好きな分野を見つけて、「一歩一歩」研究していく

日本語｜ENGLISH

Ｑ：先生のご専門を教えてください。

工学部機械電気システム工学科で、光制御デバイス(Optoelectronic devices)、光学結晶(Optical crystals)、誘電体(Dielectrics)、ホログラフィー(Holography)の研究を行っています。

Ｑ：まず、先生が工学部に進まれたきっかけは何ですか。

幼少の頃からモノ作りが好きで、ＴＶの日曜大工番組に興味を示したり、小学校3年生の時に買った電子工作本を何度も読み返していました。京都の寺町通にあった電気街に通って部品を買い集め、あれこれ電子工作して楽しんでいましたが、電子回路の動く仕組みは今一つ理解できませんでした。一歩一歩進んでいく性格で、この時に納得のいく説明のある本に巡り合えなかったのは残念でした。こうしたことから、謎を解くために大学は工学部に進むことを小学生の時に決めていました。将来は電子回路の設計技師になりたかったです。大学に入って長年の謎は解けましたが、結局、回路の設計技師にはならなかったですね。

Ｑ：大学院で本格的に研究を始められましたね。

研究を始めたのは大学院のときからで、今から30年前になります。大学院では、強誘電体という結晶をセンサーなどの電子部品に応用させることを目指して薄膜を作る研究をしていました。強誘電体という言葉を聞いたことがない人も多いと思いますが、磁石に似ています。磁石は周りに磁場を作り、鉄などを引き付けますが、強誘電体はその電気版で、周りに電場を作ります。静電気で髪の毛がプラスチックの下敷きに引き付けられるのは皆さん知っていると思いますが、あれもプラスチックの周りに電場ができているので引き付けられています。強誘電体はそれと同じようなものですが、もう少し強いものです。コンデンサという電気部品の材料として、一番よく使われます。電気を使うほとんどの製品に使われていて、スマホ1台にも数百個は入っていると言われます。

Ｑ：大学院の前期課程を修了すると企業の研究所に入られましたね。

大学院の前期課程の2年を終えると、企業の研究所に配属されました。実は、大学院でやっていた強誘電体の薄膜はあまり性に合っていなかったので、専門を少しずらしたいと思っていました。企業から与えられた研究テーマは、強誘電体の光応用でした。材料は同じだったので近しい分野だと感じていましたが、かなり違った研究になりました。薄膜はその名の通り、厚さが髪の毛の太さの100分の1にも満たないような薄さの膜で、電子顕微鏡などでしか見ることができないものでしたが、企業で新しく始めた研究は、同じ系統の材料ではあるものの、何千倍、何万倍も大きくて普通に目に見える塊を扱うものでした。薄膜と区別して、バルク単結晶などと言います。この単結晶は、電気で屈折率が変わるという特有の性質を持っています。これを電気光学効果と言います。屈折率という言葉も普段あまり使わないかもしれませんが、高校までに理科で一回は出てくる単語だと思います。まっすぐの棒などを水につけると折れ曲がって見えますが、あれは空気と水とで屈折率が違い、境界で光が折れ曲がる（屈折する）ためです。この電気光学効果という現象は、通常、光通信に使われますが、わたしはこの現象を応用して、光で単結晶に情報を記録する装置の開発や、光の進む向きなどを制御する部品の研究開発を行っていました。途中で少し違う研究に携わることもありましたが、同じ単結晶の光応用の分野で研究開発を続け、今に至っています。

Ｑ：現在の研究内容を教えてください。

現在は、電気光学効果が起こる単結晶材料の研究を中心に行っています。電気光学効果は電気で屈折率を変えることができると書きました。ですので、光の屈折の角度を電気で変えることができます。つまり、光線の進む向きを制御することができます。ところが、実際には電気光学効果での屈折率の変化量は非常に小さく、目に見えて光線の向きを変えることはできませんでした。それが、KTN単結晶（※）という結晶材料は屈折率変化量が大きく、目に見えて変えることができます。これを利用して、地形を測るトンネル測量システムや焦点を変えることができるレンズが開発されて利用されています。さらに、もっと桁違いに屈折率変化量が出るような材料を見つけることを目指していて、プロジェクションマッピングのような光を使ったショーにも使えるようにしていきたいと思っています。

