ゼラチン、 粘土分散液、【ゲル】
固体 煙、PM2.5 【懸濁液・サスペンジョン】墨汁、絵の具、泥水、スラリー ルビー、色ガラス

物質は、 様々な状態を取ります。 混合物のうち、10-8m程度の分散質が分散媒に分散したものを、コロイド溶液と言います。 コロイド溶液中の分散質と分散媒の間には、真の溶液と違って 界面が存在します。 コロイド溶液を安定化するのに 界面活性剤が使われます。


写真技術

光で反応する物質を応用すれば、写真ができる。

  7 🗾 カメラと写真フィルムの 歴史
時代区分 産業 政治 世界
地質
原始
古代 古墳 の発明と漢字
飛鳥
奈良
万葉仮名
770 万葉集
770 最古の印刷物、陀羅尼、楮紙、木版画?
平安
中世 鎌倉
室町
戦国
美濃紙
大航海の時代
近世 江戸 1827 写真の誕生
1839 「現像」と「定着」技術の感性
近代 明治 富国強兵
日本の産業革命
( 鉄道、郵便、電話、生糸)
1869 セルロイドの発明
1880 写真用フィルム
1935 カラーフィルムの登場
大正 1923関東大震災
昭和(戦前)
昭和(戦後) 1977 オートフォーカスカメラ
1986 レンズつきフィルム
1949年 PS版(米) *
写真製版)
1955年フォトレジスト *
平成 1995 デジタルカメラ(カシオ)
令和

人は、 視覚 による感情や思想を 絵画で表現し、伝えようとします。 カメラは、視覚 による 情報記録 する道具と言えます。 カメラで記録された 画像 は、写真と呼ばれるようになりました。


  8 記録
情報 種別 認知 道具 記録メディア
絵画 アナログ 筆、版画
文字 デジタル 筆、タイプライター
文字 デジタル 不可 キーボード フラッシュメモリ
画像 アナログ 🎥 カメラ 写真フィルム、印画紙
画像 デジタル 不可 🎥 デジカメ
ADC
フラッシュメモリ
音声 アナログ 不可 🎤マイク
レコーダー
レコード盤、磁気テープ
音声 デジタル 不可 🎤マイク
ADC
デジタルレコーダー
CD、DVD、 フラッシュメモリ
無機工業化学

情報は、AD変換によって デジタル記録されるようになりました。


電子書籍と紙の本

  9 45 電子書籍紙の本
項目電子
電子書籍、メール 書籍、図書、雑誌、新聞、 文書、 論文、手紙、電報
記録媒体 半導体メモリ、 磁気ディスク、

認知不能(電磁的記録(電子的方式、磁気的方式その他人の知覚によっては認識することができない方式で作られる記録)

🚂 、モノ(石碑や木簡)
出力 ディスプレイ 、スピーカー 視覚
耐偽造・耐 改竄 可能性 電子証明書 特に紙は、墨が繊維に染み込むため、改竄が難しい。 重商主義が発達した、中世ヨーロッパでは、インドアラビア数字とともに、シルクロード経由でイスラム圏が手に入れた、紙がまたたくまに広がった。
階調表現 輝度、デューティ 網点
カラー表現 RGB CMYK
質感など スワイプ? 風合い、匂い、手触り、重さ
デバイス パソコン、スマホ
通信 光回線、WiFi
伝達 メール、SNS 手紙、論文
プロセス 入稿、公開 入稿、刷版、校正、印刷
速報性 数ミリ秒 当日(電報)、1日(速達)から数か月(論文)
イマーシブ 可能 不可
インタラクティブ 可能 不可
レスポンシブ 可能 不可
マシンリーダブル クローラ OCR
動画 音声 の併用 可能 不可
発祥 21世紀、インターネット革命 16世紀、宗教革命
エネルギー 1600W/100TB 不要
サステナビリティ 廃熱 木材

紙媒体の文書より電子文書が普及しています 10 )


