「ナノテクキャリアアップ特論」 エレクトロニクスとエネルギー分野における ナノテクノロジーの活用と課題 福島 伸 株式会社 東芝 研究開発センター 首席技監 OUTLINE 株式会社東芝、東芝研究開発センターのご紹介 ナノテクノロジ―／ナノエレクトロニクスに関する 動向 東芝のナノテクノロジ―研究開発・活用例 課題と将来への期待 東芝の概要 創 業： 明治 8(1875)年 ７月 本社所在地： 東京都港区芝浦1-1-1 社 長 ： 室町 正志 売 上 高： 5兆6687億円(連結) 資 本 金： 4,399億円 総資産額： 6兆6559億円 (連結) 株 式 数： 42億3,760株 (単独) 研究開発費： 3000億円 従業員数： 約20万人 (単独) (連結) (連結) (2015年3月期) Nanometer-sized devices to Nuclear power plants 東芝の事業・研究開発領域 Copyright 2006-2007, Toshiba Corporation. 幅広い事業・製品を対象としたナノテクの研究開発・応用 東芝のナノテクノロジー ものは大きくてもナノ ナノスケールのプロセス制御で性能向上 まったく新しいナノ機能 ナノスケールで起こる新しい機能や DNA、細胞の機能を利用 小さくすることで高性能 微細化や微細構造で高性能化 BUSINESS -DATA- 概要 2015年3月31日現在 その他 3,622（5％） 欧州 11,060（5.6％） 欧州 7,729 （12％） 北米 11,247（17％） ※数値は連結データ 日本 27,059（41％） その他 2,701（1.4%） 北米 22,493 （11.3％） アジア・オセアニア 16,901（25％） アジア・ オセアニア 51,168 （25.7％） 日本 111,319 （56.0%） その他 5,290（7%） ライフ スタイル 11,637 （16%） 電力・ 社会インフラ 20,038 （28％） 電子デバイス 17,688 （24%） コミュニティ・ ソリューション 14,107 （19%） ヘルスケア 4,125（6％） 地域別売上高 地域別従業員数 セグメント別売上高 （2014年度） （2015年3月31日現在） （2014年度） 合計66,559（単位：億円） 合計198,741（単位：人） 合計66,559（単位：億円） セグメント間の内部売上高消去6,326億円含む 2015-2016 会社案内 © 2015 Toshiba Corporation 6 東芝のセグメント別営業利益 ＊2010年からセグメント変更 ＊＊2015年は３Qまでの業績 © 2015 Toshiba Corporation 7 OUTLINE 株式会社東芝、東芝研究開発センターのご紹介 ナノテクノロジ―／ナノエレクトロニクスに関する 動向 半導体デバイスの限界 微細化以外の価値創造 Diversification / More than Moore 新しいコンピューティングの世界へ 東芝のナノテクノロジ―研究開発・活用例 課題と将来への期待 90 years of Quantum mechanics Werner Heisenberg’s matrix mechanics "Quantum-Theoretical Re-interpretation of Kinematic and Mechanical Relations“ 29 July 1925 50 years of Moore’s Law "Cramming more components onto integrated circuits", Electronics Magazine 19 April 1965 41 years of Scaling ROBERT H. DENNARD “Design of Ion-Implanted MOSFET’S with Very Small Physical Dimensions” 1974 小型化による性能向上の例：LSIスケーリング則 Design of Ion-Implanted MOSFET’S with Very Small Physical Dimensions ROBERT H. DENNARD, et al. IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol9, 256 (1974) Intel® Processors Processor Clock Intro Speed(s) Date(s) Mfg. Transis Addressabl Cache Process tors e Memory Bus Speed Typical Use 4004 108 KHz Nov-71 10-micron 2300 640 Bytes None 108 KHz Busicom calculator, arithmetic manipulation 8008 200 KHz Apr-72 10micron 3,500 16 KB None 200 KHz general calculators, bottling machines 8080 2 MHz Apr-74 6micron 6,000 64 KB None 2 MHz Traffic light controller, Altair computer (first PC). Desktops and entrylevel workstations Pentium 4 1.4-2 GHz Nov-00 0.18micron Core2 Duo T9800 2.93 GHz 8-Dec 1971: 4004 45nm 42 million 256 KB Advanced Transfer L2 Cache 410 million 64 GB 1974: 8080 400 MHz 6 MB 1066 MHz Mobile PC 2000: Pentium® 4 スケーリング則が確立した時には、すでにLSIの微細化が進行していた!? 