ナノガラス技術プロジェクト　概要と基本計画
ナノガラス技術プロジェクトは経済産業省、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO) の委託を受けて実施するものである。
概　　要
１．研究開発の目的 　無機非晶質材料の原子・分子レベルでの構造を制御して新機能を付加したり、異質相を材料表面や材料内に並べる技術等の開発を行うことにより、ナノガラスに関する新材料開発に必要な技術の基盤を構築する。 ２．研究開発の目標 　平成１７年度までに、レーザー照射やCVD等により、原子・分子レベルの構造制御、超微粒子等構造制御、高次構造制御及び３次元光回路材料技術に関するガラス構造制御技術を確立するとともに、技術を体系化する。 ３．研究開発の内容 �@原子・分子レベルでの構造制御技術 ガラス中の活性イオンや欠陥の電子状態等を計測・評価する技術、並びに、屈折率等の光学的特性を制御するための外部場操作技術を開発する。 �A超微粒子等構造制御技術 温度依存性が異なる結晶相や分相等の異質相をガラス母材に微細析出させる技術、並びに、超微粒子を高濃度で均一に分散させたガラス材料の作製技術を開発する。 �B高次構造制御技術 屈折率、機械的特性が母材と異なる異質相を周期的に形成する技術、並びに、厚さ方向に連続する有機材料相をハイブリッドしたガラス膜を形成する技術を開発する。 �C三次元光回路材料技術 屈折率差を有する超微細パターンを光導波路として形成する技術、並びに、人工的光結晶中に光の屈曲、分岐、合流部を含む三次元光回路を形成する技術を開発する。 また、超高密度記録を可能とする光メモリディスク用のガラス薄膜材料技術、並びに、波長混合光を波長分離することによって複数情報の同時読取り書込みが可能な光メモリヘッド用のガラス材料技術を開発する。 �D技術の体系化 組成、プロセス、構造及び特性・機能（膨張率、屈折率及び吸収・発光等）の相関を、特に特異現象が発現する領域において定量化する。 ４．研究開発の実施期間 平成13年度から平成17年度までの5年間とする．ただし、研究項目�Cは、平成12年度から平成17年度までの6年間とする。
｢材料ナノテクノロジー｣プログラム ナノガラス技術｣プロジェクト基本計画（ＮＥＤＯ制定）
1.研究開発の目的、内容及び目標 (1)研究開発の目的 　21世紀の革新的技術として、情報、環境、安全・安心、エネルギー等の広範な分野の基盤技術である材料技術を根幹から変貌させることが期待される材料ナノテクノロジー（物質の構造を超微細に制御することにより、機能・特性の向上や新機能の発現を図る材料技術）の基盤的研究開発を行いつつ、得られた成果等の知識の体系化を図ることを目的とする｢材料ナノテクノロジー｣プログラムの一環として、本プロジェクトを実施する。 　ガラスは社会の広範な分野で欠かせない基幹材料となっており、情報通信の超高速大容量化や各種機器の小型・軽量化、省エネ化等のニーズに対応するためには、今後ますます高機能化が求められる。ガラスは結晶材料に比べ、組成の選択範囲が連続的で広く、かつ構造の自由度が大きい。このため組成と構造の多くの組み合わせが可能で、それに伴い種々の潜在的特性・機能があると考えられる。しかし従来技術は、組成の制御と熱処理等、マクロな構造制御に終始しており、ごく一部の特性や機能しか実現できていない。ガラスが本来有している潜在的な特性や機能を有効に引き出すためには、ナノレベルにまで及ぶガラス構造制御が必要となる。 　本プロジェクトでは、原子・分子レベル（1nm以下）の電子状態等の構造評価と制御技術の開発、光の波長の1/10以下である1〜数十nmレベルの超微粒子や異質相をガラス中に分散させる構造制御技術の開発、異質相をガラス中に規則的に配列してその構造により新たな機能を発現させる技術の開発、並びに光回路に適した低損失の導波路用ガラス材料等の開発を実施する。