この記事で分かること

レアアースの代替技術：セリウムによる研磨剤

　2026年上半期（1〜6月）における日本のレアアース（希土類）輸入量は、中国による対日輸出規制導入前（2024年同期）の約2割にまで大きく落ち込んでいることが判明しました。

　EV（電気自動車）の駆動用モーターや半導体製造装置・材料に不可欠なレアアースの調達急減に対し、ベトナムや米国など中国以外からの代替調達や内製化が進んでおらず、サプライチェーンへの強い懸念が広まっています。

　第三国ルートの本格化など調達先の多角化を進めてるとともに、代替技術の実用化が強く望まれています。

　前回はセリウムの用途に関する記事でしたが、今回は研磨剤としての使用におけるセリウムフリー化や削減方法に関する記事となります。

なぜセリウムが研磨剤として使用されるのか

　酸化セリウム（セリア）がガラスや半導体ウェハの研磨に圧倒的にすぐれている理由は、単に固い粒でゴシゴシ削る「物理的研磨」だけでなく、ガラス表面と化学反応を起こして平滑にする「化学機械研磨（CMP：Chemical Mechanical Polishing）」を行うからです。

1. ケミカル作用（化学的な結合と除去）

　酸化セリウムは、ガラスの主成分である二酸化ケイ素（シリカ：SiO2）と化学的に強く結合しやすい性質を持ちます。

1. 研磨時、セリウム原子とガラス表面のケイ素原子が一時的に化学結合（Ce-O-Si 結合）を作ります。
2. 研磨パッドが動く力によって、セリウムが結合したガラスの最表面の原子（ナノレベルの微細な凸部）を引きちぎるように持ち去ります。

　この「化学的に結合して引き剥がす」というメカニズムがあるため、力を強くかけなくても超精密に表面を削り取ることができます。

2. 傷をつけずに超平滑に仕上げられる（ケミカル・ハザードの防止）

　ダイヤモンドやアルミナなどの固い研磨材は、機械的な摩擦（物理研磨）だけで削るため、どうしてもガラス表面に微小な傷（scratch）が残りやすくなります。

　一方、酸化セリウムはガラスとほぼ同程度の硬さ（モース硬度6程度）しかありません。固さでガリガリ削るのではなく、上記の化学作用をメインにして削るため、目に見えないレベルの深い傷を一切つけずに、鏡のようにツルツルな平滑面を作ることができます。

3. 高い研磨スピード（圧倒的な効率）

　化学作用を使わない他の柔らかい研磨材（シリカ粒子など）に比べ、酸化セリウムはガラスの削れるスピード（研磨レート）が非常に速いという特徴があります。

　「傷をつけない」ことと「素早く削れる」ことを高次元で両立できるため、大量生産が必要な工業製品に向いています。

主な活用用途

• 半導体ウェハの層間絶縁膜平坦化（ナノメートル単位の平坦度が求められる）
• 液晶・有機ELディスプレイやタッチパネルのガラス基板
• ハードディスクのガラスディスク
• 一眼レフカメラや望遠鏡の精密光学レンズ

セリウムの代替や使用量削減の方法にはどのようなものがあるのか

　酸化セリウム（セリア）研磨剤の代替や使用量削減（減量）は、「代替材料への切り替え」「研磨プロセスの最適化」「リサイクル・回収技術」の3つのアプローチで進められています。

1. 代替材料（セリウムフリー）への切り替え

　酸化セリウムの代わりに、他の安全・安価な化合物を研磨粒（スラリー）として使用する方法です。

• コロイダルシリカ（二酸化ケイ素：SiO2）
  • 用途： 半導体CMP（化学機械研磨）工程など。
  • 特徴： ナノサイズの球状粒子で傷をつけにくく、安価です。セリウムのような強固な化学結合作用は弱いため、研磨液のpH調整や添加剤（化学薬品）を工夫して研磨速度を補います。
• アルミナ（酸化アルミニウム：Al2O3）
  • 用途： 粗研磨（下地処理）や硬質ガラス・金属の研磨。
  • 特徴： 非常に硬く物理的な研磨力が高いため、仕上がり精度よりも削りスピードやコストを優先する工程で代替されます。
• ジルコニア（酸化ジルコニウム：ZrO2）やタイタニア（酸化チタン）
  • ガラスとの適度な親和性を活かし、特定の光学ガラスなどの研磨で代替研究が進んでいます。