👨‍🏫 パターニングとフォトリソグラフィー

液晶パネル エッチング

活版

オフセット

昭和に活版印刷からオフセット印刷へと移行します。 寅さん記念館 PS版の成長 - マークIIシリーズからマルチグレインヘ マンガ 新聞 朝日新聞社京都工場 精英堂印刷株式会社米沢工場 包装材料印刷としてグラビア印刷 小森マシナリー 塗布技術研究会 UACJ伊勢崎工場 東洋アルミ茅ヶ崎工場 合材スラリーの調整と塗布

印刷の色数

  5 印刷の色数

キ、アカ、アイ、スミの4色がカラー印刷の基本です。 必要に応じて、それに緑や青、ピンクなどを加えます。

印刷インキは、顔料や染料の色素とビヒクルからなります 11 )


人力織機から動力織機、自動織機へ・・・織機技術の変遷(トヨタ産業技術記念館)

オフセット印刷、スクリーン印刷、グラビア印刷、活版印刷、インクジェット印刷のうちひとつ選び、どのような身近な工業製品に応用されているかを調べ、その理由を議論しなさい。


プリント配線基板の製造工程

架橋不溶化(露光)
現像
エッチング
レジスト除去
  6 プリント配線基板の製造工程
svg

12 ) 13 )


👨‍🏫 ケイ素と半導体

👨‍🏫 フォトリソグラフィー


フォトリソグラフィー

  7 フォトリソグラフィー
© 2006 K.Tachibana , C1 Lab. HPC, NCV

工場見学に行こう!


  10 純物質  化学結合結晶
結合の種類 結晶 性質や特色 物質の例
イオン結合 イオン結晶 固体 導電率が小さい(絶縁体)。水溶液や溶融塩 導電率が大きい。 ( キャリア :イオン)。 塩化ナトリウム、塩化銀、水酸化ナトリウム
共有結合 分子結晶 分子式 で表す。融点沸点は低い。 酸素、アンモニア、水※1、ドライアイス
共有結合の結晶 黒鉛や導電性高分子は、例外的に電気を通す。 ダイヤモンド、 黒鉛、 🏞 ケイ素 水晶 、石英※2
金属結合 金属の結晶 導電率 が大きい( キャリア自由電子)。 銅、亜鉛🜀 アルミニウム リチウム

※1.水分子は共有結合に分類されるが、液体の水はわずかに電離して電気を流す。 このイオン結合的な性質を、極性分子と表現する。

※2.ケイ酸塩のケイ酸はイオン結合に分類されるが、共有結合としての性質が強く、焼成などで成型することができる。

8086のインテルのゴードンムーアも、Z80の嶋正利も化学を学んでいました。


電気から電子へ

ケイ素やゲルマニウムは半導体なのか? 金属結合か、共有結合なのか、このあたりから大学の化学らしくなってくるところである。 あんなにぴかぴか光っていても、あれは金属の自由電子によるものではなく、屈折率が高いからなのである。 物性なんでもQ&A ちょっぴり自由電子があるけど、基本的に共有結合なのである。 共有結合の代表といえば、ダイヤモンド、SiC,GaNなどである。 これらはイオン性化合物ではないけど、セラミックス材料に入れてもいいんんじゃなかろうか?

周期表

↓C還元
↓Cl2
↓HCl
SiHCl3
蒸留
SiHCl3
H2還元
🏞 🧪 Si
  8 シリコンおよびシリカ系材料製造工程

高純度シリコンは、粗ケイ素を塩素及び塩化水素と反応させ、トリクロロシランの形で、精密蒸留したのち、還元して製造される 14 ) 。 半導体用には引き上げ法を用いて単結晶とする。 15 )

ケイ素やゲルマニウムは、 間接遷移型半導体 なので、ほとんど光りません。 GaN、GaAs、InP、InAsなどの化合物半導体は、 直接遷移型半導体 なので、発光ダイオードや半導体レーザに使われます。 *