これらの研究開発で得られた結果を基に、ナノレベルのガラスの構造を高精度に制御する技術の体系化を図り、ナノガラス材料開発に必要な基盤技術を構築することを目的とする。 　これにより、情報通信、建築、運輸、環境等の広範な分野に利用される基盤技術の形成、並びに、これらの分野の省エネルギー化に資する。 (2)研究開発の目標 　平成１7年度までに、レーザー照射やCVD等により、原子･分子レベル構造制御、超微粒子分散等構造制御、高次構造制御及び三次元光回路材料技術に関するガラス構造制御技術を確立するとともに、技術を体系化する。 (3)研究開発内容 　上記目標を達成するために、以下の研究項目について、別紙の研究開発計画に基づき研究開発を実施する。 　　�@原子･分子レベルでの構造制御技術 　　�A超微粒子分散等構造制御技術 　　�B高次構造制御技術 　　�C三次元光回路材料技術 　　�D技術の体系化 2.研究開発の実施方式 (1)研究開発の実施体制 　本プロジェクトは、新エネルギー・産業技術総合開発機構（以下、「NEDO」という。）が選定する企業、民間研究機関、独立行政法人、大学等（委託先から再委託された研究開発実施機関を含む。以下、「委託先」という。）が、共同研究契約等を締結し研究体を形成して実施する。 　共同研究開発に参加する各研究開発グループの有する研究開発ポテンシャルの最大限の活用により効率的な研究開発の推進を図る観点から、研究体には研究開発責任者（プロジェクトリーダー）を置き、その下に研究者を可能な限り結集して効果的な研究開発を実施する。なお、研究開発責任者は、委託先決定後に、NEDOが指名する。 (2)研究開発の運営管理 　研究開発全体の管理・執行に責任と決定権を持つNEDOは、経済産業省及び研究開発責任者と密接な関係を維持しつつ、プログラムの目的及び目標、並びに、本プロジェクトの目的及び目標に照らして適切な運営管理を実施する。また、必要に応じて、外部有識者の意見を運営管理に反映させる。 3.研究開発の実施期間 　平成13年度から平成17年度までの5年間とする。ただし、研究項目�Cは、平成12年度から平成17年度までの6年間とする。 4.その他の重要事項 (1)評価の実施時期 　NEDOは、技術的及び産業技術政策的観点から見た研究開発の意義、目標達成度、成果の技術的意義、並びに、将来の産業への波及効果等の観点から、外部有識者による研究開発の中間評価を平成15年度、事後評価を平成18年度に実施する。 (2)研究開発成果の取扱い �@成果の普及 　本プロジェクトで開発される基盤技術、技術体系、データベース等の成果については、NEDO、実施者とも普及に努めることとする。 �A知的所有権の帰属 　委託研究開発の成果に関わる知的所有権については、「新エネルギー・産業技術総合開発機構産業技術研究開発等業務方法書」第19条の規定等に基づき、原則として、全て委託先に帰属させることとする。 (3)基本計画の変更 　NEDOは、研究開発内容の妥当性を確保するため、社会・経済的状況、内外の研究開発動向、産業技術政策動向、プログラム基本計画の変更、第三者の視点からの評価結果、研究開発費の確保状況等を総合的に勘案し、達成目標をはじめ基本計画の見直しを弾力的に行うこととする。 (4)その他 　｢材料ナノテクノロジー｣プログラムで実施される他のプロジェクトと連携を図りつつ実施することとする。