1971:Intel 4040 1972:IBM MOSスケーリング則を発表 1976: Apple Computer, Cray-1, 超エル・エス・アイ技術研究組合 1978:Intel8086 1978:東芝日本語ワープロ 1979 NEC PC-8000 1981 :IBM Personal Computer 1984:Apple Macintosh, IBM PC/AT 1985:Microsoft Windows 1.0 NTT ショルダーホン 1986 東芝 NANDフラッシュ・メモリ 1989:東芝 DynaBook 1991:Acorn ARM6 1993:Intel Pentium 1971: 4004 1974: 8080 1998:Acorn→ ARM Ltd 2003:ルネサステクノロジ設立 2005:ソニー，ソニー・コンピュータエンタテインメント，IBM ，東芝 Cell 2007:TIやソニー最先端ロジックプロセス自社開発取りやめ エレクトロニクスは初期段階からは予想もできないほど進 化した（Scalingの範疇でさえ予想できない）が、 そのPrimitiveな段階から、他ではなし得ないSolutionを 提供してきた Dirk Beernaert, European Commission, http://www.inc9.de/index.php?id=program Encountering various difficulties and Limitations Cited from N. Yokoyama (Fujitsu), TIA Nanotech International Workshop (Feb. 16, 2010) Less Firms active in advanced Logic More Power Required Information Explosion Slowdown in Moore’s Law Prof. Tom Conte, Georgia Institute, IEEE Computer Society Dirk Beernaert, European Commission, http://www.inc9.de/index.php?id=program メガトレンドとIT技術 IoT* 地球温暖化、環境保全 資源制約 生産革命 • 食糧問題 • 交通渋滞 • 潮位把握、地震・災害対応 少子高齢化・介護 医療費増大 人材育成 M to M センサーネット クラウドCP 世界の様々な課題・現象について、 我々の周りのあらゆる情報が利用されようとしている。 *IoT: Internet of Things モノのインターネット © 2016 Toshiba Corporation 18 Kos Galatsis, UCLA INC8 Conference, Tsukuba, Japan, 2012 © 2016 Toshiba Corporation 19 Existing technologies ‘Bridge to’ MEMS ++++ Materials LifeScienceBio (CMOS) Fusion of ‘Beyond CMOS Elements’ to CMOS New technologies This figure is obtained by editing the original one made by ERD-WG, STRJ, in Japan © 2016 Toshiba Corporation 20 Jonathan Rothberg Development of the Ion Torrent CMOS Chip for DNA Sequencing “$1000 Genome” @IEDM2013 Session 8 - FOCUS SESSION: Sensors, MEMS, and BioMEMS - Sensors and Microsystems for Biomedical Applications © 2016 Toshiba Corporation 21 • たとえば・・・ナノエレとライフサイエンスの関係 – 双方向の理解が必要 • エレクトロニクスからライフサイエンスに対する理解が不十分 – ライフサイエンスからエレクトロニクスへの期待は？ • ライフサイエンスは現状のエレクトロニクスの応用で十分だと思っている • ほかの新しいテクノロジとの関係も同様 • 定型の開発・事業だけで良い時代からほかの技術・事業・ライフスタイ ルと結びついた新しい発想の時代に！ • 人々が求める新しい製品、システムの生まれ方が変わってきている レガシーカンパニー主導⇒ベンチャー企業による斬新な発想 単に技術主導ではなく、どんなライフスタイルにしたいか、どんな世の中に したいかと常に考え続けることが大切 ただしどれだけの事業規模なのかは非常に重要 © 2016 Toshiba Corporation 22 Diversification:エレクトロニクスとほかの技術の融合はかなり進んで きている。 肝心のコンピューティングの将来？ 従来の枠組みではBig Data, IoTに伴うデータ量の増加、演算処理量 の増加に対応できない。 デバイスも演算速度、消費電力そして経済性の観点で限界。 この10年～20年の間、新しいデバイス（Beyond CMOS)の探索を 続けてきたが、スピードと低消費電力を兼ね備えた革新的デバイスは見つ かっていない。 © 2016 Toshiba Corporation 23 © 2016 Toshiba Corporation 24 Prof. Tom Conte, Georgia Institute, IEEE Computer Society © 2016 Toshiba Corporation 25 Prof. Hinton and his colleagues at Toronto U. won ILSVRC competition in 2012. 26 © 2015Toshiba Corporation Artificial intelligence will reach human level by around 2029. Follow that out further to say, 2045, we will have multiplied the intelligence, the human biological machine intelligence of our civilization a billion-fold. - Ray Kyrzweil Singularity: A threshold after which the pace of technological evolution is so rapid that no human can keep track of it let alone understand it, or, ability and knowledge of AI exceeding those of total humankind. Current AI is depending upon very large scale, complicated computers and their power consumption would be too huge to provide power to enough number of computers. 27 © 2015Toshiba Corporation 28 © 2015Toshiba Corporation http://news.mynavi.jp/series/deeplearning/001/ ディープラーニングシステムは、脳を構造 の知識を利用して、多層の神経細胞で データを処理する。後の層になるほど高次 の抽象性を持つ情報を抽出する。 次の図の上側のニューロンは、下のx1、x2、 x3と書かれたニューロンからの信号にそれ ぞれ、w1、w2、w3という重みを掛けて総和 を取り（関和演算）、総和を非線形の関数 (フィルター)を通して出力を作る。 30 © 2015Toshiba Corporation http://news.mynavi.jp/series/deeplearning/001/ 特徴量抽出と教師あり学習 ニューロン層を重ねてネットワークを作る。 下層からの出力の小領域を、上の層の1 つのニューロンに接続する。 学習のためには、この画像は何を表して いるかという正解(教師)を教えてやること が必要で、正解に近づくように重みを変 更して行く。 オートエンコーダによる教師なし学習 オートエンコーダは、次の図にように隠れ 層の出力を復元層という層に戻す構造と して、入力と復元層の出力が近づくように、 このネットワークのニューロンの重みを調 整する。 31 © 2015Toshiba Corporation ニューロンネットワークを進むにつれ、次の 図のように入力イメージが変形されて行き、 最後の2段で顔の判別が行われている Google:1,000のサーバーの16,000 のコアを使い、3日間で猫の概念を獲 得。膨大な演算時間と電力が必要。 GPU(画像処理用CPU）を用いると高 速化、低消費電力化が可能。 32 © 2015Toshiba Corporation NVIDIA Tesla M40 CUDA core 3072, 250W NVIDIA DRIVE PX 2.3TFlops, 12 Cameras, DeepLearning © 2015Toshiba Corporation 33 © 2015 Toshiba Corporation H.-S. Philip Wong*, et al, IEDM2015-67 IBM Watson 35 © 2015Toshiba Corporation デバイスやコンピューティングパワーの発展により“冬の時代”を乗り越え てきたAIが演算能力の飽和に初めて直面する 36 © 2015Toshiba Corporation トレンド１： ニューロン、シナプス Panasonic パナソニック ニューロモルフィック強誘電体素子(強誘電体トランジ スタ、“強誘電体メモリスタ”）を用いた アナログ演算によるパターン認識 9個のニューロン回路で消費電力1/10を実証 37 © 2015Toshiba Corporation ディープラーニングに適したデバイスの探索 パナソニック ニューロモルフィック強誘電体素子(強誘電体 トランジスタ、“強誘電体メモリスタ”）を用いた アナログ演算によるパターン認識 9個のニューロン回路で消費電力1/10を実証 38 © 2015Toshiba Corporation HPの例 Memristive devices for computing Hewlett-Packard Laboratories, Nature Nanotechnology (2013) 39 © 2015Toshiba Corporation 生体様エミュレータ IBM True North IBM True North 4056(cores)x256 (=1M) programmable CMOS "neurons" 