目的
高分子材料や半導体は高機能な材料であり、電子・電気製品の主要な構成要素です。これらの詳細な特性を把握することは、機能性を検証し、ライフサイクルにおける製造段階および使用後の管理段階の両方で適切な処理を行う上で極めて重要です。自動化され、非接触かつ非破壊的なセンシングソリューションは、生産や廃棄物管理(すなわちリサイクル)の分野における様々な用途で必要とされる、リアルタイムの産業運用を支える基盤を提供します。
ソリューション
ラマン分光法による測定は、ポリマーおよび半導体材料の詳細な組成を特定するための強力な手段となります。
ポリマーに関しては、ラマンスペクトルには、主要なポリマー種(例:PE、PP、ABS、PS、PC、PET、PVC、PMMA)を特定するために必要な情報が含まれているだけでなく、高品質な選別、リサイクル、品質管理に関連する黒色ポリマー、添加剤、ポリマーブレンドといった、同定が困難な物質の特定にも役立ちます。 半導体については、ラマン測定から得られる情報により、半導体の種類(Si、Si-C、サファイアなど)や、ドーパントの有無および種類を検出することができます。積分時間が短く、ロボットとの統合も可能なため、コンベアベルト上などの動的な環境においても、機敏なセンシングソリューションを実現します。
当社のラマン測定ヘッドの主な利点は以下の通りです:
様々なレーザー出力と積分時間の選択により、現行のソリューションでは識別できない複数の材料ストリーム(識別が困難な複雑なポリマー、半導体の種類およびドーパントの有無・種類の特定など)の識別が可能となります。
安全性を確保するための自動シャッターおよびインターロック信号を備えた、ロボットアームへのセンサー統合が可能
複雑な材料の高スループットかつ高度な分類を行うためのセンサーネットワーク内でのロボットベースの運用が可能(発明開示および特許出願に関連)。
各ストリームに応じて、異なるレーザー出力/積分時間の「レシピ」を選択するためのソフトウェアインターフェース
使用例
ラマン測定は、コンベアベルトを用いた材料流の特性評価という動的な環境下で実施された。周囲光条件下において、主要なポリマー種の診断的指紋は、識別を可能にする十分な信号対雑音比を維持しつつ、0.5秒という短い積分時間で記録することができた(図…参照)。レーザー出力は、対象とする材料の種類に応じて調整可能であり、複数の材料流に対して最適な信号取得を保証する。 より包括的な材料ストリームの特性評価を行うために、ロボット対応のラマンセンサーを、その他のイメージングセンサー(RGBカメラや反射型ハイパースペクトルカメラなど)と統合することが可能です。このような複雑な統合システムにおいて、ロボット搭載型ラマンソリューションは、結果の精度を高めるための数多くのカスタマイズ可能なオプションを提供し、検出可能な材料の範囲を広げます。

図1. ABSホワイト(上)およびABSブラック(下)のプラスチック標準試料から取得したラマンスペクトル。取得時間は250~500 ms。
ABSの同定は、電子廃棄物のリサイクルにおいて極めて重要です。これは、この材料がVNIR-SWIR(プラスチックリサイクル業界で最も一般的に使用されるセンサー)において、他のスチレン系ポリマーとスペクトル特性を共有しているためです。特に、ABSとPSポリマーの区別が可能となります。
高速取得時間(最大500ミリ秒)で取得した信号から、ポリマーの指紋を識別します。
同じプラスチック種だが色が異なる(白色ABS対黒色ABS)試料の信号取得において、レシピを効果的に活用。
白色顔料を含み、広帯域の蛍光バンド(1600~2000 cm-1)を有する試料から、ポリマー固有の特徴を取得 -> 白色ABS
黒色顔料を含み、励起光の吸収率が高いサンプルにおいて、材料を損傷することなくポリマー特有の特徴を取得 -> ABS黒(500 msの取得時間)。
特長:リアルタイムおよび動的な設定に適した測定条件、短い積分時間、および調整可能なレーザー出力

図2. HDPE透明(上)およびHDPE黒色(下)のプラスチック標準試料から取得したラマン分光スペクトル。測定時間:500 ms。
透明および黒色の標準試料におけるHDPEの診断的特徴の特定。
透明HDPE:最終スペクトルにおいて、背景材料からの影響は認められない(これは、コンベアベルトやその他の暗色の背景が存在しても、信号の収集に影響を与えないことを意味する)。
HDPE 黒色:黒色顔料やその他の吸収物質の量によっては、信号の取得に影響が出る場合があります(PE-2 特徴の低い SNR を参照)。それでも、その他の PE 関連のフィンガープリントは良好な SNR を示しており、制限のある条件下でもポリマーの種類を特定することが可能です。

RAMSES測定ヘッドを用いた半導体タイプ(Siおよび4H-SiC)の識別例。