（別紙）研究開発計画　研究項目�@　「原子･分子レベルでの構造制御技術」 1.研究開発の必要性 　ガラスの原子・分子レベルの構造を制御すれば、従来のマクロな構造制御では発現できなかった、ガラス材料の光学的、電磁気的、機械的及び化学的等の優れた特性や機能を、有効に引き出すことが期待される。 　そのために、従来のマクロな構造制御とは異なった新たな手法、つまり、外部場（光、電場、熱及び圧力等）を作用させることによって、組成変化や異質相等を生成させずに、原子・分子レベルの電子状態等を変化させる技術の開発が必要である。また、計測技術及び計算科学を有効に組み合わせて、ガラス中の電子状態、配位子場等やナノ領域の応力等を、高精度に計測し、評価する技術の開発が必要である。あわせて、ガラス材料開発の基盤として、広範な系統のガラス組成について、原子・分子レベルの電子状態等と物性との相関関係を整理することが必要である。 2.具体的研究内容 (1)電子状態等の測定･評価技術 　分光法等の計測法及び計算科学的手法（分子軌道法及び分子動力学法等）を用いて、ガラス中の活性イオンや欠陥の電子状態、配位子場及びナノ領域の応力等を、計測・評価するための技術を開発する。また、コンビナトリアルケミストリーの手法を用いて種々の組成のガラスを短時間で系統的に作製し、広範なガラス組成について、物性と原子・分子レベルの電子状態等との関連付けを行う。さらに、この成果を基に研究項目�A〜�Cに適したガラス材料を探索する。 (2)外部場操作技術 　ガラスの構成原子や導入したイオン等の結合角や配位子場を変化させて、波長分散や透過特性等の物性を変えずに、屈折率等の光学的特性を等方的あるいは異方的に制御するための超高圧印加等による外部場操作技術を開発する。 3.達成目標 (1)電子状態等の測定･評価技術 ・ガラス中の活性イオンや欠陥の電子状態、配位子場及びナノ領域の応力等を、計測・評価する技術を確立する。 ・コンビナトリアルケミストリーの手法によって作製した広範な組成のガラス材料について、物性と原子・分子レベルの電子状態等との相関を明らかにする。 ・研究項目�A〜�Cに適したガラス材料を決定する。 (2)外部場操作技術 　シリカガラスと同等の波長分散や透過特性を有し、１％以上の屈折率変化を10μm以下の範囲に形成するための外部場操作技術を確立する。また以上の特性を満たすガラス材料を試作・評価して実証する。
（別紙）研究開発計画　研究項目�A　「超微粒子分散等構造制御技術」 1.研究開発の必要性 　ガラス材料に直径が1〜数十nmレベルの異質相や超微粒子を分散させると、その大きさが光の波長より十分に小さいため、透過特性や屈折率等の光学的特性を変化させることなく極めて低い温度依存性や発光機能等新たな機能を付与することが可能となる。例えば、光路長の温度依存性が極めて低いガラス材料は既存の組成制御では達成が困難であるが、温度依存性の異なる異質相を微細に分散させることで、温度依存性を制御できると期待される。また、凝集や酸化のために高輝度発光が難しいとされる短波長領域用の蛍光体についても、ガラス中に高濃度で均一に分散することによって高輝度発光が可能になる。 　このような構造のガラス材料を作製するために、超短パルスレーザーの照射等、光、電場、熱あるいは圧力等の外部場を作用させて、ガラス中に結晶や分相を析出・誘起させる技術を開発する必要がある。また、融液、気相あるいは溶液状態で、ガラス中に金属や半導体等の超微粒子を分散させる技術を開発する必要がある。 2.具体的研究内容 (1)異質相微細析出技術 　結晶化ガラスあるいは分相ガラスに超短パルスレーザー、超高圧力等を作用させて、ガラス内部に母材と温度依存性が大きく異なる結晶相や分相等の異質相を微細に析出させる技術を開発する。 (2)超微粒子分散技術 　逆ミセル法等により直径数nmの超微粒子を直径数十nmのガラス粒子中に閉じ込めて外部雰囲気から遮断し、超微粒子を高濃度で均一に分散させたガラス材料を作製する技術を開発する。 3.