4056(cores)x256x256 (=265M) programmable SRAM "synapses" ソフトウェアでのオフライン学習によるパラメータをマッピング 出力密度：1平方センチあたり20mW（既存のプロセッサの1/2500） 40 © 2015Toshiba Corporation DL & NN ハードウェア研究開発の推移 年 台湾 中国 EU USA 80-90年代 に輝き Stanford, GPU, 2009 日本に 温故知新が必要 九州工大, CMOS, 2011 2012 GIST, PCM, 2013 (IEDM) 2013 パナソニック, GIST, FeRAM, PCM, 2013 (VL) 2013 (IEDM) CEA/LETI, PCM, 2011 (IEDM) KAIST, POSTECH, ASIC, PCMO, 2015 2015 (ISSCC) (IEDM) 2016 清華大, ASIC, 2015 (IEDM) NEDO KAIST (3件), ASIC (processor), 2016 (ISSCC) ようやく？ まもなく？ 北京大., ReRAM, 2015 (IEDM) ETHZ, Analog CMOS, 2015 (IEDM) Stanford, ReRAM, 2013 (IEDM) Tennessee, Michigan, Purdue, IBM, IBM, Floating gate, ASIC, ARM+FPGA, TrueNorth, PCM, 2014 (ISSCC) 2014 2014 2014 2014 (IEDM) Microsoft, Synopsys, IBM, Arizona U., UCSB., Michigan., FPGA, IP core, PCM, ReRAM, ReRAM, ReRAM, 2015 2015 2015 2015 2015 2015 (IEDM) (IEDM) (IEDM) (IEDM) CEA, CBRAM, 2014 (IEDM) 2013-2023 Purdue, FPGA (neuFlow), 2012 Stanford, PCM, 2013 (IEDM) CEA/LETI, ReRAM, 2014 (IEDM) 脳科学計画 2015 Google, Cloud, 2012 CEA/LETI, ReRAM, 2012 (IEDM) Einthoven U., FPGA, 2013 NCTU, ReRAM, 2014 (IEDM) 2014 Toronto, FPGA, 2010 NYU, FPGA, 2011 Human brain project 2009 2011 韓国 MIT, FPGA, 2016 (ISSCC) 2016-2026 41 © 2015Toshiba Corporation Brain initiative 日本 41 Deep Learning Machines or Devices Advanced GPU AI Accelerators NVIDIA Tesla M40 CUDA core 3072, 250W Digital Neurons NVIDIA DRIVE PX 2.3TFlops, 12 Cameras, DeepLearning Analog Neurons Hewlett-Packard Memristive Devices IBM True North CMOS "neurons" TOSHIBA +SrogrammableOpportunities? SRAM “Synapses" Product-sum operation cache memories? Using MRAM or Flash integration technologies CMOS Technologies Brain Sciencs Brain Inspired Devices Flash-based neural Devices? “Neuron MOS?” Memory-Based Technologies 42 © 2015Toshiba Corporation OUTLINE 株式会社東芝、東芝研究開発センターのご紹介 ナノテクノロジ―／ナノエレクトロニクスに関する動向 東芝のナノテクノロジ―研究開発・活用例 課題と将来への期待 © 2016 Toshiba Corporation 43 東芝のナノテクノロジー活用 NANDフラッシュメモリー 極限の微細化を支えるナノ領域特有の効果（クーロンブ ロッケイド）と超高密度化を実現するデバイス構造技術 NAND Flash Memory Bit lines Word lines Cross section Bit line Memory Cell Transistor = Device Word line (Gate) Word lines Block layer Charge store part Source Tunnel layer Drain Smaller memory cell → Higher density Development of NAND Flash Memories 1980 1984 Toshiba Development of NAND Flash 1978 INTEL memory Development of EEPROM 1995 1992 NAND Flash Production 0.7μ 16Mb 2000 2005 2007 2007 Vertical NAND Flash “BiCS” 2014 15nm 256Gb 46 © 2015Toshiba Corporation 47 © 2015Toshiba Corporation ＮＡＮＤフラッシュメモリ（１） 