サファイア: 時計業界の黒い羊

Jan 16, 2024

毎時計を見るとき、あなたは気づかずにサファイアの特性を活用していることになります。 サファイアはその透明性と傷がつきにくいため、私たちの日常生活において重要です。 時計カバーに加えて、LED 基板から軍用車両の傷防止窓までの用途に大量に使用されています。

ジュエリーや時計の製造にはかなりの量のサファイアが使用されており、高級消費者は購入する製品の持続可能性への意識を高めています。 彼らは、短期間で捨てなければならない安価な製品よりも、耐久性があり、その価値を維持できる、よく作られた製品を購入することを好みます。工業的に生産された合成サファイアは、天然サファイアと同じくらい硬いですが、宝石にさまざまな色合いを与える微量元素が含まれていないため、より透明です。 サファイアは、「耐傷性」または「実質的に耐傷性」として販売されることがよくあります。 これは、硬度のモース硬度が 9 であるためです。つまり、10.1 と評価されるダイヤモンドなどのより硬い物質でしか傷をつけることができないことを意味します。

サファイアを製造およびカスタマイズする工業プロセスは、3 つの主要なステップで行われます。 最初のステップは、高純度のアルミナ (酸化アルミニウム、HPA と呼ばれます) を製造することです。 2 番目のステップでは、この HPA を約 2,050°C の非常に高い温度で結晶化し、合成サファイアの原石を形成します。 第三のステップでは、この結晶の塊を成形し、ダイヤモンドコーティングされた鋸でスライスして断片にします。 得られたウェーハは、目的の用途に合わせて研削および研磨されます。

これらのプロセスは、気づかれるまで考えられないほどの二酸化炭素排出量を引き起こします。 たとえば、全結晶化ステップ (第 2 ステップ) では、製造されるサファイア 1 kg あたり 43 kg の CO2 が発生します。 ただし、各ステップに注意を払うことで大幅に削減できます。

HPA の製造は鉱物原料から始まります。 この原料が水力発電のみで製造される場合、HPA が製造される工場の入り口での二酸化炭素排出量は輸送によるものだけになります。

発生源が工場に近い場合、これは最小限に抑えられるか、補償によってゼロにすることさえできます。 これは、カナダのケベック州で HPA を製造する Advanced Energy Minerals (AEM) の場合に当てはまります。 主に水力発電で生産されるケベック州の原料を使用しています。

AEM 工場は、特許取得済みの塩素浸出結晶化プロセスを使用することにより、電力消費を最小限に抑えるように設計されました。 ハイドロ・ケベックの水力と風力による地元の再生可能エネルギーが AEM の電力を供給します。 キャップチャットの工場は、133 基のタービンを備えたル ノルデ風力発電所の隣にあります。 現在、再生可能エネルギーの割合は 96% であり、年末までに 100% に達するという具体的な計画があります。 これにより、HPA 1 トンあたり CO2 排出量が現在の値 2 トン未満から、実質的にゼロにまで削減されます。

これは、HPA 1 トンあたり 12.3 トンの CO2 を排出する、通常は非再生可能エネルギーによる従来のアルコキシドプロセスを使用するプロセスとは大きく対照的です。 他の生産者はこれを 5 分の 1 に削減するという目標を掲げていますが、これは依然として非常に高い水準です。

顧客の要件に合わせてカスタマイズすると、次のプロセス手順がより効率的になります。 AEM には、カスタマイズされた 4N および 5N 圧縮アルミナを顧客に提供する製品ラインがあります。 サイズは数グラムのパックから最大 21kg の巨大なパックまでさまざまです。

HPAをサファイアに変換するプロセスはすべて、2,050℃を超える温度でアルミナを溶かします。 その後、1 ～ 2 週間かけてゆっくりと冷却し、サファイアの結晶を形成します。 これはローテクプロセスであるため、クリスタルは完璧ではありません。 ただし、使用する HPA の品質と炉オペレーターの器用さによって影響を受ける可能性があります。 LED には低純度の HPA が使用されます。 次のレベルの純度は時計のカバーに応用されます。 最高品質の HPA はチタン含有量が低いため、深紫外まで透明です。 これにより、医療用途に適しています。 結晶化の問題も最終製品の品質に影響を与え、最終用途を決定する可能性があります。 たとえば、不完全で不均質なサファイア成分を含む LED デバイスでは、効率の低下、寿命の短縮、または発光色の変動が発生する可能性があります。3

