忘備録 昇温脱離分析装置の応用事例
昇温脱離分析装置の応用事例
昇温脱離分析装置は、多様な産業分野で活用されています。ここでは、いくつかの具体的な応用事例を紹介します。
1. 半導体製造における不純物管理
半導体デバイスの高性能化が進む中で、材料に含まれる不純物の影響がより重要視されています。特に、シリコンウェハーや絶縁膜の中に含まれる微量な水素や酸素が、デバイスの特性を変化させることがあります。
昇温脱離分析装置を使用すると、ウェハーの加熱時に放出されるガスの種類や量を正確に測定できるため、製造プロセスの最適化や品質向上に役立ちます。
2. 金属材料の水素脆化評価
水素が金属内部に侵入すると、材料の強度が低下し、破損しやすくなる「水素脆化（Hydrogen Embrittlement）」が発生することがあります。
特に、自動車や航空機、原子力発電などの分野では、高強度な金属材料を使用するため、水素脆化の影響を事前に評価することが非常に重要です。
昇温脱離分析装置を使えば、金属内部にどれだけの水素が取り込まれているかを高精度で測定できるため、安全性の確保に貢献します。
3. バッテリー材料のガス発生評価
リチウムイオン電池や全固体電池の研究開発では、電極材料や電解質から発生するガスが、電池の寿命や性能に影響を与えることが知られています。
例えば、電池の充放電を繰り返すうちに、電極表面で分解反応が起こり、水素や酸素、炭酸ガス（CO₂）などが発生します。これらのガスが蓄積すると、電池の劣化や発火リスクが高まるため、ガスの発生量を正確に測定することが重要になります。
昇温脱離分析装置を使えば、電極材料を加熱した際に放出されるガスの種類と量をリアルタイムで測定できるため、電池の設計や安全性向上に役立ちます。
4. 高分子材料（プラスチック・樹脂）の劣化診断
プラスチックや樹脂製品は、使用環境によって加水分解や酸化分解を起こし、劣化していきます。
例えば、家電製品や自動車の内装部品、医療用ポリマーなどは、長期間使用すると徐々に劣化し、強度や柔軟性が低下することがあります。
昇温脱離分析装置を活用すると、プラスチックや樹脂を加熱した際に発生する分解ガスを測定し、劣化の進行状況を評価できます。
昇温脱離分析装置の測定データの活用
昇温脱離分析装置を使用すると、材料のガス放出特性を数値データとして取得できます。
これらのデータは、製品開発、品質管理、故障解析、環境評価 など、さまざまな用途で活用されています。
1. データ解析による材料特性の可視化
測定結果は、一般的に 「温度 vs. ガス放出量」 のグラフとして表示されます。
このグラフを解析することで、材料がどの温度でどのようなガスを放出するかが明確になります。
例えば：
低温域（50℃～200℃）での水分放出 → 吸湿性や乾燥プロセスの影響を評価
中温域（300℃～600℃）での有機物分解ガスの発生 → 材料の熱安定性を評価
高温域（800℃～1200℃）での金属やセラミックスの脱ガス挙動 → 材料の純度や高温耐性を評価
2. 製造プロセスの最適化
材料のガス放出特性を分析することで、製造プロセスのどの段階で不要なガスが発生しているかを特定できます。
これにより、適切な熱処理温度や真空処理時間を調整し、製品の歩留まり向上やコスト削減につなげることができます。
3. 環境負荷の低減
昇温脱離分析装置を活用して、産業廃棄物やリサイクル材料のガス放出特性を分析することで、環境への影響を評価できます。
例えば、プラスチックリサイクルの際に発生する有害ガスの種類や量を把握し、適切な処理方法を検討することが可能です。
導入時のポイント
昇温脱離分析装置を導入する際には、いくつかの重要なポイントを考慮する必要があります。
1. 分析対象に応じた温度範囲の選定
測定する材料によって、必要な温度範囲が異なります。
例えば：
有機材料やプラスチックの分析 → 500℃以下の低温域での測定が重要
金属やセラミックスの分析 → 1000℃以上の高温域での測定が必要
装置を選定する際には、自社の分析対象に適した温度範囲を確認することが大切です。
2. 測定装置の感度と検出精度
微量なガスを検出するためには、高感度な測定システムが必要になります。
質量分析計（MS）や熱伝導度検出器（TCD）など、適切なガス検出システムを組み合わせることで、より正確な測定が可能になります。
3. 操作性とデータ処理機能
最近の装置は、自動測定機能やデータ解析ソフトウェアが充実しており、初心者でも簡単に操作できるようになっています。
導入前に、操作性やデータ処理機能がどの程度充実しているかを確認することも重要です。
Application examples of thermal desorption analyzers
Thermal desorption analyzers are used in a variety of industrial fields. Here, we will introduce some specific application examples.