世界最小のチップサイズ実現 19nm微細化技術を採用 •液浸解像限界までゲート電極 の長さ方向を縮小 Air Gap 技術を採用 •ゲート電極間にAir Gapを導入し メモリセル間の干渉を抑制 64Gb（4値/セル） Control Gate 19nm Air Gap 128Gb（8値/セル） 19nm製品 64Gb （4値/セル） 128Gb （8値/セル） 用途 高信頼性品 通常品 Program Throughput 15MB/s (16kB) 18MB/s (16kBx2) Die Size 112.8mm2 170.6mm2 Floating Gate © 2012 Toshiba Corporation ＮＡＮＤフラッシュメモリ（２） 各世代において、チップサイズ優位性を維持 Chip Size -28.3% -22.3% 他社製 東芝製 30nm世代 他社SS 35nm 35nm TSB 32nm 32G D2 CS：’09/5 CS：’09/4 Core部配線 R/D 周辺回路 S/A セルアレイ -14.5% 他社製 東芝製 20nm世代 32G D2 scribe 他社製 東芝製 10～20nm世代 他社27nm 27nm SS 32G D2 x 2 TSB 24nm 64G D2 CS：’10/5 CS：’10/8 他社 SS 2Ynm 2Ynm 64G D2 CS：’11/10 TSB 19nm 64G eD2 CS： ’11/4 © 2012 Toshiba Corporation ３Ｄメモリとメモリ開発計画 3Dメモリ：従来NANDの枠を超えたメモリとして位置づけ BiCS →大容量ファイルメモリ分野を中心にストレージ展開 ReRAM →高信頼性大容量メモリ分野を中心にストレージ展開 2013年にプロトタイプサンプルを予定 2015年に512Gbitの大容量を実現し、その後Tbit容量域を超え継続開発 128Gbit BiCS Prototype NAND型フラッシュメ モリ 世界最小チップサイズ堅 FY NAND 持、限界まで微細化 3Dメモリ 14年サンプル出荷 64Gbit ReRAM Test Chip 2012 2013 19nm 1Ynm 1Znm 量産開始 サンプル 2011 2014 64-128Gbit 3Dメモリ BiCS ReRAM PTS* 2015 128-256Gbit 256-512Gbit サンプル 量産 *PTS：Proto Type Sample © 2012 Toshiba Corporation BiCS (Bit Cost Scalable) フラッシュメモリ 従来のNANDフラッシュメモリを立体化し、一括加工することでビットコス トの低いメモリを提供する SONOS with Double junction Gate Control ox. Charge trapping layer Si9N10 Tunnel ox. SONOS memory device SONOS with Double junction Gate Control ox. Charge trapping layer Si9N10 Tunnel ox. Si nanocrystals Tunnel ox. SONOS memory device with double tunnel junction Great advantage in trade-off between charge retention and w/e speed TEM View (1) 15nm Si9N10 Double junction 15 nm gate length device TEM View (2) 1.2 nm 5nm Small Si nanocrystals 1.2 nm Charge Retention Improvement Energy Single SiN Double SiN Si nanocrystal (Si dot) DE : Coulomb blockade & Quantum confinement Pt single / Pt double ∝ exp(DE / kBT) 量子暗号通信 Quantum Key Distribution 東芝欧州研究所 ケンブリッジ研究所 Toshiba Research Europe Ltd (TREL) Cambridge Research Laboratory (CRL), UK Dr. A. Shields 光通信と暗号 暗号鍵 （公開鍵） 10001011010 01001100101 10100111011 10001011010 01001100101 10100111011 解読鍵 （秘密鍵） インターネット 公開鍵暗号（RSA暗号）が一般的だが万全ではない。 （RSA768（768ビット）は解読可能。現在の商用RSAは1024ビットを使用） データと同じ長さの使い捨て完全乱数暗号（バーナム暗号）は 無条件に安全だが、暗号鍵の授受が課題。 量子暗号鍵配信では光通信路上における完全秘匿の暗号鍵 授受が可能（自然法則による秘匿性の保証）。 量子暗号鍵配送（QKD） 光ファイバー 光子 暗号鍵は単一光子（の位相）にエンコードされて配送される。 経路上に盗聴者が存在した場合、確実に検出できる。 暗号鍵の秘匿性は量子力学の原理に基づく。 単一光子は分割できない。 観測を行うと量子状態は変化し、元の状態は再現できない。 