HPA の品質に加えて、さまざまなサファイア成長プロセスにより、さまざまな用途に適した結晶が生成されます。 これらの理由により、ここでプロセスが分割されます。 私たちは、細部へのこだわりが環境にもたらすメリットを示すスイスの時計業界の事例を選びました。 世界の時計市場は 2022 年に 710 億ドルに達し、年間平均成長率 (CAGR) は 5% と予想されています4。特に、時計の輸出総額が約 250 億ドルに達するスイスでは重要な経済原動力となっています。5 この需要を満たすには、スイスでは、毎年 2,100 万個の時計カバーが高品質基準に基づいて製造されています。 (アジアで製造され、クリスタルサファイアカバーを備えたスマートウォッチの巨大な市場もあります。) これから見ていきますが、残りの処理により、前のステップの環境コストが倍増します。

時計カバー用のサファイアクリスタルは、伝統的にベルヌイユ法で成長させられます。 さらなる処理を待つ結果は、業界では「ニンジン」と呼ばれます。 高さ15cm、直径3～4cmほどの円柱に近い形です。

もちろん、このステップは、グリーン エネルギーを使用して実行しない場合、一般的なエネルギー要件を必要とします。 関連する CO2 排出量は、スイスでは平均 89g/kWh、世界では 475g/kWh となります。

結晶サファイアのキャロットは不完全な形状をしており、欠陥が含まれているため、その後の加工ステップ中に大幅な歩留まりの低下が発生します。 この損失は、専用の共焦点断層撮影装置を使用した 3D スキャンに基づいてニンジンのデジタル モデルを生成することで最小限に抑えることができます。

サファイアの並外れた硬度は大きな課題となるため、サファイアの切断と研磨は非常にエネルギーを消費することは注目に値します。

収量損失の最初のステップは、検査後、許容できない割合の欠陥が発生したため、さらなる加工の前にニンジンを廃棄することです。 ベルヌイユ法によるニンジンの場合、これは通常平均 10% です。 残りのニンジンを正しいコアのサイズと形状に粉砕すると、フォームファクターの歩留まりは 42% になります。 コアの歩留まりは 87% になります。これは、この点に達したコアの 13% が、サファイア結晶の小さな欠陥のために廃棄されることを意味します。 コアをウエハにスライスして研磨することによる歩留まりは８５％である。 その結果、時計業界における平らな時計カバーの平均合計歩留まりは 28% になります6。このカバーの直径は 25 ～ 45 mm、厚さは 1.6 ～ 6 mm になります。 標準重量は 4.6g です。

収量は、流入する環境コストを 0.28 で割ることを意味し、ほぼ 4 倍になります。 ドーム型の時計カバーの場合、この歩留まりは 4% とはるかに低く、受入コストに 25 を掛けます。

これらのステップはすべて、スイスの企業 Scientific Visual のデジタル品質管理によって最適化できます。 同社は工業用結晶の品質検査用スキャナを製造している（図3）。 これらの自動化ツールを使用すると、欠陥を回避するために個々のステップを最適化できます。 たとえば、欠陥のある水晶部品がコストのかかる加工に入るのを防ぎます。 さらに、結晶成長者にフィードバックを提供することで、廃棄する必要がある結晶が少なくなります。

円柱のシミュレートされた形状は、物理的なニンジンに最小限の欠陥が残るように移動できます。 スライスをオフセットして、隣接するウェーハ間に欠陥を生じさせることもできます。 これらの手順はすべて、フラット カバーの歩留まりを 34% にするために機能します。 ドーム型の時計カバーの場合、改善は 4% から 5% となり、25% の改善になります。

数字が何を示しているか見てみましょう。 最悪のシナリオでは、HPA は HPA 1 グラムあたり 12.3 グラムの CO2 を排出します。 フラットウォッチカバーの製造時に次のような物質が放出されます。

12.3 x 4.6g /0.28 収量 = 202g

そして、ドーム型の時計カバーは次のような光を放ちます。

12.3 x 4.6g /0.04 収量 = 1.4kg

これらの数字は、クリスタル サファイアが「時計製造の黒い羊」と呼ばれる理由を示しています。7

現在の低排出 HPA とデジタル品質管理の使用により、これらの値はそれぞれ 20g と 138g に減少します。 これは、ゼロエミッション HPA が無駄ではないにしても、コストを完全に排除する前の段階です。 上の表は、CO2 排出量が 22% 削減できることを示しています。

時計カバーの環境コストは、考えなければ非常に高くつく可能性があることがわかりました。 すべてのプロセス段階で細部にまで注意を払うことで、HPA を溶かしたり、電源がグリーンでない場合に機械を稼働させたりする手間を削減できます。 これは、LED やその他のアプリケーションなど、サファイアの他の市場やユースケースにも適用できます。 これらのケースについては、今後の記事で説明します。

なお、この記事は季刊誌の第14版にも掲載される予定です。

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