Impurity management in semiconductor manufacturing
As semiconductor devices become more and more sophisticated, the effects of impurities contained in materials are becoming more important. In particular, trace amounts of hydrogen and oxygen contained in silicon wafers and insulating films can change the characteristics of devices. Using a thermal desorption analyzer, you can accurately measure the type and amount of gas released when a wafer is heated, which helps optimize the manufacturing process and improve quality.
Hydrogen embrittlement evaluation of metal materials
When hydrogen penetrates into metal, it can cause "hydrogen embrittlement," which reduces the strength of the material and makes it more susceptible to breakage. In particular, in fields such as automobiles, aircraft, and nuclear power generation, where high-strength metal materials are used, it is very important to evaluate the effects of hydrogen embrittlement in advance. Using a thermal desorption analyzer, you can measure with high precision how much hydrogen is absorbed into the metal, contributing to ensuring safety.
Gas generation evaluation of battery materials
In the research and development of lithium-ion batteries and all-solid-state batteries, it is known that gases generated from electrode materials and electrolytes affect the life and performance of batteries. For example, as a battery is repeatedly charged and discharged, a decomposition reaction occurs on the electrode surface, generating hydrogen, oxygen, carbon dioxide (CO₂), and other gases. Accumulation of these gases increases the risk of battery deterioration and fire, so it is important to accurately measure the amount of gas generated. A thermal desorption analyzer can be used to measure in real time the type and amount of gas released when electrode materials are heated, which is useful for improving battery design and safety.
Degradation diagnosis of polymer materials (plastics and resins)
Plastic and resin products deteriorate due to hydrolysis and oxidative decomposition depending on the usage environment. For example, home appliances, interior parts of automobiles, and medical polymers may gradually deteriorate over long periods of use, reducing their strength and flexibility. A thermal desorption analyzer can be used to measure the decomposition gases generated when plastics or resins are heated, and evaluate the progress of deterioration.
Utilizing measurement data from a thermal desorption analyzer
Using a thermal desorption analyzer, the outgassing characteristics of materials can be obtained as numerical data. These data are used for a variety of purposes, including product development, quality control, failure analysis, and environmental evaluation.
Visualization of material properties through data analysis
Measurement results are generally displayed as a graph of "temperature vs. outgassing amount." By analyzing this graph, it becomes clear what kind of gas a material releases at what temperature. For example:
Moisture release at low temperatures (50°C to 200°C) → Evaluate hygroscopicity and the effects of the drying process
Generation of organic decomposition gases at medium temperatures (300°C to 600°C) → Evaluate the thermal stability of materials
Degassing behavior of metals and ceramics at high temperatures (800°C to 1200°C) → Evaluate the purity and high-temperature resistance of materials
Optimization of manufacturing processes
Analyzing the outgassing characteristics of materials can identify at which stage of the manufacturing process unnecessary gases are being generated. This allows you to adjust the appropriate heat treatment temperature and vacuum treatment time, leading to improved product yields and cost reductions.
Reducing environmental impact
Using a thermal desorption analyzer to analyze the gas emission characteristics of industrial waste and recycled materials can evaluate their impact on the environment. For example, it is possible to understand the type and amount of harmful gases generated during plastic recycling and consider appropriate processing methods.
Key points when introducing a thermal desorption analyzer: There are several important points to consider when introducing a thermal desorption analyzer.
Selecting the temperature range according to the analysis target
The required temperature range varies depending on the material to be measured. For example:
Analysis of organic materials and plastics → Measurement in the low temperature range below 500°C is important
Analysis of metals and ceramics → Measurement in the high temperature range above 1000°C is required
When selecting a device, it is important to check the temperature range that is appropriate for your company's analysis target.
Sensitivity and detection accuracy of the measurement device
A highly sensitive measurement system is required to detect trace amounts of gas. Combining it with an appropriate gas detection system, such as a mass spectrometer (MS) or thermal conductivity detector (TCD), allows for more accurate measurements.
Operability and data processing capabilities
Recently, automatic measurement functions and data analysis software have been enhanced, making it easy for even beginners to operate. Before introducing the system, it is also important to check how well the system is operable and has data processing capabilities.