Why use Single Photons? Answer: provides a unique test of secrecy of each communication Bob (intended recipient) Alice (sender) A photon cannot be split provides security from ‘tapping’ Alice and Bob form key only from photons received by Bob Eve (hacker) taps part of signal Therefore Eve receives no information about key Encoded photon cannot be copied faithfully No-cloning theorem: Not possible to copy all properties of quantum state detector emitter Alice copying introduces errors (detectable by Alice & Bob) Quantum cryptography can be proven secure from all types of hacking Bob Stabilisation System Feedback circuit (CRL innovation) stabilises interferometer fibre length and photon polarisation Feedback Circuit Fibre Stretcher Polarisation Controller 関連特許UK2430124, UK2430123, UK2404103 Feedback Circuit 赤部分が今回の技術 QKD Benchmarking 今回の成果 Toshiba CRL 2010 Continuous operation (closed symbols) bit rate (bits/s) 1M Toshiba CRL 2008 100k 短時間ＱＫＤ実績 NTT/Stanford 2008 10k Few second operation (open symbols) 連続動作ＱＫＤ実績 1k SECOQC (EU-pj) SECOQC (EU-pj) NEC 2008 100 0 20 40 60 80 fibre length (km) 100 120 • Secure bit rate is 100-1000x higher than any previous demo with continuous operation. • Secure bit rate is higher than any previous demo (continuous or instantaneous). Comparison of Photon Detectors & Protocols system NTT / Stanford NEC Toshiba CRL detector upconversion superconductor Selfdifferencing avalanche photodiode size medium large compact QKD protocol differential phase shift simulated decoy full decoy BB84 Unconditionally Secure? No No Yes • Our main advantage over competitors is the photon detector. • Toshiba CRL detector has highest bit rate and is based on simple semiconductor device. • Toshiba CRL systems uses unconditionally secure QKD protocol. (Full Ｄecoy法による一方向通信) An EntangledLight Emitting Diode C. L. Salter1,2, R. M. Stevenson1, I. A. Farrer2, C. A. Nicoll2,D. A. Ritchie2 and A. J. Shields1 1Toshiba Research Europe Ltd, Cambridge Research Laboratory, UK 2Cavendish Lab, University of Cambridge, UK To be published in Nature on 3 June 2010 © 2010 TREL We are grateful to the UK Engineering and Physical Sciences Research Council and the EC Future and Emerging Technologies programme for partially funding this work How it Works (technical) • based on emission of quantum dot grown inside ordinary LED Quantum dotV n-type • Voltage pulse injects two electrons and two holes into dot • Recombination leads to emission of two photons with entangled polarisations p-type Challenges (technical) • design barrier region to ensure that dot does not charge with extra electron p p CB i QD e tunnelling