※カリウム（K）、タンタル（Ta）、ニオブ（Nb）からなる酸化物結晶。

Ｑ：研究のなかで特に強調したいものがあれば教えてください。

光を操るのに使うバルク単結晶は、多くの場合、透明できれいです。実はダイヤモンドやエメラルド、サファイアなど、多くの宝石は単結晶で、わたしの専門の単結晶と同類です。わたしは単結晶を作る研究もしますが、性質の良い単結晶ができると、それは見た目にも非常に美しく、魅了されます。若い頃はよく、びっくりするような美しい単結晶ができた夢を見ました。実際にはなかなかそんな単結晶はできず、それがまた研究者の心をつかんで離しません。光の研究は、どうもあまりピンとこないことが多いようで、かくいう私も学生の頃はそうでした。しかし、光を扱う製品はキラキラしていてきれいです。そういう役得もあるので、是非、多くの学生さんに興味を持ってもらいたいと思います。

Ｑ：現在の研究内容を将来、どのような形で社会に還元していきたいとお考えでしょうか。

光線の向きを変えるデバイス（部品）は、いろいろなところに使われています。レーザー光線を使ったショーが分かりやすいですが、プロジェクションマッピングにも使われるプロジェクタ用の部品としてもこのデバイスは使われます。プリンタの中に、レーザープリンタという種類もありますが、ここでも使われています。また、３Dプリンタの中にはいろんな種類がありますが、光を使って造形する機種もあり、ここでもこのデバイスは使われます。現在研究している屈折率が変わる材料の能力を桁違いに高め、ここに挙げたような技術分野に革新をもたらしたいと考えています。また、屈折率というのは、モノの「見え方」を決めている要因です。ガラスコップは透明なのになぜ見えるのか？ガラスの屈折率が空気と違うからです。ダイヤモンドはなぜキラキラ輝くのか？カットの仕方もありますが、屈折率が高いからです。屈折率を自由に変えることのできる材料ができれば、今のコンピュータのディスプレイでは想像できないような映像表現ができるようになると考えています。

Ｑ：工学部は2020年度第1期生を迎えました。学生へのメッセージを教えてください。

第1期生は、特徴のある学生が多く、教員も大いに刺激を受けています。パーソナリティ様々ですが、学生にはみんな、早く好きなものをみつけてほしいです。好きなものには打ち込めるし、「ものの上手なれ」です。

Ｑ：先生の趣味や関心、大学生時代に夢中になった事などについて教えてください。

現在は、趣味らしい趣味をすることができていません。大学では、工学とはちょっと違うこともしたいと考え、考古学研究会というサークルに入っていました。歴史を科学で調べるというものです。夏休みや春休みになったら、主に丹後地方（京都の北部）に泊りがけで遺跡の調査に行っていました。遺跡の発掘のアルバイトもやっていました。古墳や集落遺跡を測量して図面を描く作業では、工学の知識が役に立ちました。今も、たまに遺跡を見に行くこともあります。何か考古学に役に立てたらなぁ、光を使った遺跡・遺物の計測で役に立てないかなぁ、と考えることもあります。なかなか難しいのですが。

---

Professor IMAI Tadayuki

In this issue of “Tell Us Teacher,” we talked to Dr. Tadayuki Imai, who specializes in the development of light-controlling components and materials for use in printers, projectors, and various other applications.

Find a field you like and study it “step by step”

Ｑ：Please tell me what your field of research is.

At the Department of Mechanical and Electrical System Engineering in the KUAS Faculty of Engineering, I am researching optical control devices, optical crystals, dielectrics and holography.

Ｑ：First of all, what made you go to into engineering?

I have been interested in making things since I was a child, showing interest in Sunday carpentry programs on TV and reading an electronics book that I bought when I was in the third grade of elementary school over and over. I used to go to the electric street in Teramachi-dori, Kyoto, to buy parts and had fun building various electronic devices, but I could never understand how electronic circuits worked. I am a step-by-step sort of person, and it was a pity that I could not find a book with a satisfactory explanation at that time. Because of this, I decided in elementary school that I would go on to study engineering at university in order to solve this mystery. I wanted to be an engineer and design electronic circuitry in the future. When I entered university, my longstanding mystery was solved, but in the end, I did not become a circuit engineer.

Ｑ：You started full-fledged research in graduate school?

I started my research when I was in graduate school, which was 30 years ago. In graduate school, I was doing research on making thin films of ferroelectric crystals with the aim of applying them to electronic components such as sensors. Many of you may not have heard of ferroelectrics, but they are similar to magnets. Magnets create a magnetic field around them, attracting iron and other materials, but ferroelectrics are an electric version of this, creating an electric field around them. I’m sure everyone knows that static electricity attracts hair to a plastic sheet, but that is also because an electric field is created around the plastic sheet. Ferroelectrics are similar to this, but a little stronger. Ferroelectrics are most commonly used as a material for electrical components called capacitors. They are used in almost all appliances that use electricity, and they say there are several hundred of them in a single smartphone.