2. 使用量削減（スラリーの減量・プロセス最適化）

　セリウム研磨剤そのものの使用量（吐出量）を物理的に減らす技術です。

• 固定砥粒（固定磨粒）パッドの利用
  • 従来は「研磨パッド」の上にセリウム粒子を含む液体（スラリー）を流し続けて研磨していましたが、あらかじめ研磨パッド自体に微細なセリウム粒子を固着させておきます。これにより、研磨液として垂れ流すセリウムの量を激減（80〜90%削減）できます。
• スラリー吐出量の適正化・マイクロバブル技術
  • 研磨液に微細な気泡（マイクロバブル）を混ぜたり、吐出ノズルの形状を改良してパッド全体に均一に行き渡らせることで、従来より少ない研磨液量で同等の研磨効率を実現します。
• ハイブリッド粒子（複合粒子）化
  • 芯（コア）部分に安価なシリカや樹脂を使い、その表面だけに薄く酸化セリウムをコーティングした粒子（コアシェル構造）を使用します。全体をセリウムで作る必要がなくなり、セリウム使用量を大幅に削減できます。

3. リサイクル（回収・再生利用）

　使用済みのセリウム研磨液を捨てずにろ過・再生して循環利用するシステムです。

• 凝集・沈殿分離と再分散
  • 研磨後の廃液には、削り取られたガラス粉末（シリカ）とセリウム粒子が混ざっています。薬品処理や遠心分離でガラス粉末だけを取り除き、残ったセリウム粒子を解砕・洗浄して再利用します。
• オンサイト（工場内）再生システム
  • 工場内に回収・精製プラントを導入し、研磨液をリアルタイムで循環再生させることで、新品のセリウム購入量を数分の一に抑える取り組みが定着しています。

どのように研磨パッドに酸化セリウムを固着させるのか

　酸化セリウム（セリア）粒子を研磨パッドに固着させて「固定砥粒パッド」を作るには、主に以下の手法が使われます。

1. バインダー樹脂によるコンパウンド成形（主流）

　酸化セリウムの微粒子とバインダー（結合剤となる樹脂）を均一に混ぜ合わせ、シート状に成形・固化させる方法です。

• 使用する樹脂: 熱可塑性樹脂（フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタンなど）やUV（紫外線）硬化樹脂が使われます。
• 工程:
  1. 酸化セリウム粉末と未硬化の樹脂・溶剤を混練（ミキシング）して塗料状にします。
  2. これを基材シート（PETフィルムや不織布など）の上に均一な厚みで塗布します。
  3. 熱またはUV照射によって樹脂を架橋・硬化させ、粒子をしっかりと固定します。

2. 微細構造（ドット・ピラミッド）パターン成形

　単に平面に塗るだけでなく、パッド表面にミクロな立体パターン（凹凸構造）を形成しながら固着させ　ます。

• 3M社の「マイクロレプリケーション（微細金型転写）技術」など:
  • 樹脂と酸化セリウムの混合物を、ピラミッド型や円錐型の微細な凹凸構造を持つ金型に流し込んで硬化させます。
• メリット: 研磨が進んで表面の微粒子が擦り減っても、下から常に新しい酸化セリウム粒子が露出するため、長期間にわたって安定した研磨力が持続します。また、凹部分が目詰まりを防ぐ泥（スラリー）の逃げ道になります。

3. 多孔質ウレタンフォームへの練り込み（マトリックス一体化）

　研磨パッドそのものの素材（ポリウレタン発泡体など）の原料液段階で、酸化セリウム粒子を添加して発泡・成形させる方法です。

• 工程: ウレタンの液状原料（ポリオールやイソシアネート）にセリウム粉末を分散させ、発泡剤とともに反応させてスポンジ状（多孔質）に固めます。
• 特徴: パッド全体にセリウムが均一に練り込まれているため、研磨パッド自体をダイヤモンドドレッサーなどで少しずつ削り出し（コンディショニング）ながら使用することで、自生作用（新しい刃を出す作用）が得られます。

実用上の重要ポイント：水との連動（自己崩壊性）

　研磨パッドにセリウムを強く固着させすぎると、ガラスと接触した際にセリウム粒子が逃げ場を失って強い圧力がかかり、ガラス表面に深い傷（スクラッチ）をつけてしまいます。

　そのため、固着に使う樹脂には「純水を供給したときに、親水性や弱水溶性によって表面の数ナノ〜数ミクロン層だけが適度に緩み、セリウム粒子が微量ずつ放出される設計（可溶性バインダー）」が施されているのが技術的なポイントとなっています。