charges dot with extra electron i n CB thicker barrier region prevents electron tunnelling ( ) H XX H X eiS / VXX VX • design of quantum dot structure XX • entanglement is destroyed by • optimise structure of dot to eliminate splitting and allow emission of entangled photons 6 nm VXX 12 nm Energy energetic splitting (S) of dot QD e PL Intensity n HXX XH S XV 200µeV S X HX VX 1378.0 1380.0 Energy (meV) GS quantum dot -S XX Time Proof that Emitted Light is Entangled (technical) • test for entanglement by comparing polarisations of the two emitted photons fix polarisation of 1st photon to be vertical measure 2nd photon is vertical (90% of time) fix polarisation of 1st photon to be diagonal V measure 2nd photon is diagonal (90% of time) V • we see the same polarisation for both vertical and diagonal measurements • measurements on 1st photon appear to change state of 2nd photon • this proves that the photons are entangled 東芝のナノテクノロジー活用 エネルギー応用 新型２次電池ＳＣｉＢ ＳＣｉＢTMの特長 安 全 性 長寿命 充放電５０００回以上 使用可能 高出力 キャパシタ並の 入出力密度 過酷な条件で使用しても破裂・ 発火の可能性が小さい 急速充電 5分間で充電可能 低温動作 寒冷地（－３０℃） でも使用可能 リチウムイオン電池の原理 充電時 放電時 Charging Discharging 電解液 Electrolyte 負極 Anode （負極材） 正極 Cathode Ｌｉイオン Li-ion セパレータ Separator 負極 Anode （負極材） 正極 Cathode Ｌｉイオン Li-ion セパレータ Separator 負極材料に熱安定性の高いナノ粒子材料技術を導入 水島公一博士“３８年前の話（１９７８-７９年）” 現在でもつかわれているLIB正極の発見 １．２度のオイルショック １９７３ 第４次中東戦争（第1次オイルショック） １９７９ イラン革命（第2次オイルショック） サッチャー改革 1976 アガサクリスティー 死去 ２．アメリカの１人勝ち時代が終焉（円高が進行） 1971年 360円（固定相場） 1973 300 ３．物性物理の閉塞感 1978 J. Goodenough 1976 MIT (Lincoln Lab.) 磁性体の研究 250 Oxford (Inorganic Chem.) エネルギー関連の材料研究 リチウム電池、水の光分解、室温超伝導探索 1977 K. Mizushima (Tokyo Univ.) 磁性体の研究 G. Campet (Bordeaux Univ. ) Sun Rising Country P. Edwards (Cornell Univ.) 金属・絶縁体転移の研究 1977 16Kb DRAM (NEC) 1978 日本語ワープロ（東芝） J. Goodenough と K. Mizushima (1973 ----) 1973 74 75 76 オイルショック J. Goodenough 78 79 80 LixTiS2 /Li 電池 MIT Lincoln Lab. Oxford Inorganic Lab. 磁性酸化物 水の光分解 超伝導体 MMM Conference （1973, Boston） Magnetism and Magnetic Material K. Mizushima 77 Li電池正極材料の探索 磁性酸化物 Tokyo Univ. Tokyo Univ. Oxford Inorganic Lab. 遷移金属（３ｄ）酸化物および硫化物の典型的なバンド構造 通常 酸化物の仕事関数は硫化物のものより大きい 真空準位 小さな仕事関数→ 小さな起電力 大きな仕事関数 → 大きな起電力 EF EF 3d band Sulpher 3p band Oxygen 2p band 酸化物 硫化物 3d band 遷移金属酸化物の２つの典型的なバンド構造 T<U EF U Fe4+, Co4+, Ni4+ イオンの 酸化物 3d (d) Ｔ Cr3+, Fe3+, Ni2+ イオンの 酸化物 3d (d) EF O2p O2p (a) Mott 絶縁体 反強磁性体. 絶縁体 (b) 重い高原子価の遷移金属酸化物 ３ｄバンドと２ｐバンドが強く混成 これらの酸化物は１９７０年代においても よく理解されていた これらの酸化物は１９７０年代にはよく理解されて いなかった これらの酸化物の中から１０年後に高温超電導体 が発見された。 