達成目標 (1)異質相微細析出技術 　シリカガラスと同等の線膨張率でかつ光路長の温度依存性がシリカガラスの1/2程度であるガラス材料を作製する技術を確立する。具体的目標として、透明で線膨張率が4×10-7/℃以下、光路長の温度依存性が1×10-5/℃以下となるガラス材料の作製を実証する。 (2)超微粒子分散技術 　耐光性に優れる半導体等の蛍光体微粒子を分散させた短波長領域用の高輝度発光ガラス材料を作製する技術を確立する。具体的目標として、蛍光体微粒子の分散濃度が10-8mol/cm3以上かつ波長450〜550nm領域での発光量子効率が3%以上であるガラス材料を作製して、現状の希土類系の蛍光体に比べて25倍以上の発光強度を実証する。
（別紙）研究開発計画　研究項目�B　「高次構造制御技術」 1.研究開発の必要性 　ガラス中に、異質相あるいは有機材料や気孔等を、形状と配列を適正に制御して構造化（高次構造）することにより、超高強度等の機械的特性、低伝送損失等の光学的特性機能、あるいは、分子やイオンの選択的透過性等の機能を付与することが可能となる。例えば、塑性変形により応力緩和しやすい異質相等をガラス中に形成すれば、透明性を損なうことなく高破壊靱性等優れた機械的特性を発現させられる。屈折率が母材と異なる異質相を光の波長の1/2以下の間隔で周期的に配列すれば、光の回折効果等が発現する微小な人工的光結晶となる。また、分子やイオンとの親和性を有する有機材料等をガラスとハイブリッドすれば、高効率の選択的透過機能の付与が期待できる。 　これらの高次構造制御されたガラス材料を作製するために、ガラス表面及び内部に、光学的あるいは機械的特性の異なる相を高精度に周期的に形成する技術を開発する必要がある。また、有機材料相をハイブリッドしたガラス膜を形成する技術を開発する必要がある。 2.具体的研究内容 (1)周期構造形成技術 　屈折率が母材と異なる異質相、機械的特性が母材と異なる異質相等を、ＣＶＤとリソグラフィープロセス等によって母材の表面に、並びに、ビーム照射（超短パルスレーザー、Ｘ線、電子線等）によって母材の内部に、二次元あるいは三次元状に周期的に、微細、高精度で形成する技術を開発する。 (2)有機-無機ハイブリッド技術 　ガラスの厚さ方向に連続する有機材料相を、分相法、ゾルゲル法、ＣＶＤ法等によって、微細、高精度にハイブリッドしたガラス膜を形成する技術を開発する。 3.達成目標 (1)周期構造形成技術 　ガラス中に、機械的特性または光学的特性が異なる相を、光の波長の10%以下の寸法並びに位置精度で、二次元あるいは三次元状に周期的に形成する技術を確立する。具体的目標としては、以下の材料の作製を実証する。 ・屈折率差が50%以上の異質相からなる周期構造を、可視から光通信帯の波長の1/2以下のピッチで、二次元的あるいは三次元的に、表面層あるいは内部に形成したガラス。 ・機械的特性が異なる異質相を形状や配列を適正化して板ガラス内部に周期的に形成して、母材に比べて2倍以上の破壊靭性を持つガラス。 (2) 有機-無機ハイブリッド技術 　有機材料相を直径数十nm以下、間隔数十nm以下でハイブリッドしたガラス膜を形成する技術を確立する。具体的目標としては、以下の材料の作製を実証する。 ・直径20nm以下の導電性高分子相等を有し、その高分子相のガラス膜の厚さ方向への配向率が50%以上であるガラス膜。 ・直径20nm以下の気孔を有し、その気孔のガラス膜の厚さ方向への配向率が50%以上であるガラス膜。