Ｑ：After completing the first half of graduate school, you entered a corporate research institute, right?

After completing the first two years of my graduate studies, I was assigned to a corporate research institute. To tell the truth, the ferroelectric thin films that I had been working on in graduate school did not suit me very well, so I wanted to shift my specialty a little. The research theme given to me by the company was the optical application of ferroelectrics. Since the materials were the same, I thought it would be a similar field, but it turned out to be quite different. Thin films, as the name implies, are films so thin that they are less than 1/100th the thickness of a hair and can only be seen with an electron microscope, etc. The research I started at the company was on the same line of materials, but dealt with masses that were thousands or tens of thousands of times larger than the films and were normally visible to the eye. These are called bulk single crystals, as distinguished from thin films. This single crystal has an unusual property in that its refractive index changes with electricity. This is called the electrooptic (EO) effect. The term “refractive index” may not be used very often, but I think it is a word that comes up at least once in high school science classes. When you dip a straight stick in a glass of water, the stick will look bent. This is because the refractive index of air and water is different, and light is bent (refracted) at the boundary between the two. The EO effect is usually used in optical communications, and I applied it to the development of devices that use light to record information on single crystals, and to research and develop components that control the direction in which light travels. Although I was involved in slightly different research during some periods of my career, I have continued my research and development in the field of optical applications of these single crystals.

Ｑ：What is your current research?

Currently, I am focusing on single crystal materials in which the EO effect occurs. I mentioned that the EO effect can change the refractive index with electricity. This means that the angle of refraction of light can be electrically changed. In other words, the direction of light rays can be controlled. In reality, however, the amount of change in the refractive index due to the phenomenon is very small, and the direction of the light rays cannot be visibly changed. However, a crystalline material called KTN single crystal (*) has a large amount of refractive index change and the light direction can be visibly changed. This has led to the development of a topographical surveying system and is used for tunnel construction. The material is also applied to lenses that can change their focus. In addition, we are aiming to find materials that can change the refractive index by more than orders of magnitude, so that they can be used in light-based shows such as projection mapping.

*An oxide crystal composed of potassium (K), tantalum (Ta), and niobium (Nb).

Ｑ：Is there anything in particular that you would like to emphasize in your research?

Bulk single crystals, which are used to manipulate light, are often clear and glittery. In fact, many gems, such as diamonds, emeralds, and sapphires, are single crystals too. I also do research on making single crystals, and when a good single crystal is produced, I am fascinated by how beautiful it looks. When I was young, I often dreamed of producing such amazingly beautiful single crystals. In reality, it is very difficult to produce such a single crystal, which is another reason why researchers are fascinated by them. It seems that research on light is not very interesting to many people, and I was the same way when I was a student. However, the objects that deal with light are sparkling and beautiful. I hope that many students will take an interest in this field, as there is such a benefit.

Ｑ：In the future, how would you like contribute to society through your research?

Devices (components) that change the direction of light rays are used in many areas. Shows that use laser beams are an easy-to-understand example, but devices like those are also used as a component for projectors used in projection mapping. There is also a type of printer called a laser printer, in which these components are also used. There are also various types of 3D printers, some of which use light for modeling. We are currently working on materials that can change their refractive index, and we hope to increase their capabilities by an order of magnitude and bring about innovations in these fields. Refractive index is also a factor that determines the “visibility” of an object. Why can we see a glass cup even though it is transparent? It is because the refractive index of glass is different from that of air. Why does a diamond sparkle? Partly because of the way it is cut, but also because of its high refractive index. I believe that if we can create materials that can freely change their refractive index, we will be able to create visual expressions that are unimaginable using today’s computer displays.

Ｑ：The KUAS Graduate School of Engineering welcomed its first class of students in 2020. What is your message to those students?

There are many students with unique characteristics in our inaugural class, and the teachers are greatly inspired by this. The personalities of the students vary, but I hope that all of them will quickly find something they like. If you like something, you can devote yourself to it and become good at it.

Ｑ：Tell us about your hobbies and interests, and what you were into when you were a student.

Currently, I don’t have any very “hobby-like” hobbies. When I was a university student, I wanted to do something a little different from engineering, so I joined a club called the Archaeology Society, where we investigated history through science. During summer and spring vacations, I stayed in the Tango region (the northern part of Kyoto) to investigate archaeological sites. I also had a part-time job excavating ruins. My engineering knowledge came in handy when I was surveying ancient tombs and ruins in a village, and drawing from the data. Even now, I sometimes go to see the ruins. I sometimes wonder if I could contribute to archaeology by providing new methods for measuring ruins and relics with light, even if it would be quite a challenge to do so.

EoD