大きな仕事関数 高い起電力 LiMO2の充放電特性をサーベイ 特性 LiCoO2 Li NiO2 ◎ ○ Li CrO2 Li VO2 LiFeO2 △ × × イオン半径（M3+） 0.53 (Å) Co3+, Ni3+: Low-spin state 0.56 0.59 Li1+ 0.62 0.64 0.65 NaFeO2 → LiFeO2 （イオン交換法により作製） LiTiO2, LiMnO2: 作製できず カソード特性とイオン半径に相関が見られる。 Low-spin state High-spin state Co3+(3d6) Fe2+(3d6) d 結晶場分裂 ｄ 軌道 Huntの規則 d SCiBTMの材料特徴 Li-C0-Ni-Mn酸化物正極に加えLi-Ti酸化物正極を採用 • 新負極材料 – 燃えにくい微粒子の酸化物系 材料を採用し、暴走反応を抑制 急速充電・安全・長寿命 – 高速に充放電可能で体積変化 が小さいため 長寿命で、角型 セル形状に有利 • 新セパレータ – 燃えにくい、耐熱性の高い材料 の採用により、安全性向上 • 新電解液 – 引火性の抑制 – 電極界面反応の抑制による サイクル特性の向上 高密度パッキング 材料ベースで高い安全性を実現 一般的 リチウムイオン電池 材料・技術 負極材料 LTO(不燃材料)を使用 ⇒熱的に安定 炭素材料を使用 小 内部短絡 電流 ⇒短絡箇所のＬＴＯ表 面は相変態により高抵 抗化 大 なし Ｌｉ金属析出 ⇒高入出力時、低温時、 長期サイクル時でもＬｉ 析出電位に到達せず あり クラッシュテスト、釘 刺しテストの結果 破裂なし、発火なし、 発煙なし 有機電解液中のLiC6とLi吸蔵LTOの示差熱分析 Thermal stability 5 Li-graphite(LiC6) Heat flow (W / g) 4 Thermal runaway 3 2 Lithiated LTO 1 0 No thermal runaway of LTO -1 50 100 150 200 250 Temperature(℃) 300 350 LTO anode with electrolyte shows much smaller heat generation than graphite anode under high temperature LTO負極層と正極層の内部短絡現象 Al Conductive LTO phase Separator Al Internal short circuit point Transformation to low electron-conductive LTO phase Protection from extending short circuit discharge reaction Phase transformation LTO layer Cathode layer Phase transformation in LTO anode works a self-protection against internal short circuit reaction 応用分野 Application Fields OUTLINE 株式会社東芝、東芝研究開発センターのご紹介 ナノテクノロジ―／ナノエレクトロニクスに関する 動向 東芝のナノテクノロジ―研究開発・活用例 課題と将来への期待 新しい技術の実用化には研究が本格化してから10年以上の時間がかかる 新材料開発におけるコラボレーションの必要性 理論・シミュレーションによる物性予測 新しいアプリケーションの 提案と適用 実験による試作・検証 大型評価装置による物性理解と特性評価 材料・デバイスの性能向上の元となる”進化軸“を把握することが大事 このためには理論・実験・評価・応用の連携が必要 得意分野の異なる研究機関のコラボレーション、 External Researchと個別の研究のバランスが重要 86 まとめ 東芝における研究の取組方 ナノテクノロジ―の考え方と定義、なぜナノテク？ ナノテクノロジ―研究開発の現状 ナノテクノロジの本質的な開発ターゲットを得るた めにデバイス・材料を支配するキーファクターを知 る ⇒今後30年～40年、産業界をリードする基本原理を 創造してほしい 87 世の中の流れ 89 研究開発と事業化の時間的関係 1995 コンセプト/発見 日本語処理： ‘７６／１０ 研究グループ 研究グループ発足 1976 年 カナ漢字変換技術特許 特 カナ漢字変換技術 許 ‘ 76/6 76/6 ‘７９／５ 実証 １９７８年 ＪＷ－１０発売 2003/11 科技庁長官賞 全国発明表彰 本田賞 1981/4 1992/6 研究功績者 特許庁長官賞 ‘７６／２ 日本語処理の企画研究 相転移光記録： ‘70年 ECD社・Obshinsky 2000 日本語ワープロ 実証 菅谷（紫綬褒章） GMR効果：’88年 パリ南大学・Fert教授 `９６ 97 重要特許 高精細DVD `９６ 97 佐橋（紫綬褒章）／岩崎（恩賜発明賞） ＧＭＲヘッド `８４NAND型フラッシュ発明 舛岡富士夫 `78 INTEL Perlegos EEPROM開発 `９２ 生産開始 0.7μ 16Mb `９９ TSB-SanDisk JD デジカメ・携 帯・ iPhone・・・ DCT: Discrete Cosine Transform、 CLI：Compression Labs、 MPEG：Moving Picture Expert Group ECD：Energy Conversion Devices、 TTS：Text To Speech、 GMR:Giant Magneto-Resistance Effect 2005 2006/11/3 文化功労者
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