（別紙）研究開発計画　研究項目�C　「三次元光回路材料技術」 1.研究開発の必要性 　超高速大容量の情報伝送に不可欠な低伝送損失で超高速の光デバイスや大容量光メモリの実現には、テーマ　�@から�Bで開発した新規ガラス材料や構造等を組み合わせてさらに三次元光回路に作り込むことが必要になる。 低損失光導波路を実現するためには、従来の方法（フォトリソグラフィやドライエッチング法等）によらない高精度の微細光導波路形成技術の開発が必要である。また、光回路の小型化のためには、曲率半径の小さな曲がり導波路を形成する技術の開発が必要である。 　さらに、記録密度が従来比で100倍以上、読取り書込み速度が従来比で10倍以上の性能をもつテラバイト級光ディスク実現のためには、読取り書込みするためのレーザービーム径を現状の0.9μmから0.15μmへと高度に絞り込む光ディスク材料、並びに複数波長による同時読取り書込みを可能とする光ヘッド材料に関する基盤技術の開発が必要である。 2. 具体的研究内容 (1)低損失光導波路用材料技術 　高真空CVD法、多源スパッタリング法等成膜技術により作製した伝送損失の小さなガラス中に、超短パルスレーザー照射等により高い屈折率差（2%以上）を有する高精度の超微細パターンを光導波路として形成する技術を開発する。また、異質相が周期的に配列した人工的光結晶中に、光の屈曲、分岐、合流部を含む三次元光回路を形成する技術を開発する。 (2)大容量光メモリ用材料技術 　スパッタリング法等を用いて粒径数nmの柱状結晶粒子をガラス薄膜中に均一に析出･分散･配向させ、読取り書込み時のレーザー照射等で局所的かつ可逆的な屈折率分布を誘起する集光機能層を形成して超高密度記録を可能とする、光メモリディスク用のガラス薄膜材料技術を開発する。また、超短パルスレーザー照射や異方的エッチング等を用いて柱状、板状、粒状等の異質相よりなる二次元、三次元の周期的構造をガラス表層及び内部に形成し、波長混合光を高精度に波長分離できる機能を発現させることによって複数情報の同時読取り書込みが可能な、光メモリヘッド用のガラス材料技術を開発する。 3.達成目標 (1)低損失光導波路用材料 ・伝送損失0.02dB/cm以下である導波路用ガラス材料を開発する。 ・光の波長1.55μmを想定して、曲率半径が10μm以下の屈曲部や分岐、合流部を有する大きさが100×100μmで5層の光回路を形成し、三次元光回路としての可能性を実証する。 (2)大容量光メモリ用材料 ・波長410nmのレーザー光照射に対して、10ns以下の応答速度で屈折率が20%以上(現状では数msで1%)可逆的に変化するガラス薄膜材料を開発する。 ・1%の波長差に対して屈折角度差が従来に比べ15倍以上（現状のガラスプリズムでは410nmにおいて0.07°）であるガラス材料を開発する。
（別紙）研究開発計画　研究項目�D　「技術の体系化」 1.研究開発の必要性 　ガラスの特性や機能は、その構造とそれを決定づける組成及びプロセスに大きく依存するという特徴がある。例えば、製造工程における歪み点以上の温度域での熱履歴は、ガラスの構造変化をもたらし、実用上の特性・機能に敏感に反映される。 　しかしながら、組成、プロセス、構造及び特性・機能の相関解明は、それぞれのガラス組成について独立して調べられているのみであり、ガラス材料全般にわたる共通性が明らかにされていない。 　このため、ナノガラス材料の技術基盤の確立にあたっては、既知材料に加えて、新規ガラス材料における組成、プロセス、構造及び特性・機能の相関を体系化することが必要である。 2.具体的研究内容 　既存のガラス組成のデータベースを利用して、組成、プロセス、構造及び特性・機能（膨張率、屈折率及び吸収・発光等）の相関を、特に特異現象が発現する領域において整理する。また、研究テーマ�@〜�Cで注目する特異的特性・機能に関して、組成、プロセス及び構造の相関を定量化する。 3.達成目標 　研究テーマ�@〜�Cで注目するガラスの特性・機能に関して、既報のデータ、並びに新規ガラス材料について、組成、プロセス及び構造の相関を体系的に整理したデータベースを構築する。