赤﨑と天野は、合成のガスの種類を工夫し、 低温堆積バッファ層技術で、p型GaNの合成に成功しました。 * それが青色LEDとなりました


ダイヤモンド構造(© 黒澤大輝

スズや鉛になると柔らかく、だいぶ自由電子がありそうな気配になってくる。 でも抵抗率は大きく、 鉛電池では合金組成や集電体の形状設計には細心の検討がなされている。

✍ 平常演習

共有結合とイオン結合は電気を流さない。14族元素単体のうち共有結合はどれか?なぜ電気を流すのか?太陽電池パネルのほどんどがSiで、有機半導体が使われない理由を調べなさい。

✍ 平常演習


Fig シリコン・インゴット
©Copyright Kazuhiro Tachibana all rights reserved.

半導体前工程

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)
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
  9 半導体前工程

16 )

17 )


半導体後工程

ダイジング
マウンティング
ボンディング
モールド
トリム&フォーム
選別
検査
マーキング
  10 半導体後工程

バイポーラIC製造プロセス

  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 18 ) 。 (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 19 )

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 20 )


nMOS-ICの製造プロセス

  12 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 21 ) 。 (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 22 )

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 23 )


スイッチングパワーデバイスの例

  11 スイッチングパワーデバイスの例
項目電界駆動電流駆動
弱電
S G
MOSFET
バイポーラトランジスタ
強電
E G
IGBT
GTOサイリスタ
無機工業化学

半導体レーザー

半導体 レーザーの 山ぎりカット も、エッチング加工です。


パワーエレクトロニクス

炭化ケイ素(SiC)は、 新幹線 電気自動車 を支えるパワーエレクトロニクスの主役として期待されています。

また、 HEMT は、 電波 の発信基地局や、自動車用レーダーに使われています。

  12 電子と磁気
項目電子磁気
材料 半導体、 🏞 セラミックス 鉄合金、酸化物
デジタル記録 フラッシュメモリ、SDD 磁気テープ、HDD
アナログ記録 磁気テープ
マイク エレクトロレットマイク ダイナミックマイク
スピーカー 圧電スピーカー ダイナミックスピーカー
半導体レーザー LED
04 11 無機工業化学

パワーエレクトロニクスで共有結合のSiCやイオン結合のGaNが使われる理由を調査し、スマートグリッドにどう活用されてゆくか議論なさい。(※GaNは青色LEDの材料としても有名)


金属と絶縁体

  13  金属と絶縁体
固体の分類 結晶 性質や特色 物質の例 用途
金属 金属( 導体 ギャップ幅が狭い 金属光沢がある。 金属伝導 鉄、 🜠 銅、 🏞 亜鉛、 🜀 アルミニウム 送電
半金属 ギャップ幅が狭く、価電子帯の頂上と伝導帯の底がフェルミ準位を横切って いる 黒鉛 *、ビスマス、アンチモン
絶縁体 半導体(間接遷移型) ギャップが比較的狭い 🏞 ケイ素共有結合)、ゲルマニウム、炭化ケイ素 パワーエレクトロニクス
半導体(直接遷移型) 同じ波数でのギャップが比較的狭い ヒ化ガリウム 発光ダイオード
絶縁体( 不導体 ギャップが比較的広い 酸化アルミニウム(イオン結合) ダイヤモンド(共有結合) 碍子、電解コンデンサ

電気を流すのは金属だけです。黒鉛が電気を流すのは例外です。

導体としては金属や合金が一般的であり、CuやAlなどの金属は送電用ケーブルに使用される。

最新工業化学―持続的社会に向けて―より引用

半導体の製造工程

紙幣と フィンテック

次回

印刷のインクはどうするか?顔料と染料の違いは?

バビル2世とコンピュータ

印刷技術、写真技術、パターニング技術とフォトリソグラフィーについて調べ、プリンテッドエレクトロニクスが抱える課題について説明しなさい。


参考文献


無機工業化学


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