この記事で分かること
- 蛍光体に利用される理由：イットリウムはそれ自体が発光するわけではなく、他の発光性を持つ元素を「活性剤」として効率よく発光させるための、優れた「土台（母体結晶）」として優れているため、利用されています。
- レーザー素子とは：レーザー素子」とは、レーザー光を発生させるために必要な核となる部品のことで、レーザー光を発生させるレーザー媒質、レーザー媒質にエネルギーを与えるための光源、増幅された光を、素子内部に閉じ込め、繰り返し往復させるための光共振器からなっています。
- レーザー素子で利用される理由：イットリウムは発光性の希土類元素を安定して保持可能なため、効率的なレーザー発振を可能にする「母体結晶」として使用されています。
レアアースの価格高騰
2025年5月現在、レアアース（希土類元素）の価格が急騰し、一部の元素では3倍以上に達しています。
この背景には、中国による輸出規制の強化があり、特に電気自動車（EV）や風力発電、軍事用途に不可欠な元素であるジスプロシウムやテルビウムの供給が逼迫しています。
レアアースのひとつである、ジスプロシウムはEVモーターの永久磁石に不可欠であり、テスラなどの自動車メーカーは在庫が5月末までしか持たないと懸念しています。
今回はレアアースのひとつである、イットリウムについての解説となります。
レアアースとは何か
レアアース（希土類元素）とは、周期表の中で原子番号57番のランタン（La）から71番のルテチウム（Lu）までの15元素に、化学的性質が類似するスカンジウム（Sc）とイットリウム（Y）を加えた、計17元素の総称です。
レアアースの特徴
- 名前の通り「珍しい（rare）」と思われがちですが、実際には地殻中に比較的豊富に存在します。ただし、単体で高濃度に存在する鉱床が少なく、抽出・分離が困難なため「希土類」と呼ばれています。
- 化学的性質が似ていて分離が難しく、製錬や精製には高度な技術が必要です。
主な用途
レアアースは現代のハイテク産業に欠かせない資源です：
- 永久磁石（ネオジム、ジスプロシウムなど）：電気自動車（EV）、風力発電、スマートフォン
- 蛍光体（ユウロピウム、テルビウムなど）：液晶テレビ、LED、蛍光灯
- 触媒（セリウムなど）：自動車の排ガス浄化装置、石油精製
- 研磨剤：ガラスやレンズの精密研磨
産出と地政学的リスク
- 世界のレアアース生産の約60〜90%は中国に依存しており、供給の地政学的リスクが高い資源です。
- アメリカ、オーストラリア、ミャンマーなども採掘を試みていますが、製錬・精製まで含めると中国の独占的な地位は依然として強力です。
レアアースとは、原子番号57番のランタン（La）から71番のルテチウム（Lu）までの15元素に、化学的性質が類似するスカンジウム（Sc）とイットリウム（Y）を加えた、計17元素のことであり、電動化・デジタル化・再生可能エネルギー推進において不可欠な「戦略的資源」であり、経済安全保障上も重要視されています。
イットリウムとは何か
イットリウム (Y) は、原子番号39の元素で、銀白色の金属です。
主な特徴
- 希土類元素: スカンジウムやランタノイド（ランタンからルテチウムまで）とともに「希土類元素」に分類されます。化学的性質がランタノイドとよく似ています。
- 軟らかく銀光沢: 単体は軟らかく、銀色の光沢を持ちます。
- 酸化されやすい: 空気中で表面が酸化されやすい性質があります。ただし、酸化膜が形成されることで内部が保護されることがあります。
- 酸に溶け、アルカリには溶けない: 熱水や酸とは反応して溶けますが、アルカリには溶けません。
- 発見の歴史: 1794年にフィンランドの化学者ガドリンによって発見され、スウェーデンのイッテルビー村で採取された鉱石から見つかったため、その村名に由来して「イットリウム」と名付けられました。
主な用途
イットリウムは、そのユニークな特性から様々な分野で利用されています。
- 蛍光体: テレビのブラウン管ディスプレイやLEDの赤色蛍光体の主成分として使われます。
- レーザー: イットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG）結晶は、強力なレーザー光線を発生させる「YAGレーザー」の素子として広く利用されています。
- 超伝導体: イットリウム系の超伝導体は、液体窒素で冷却すると超伝導現象を示すことで知られています。
- 医療技術:
- 放射性のあるイットリウムの同位体（イットリウム-90など）は、がん細胞を探し出して結合するモノクローナル抗体などと結合させて、一部のがんの診断や治療に用いられることがあります。
- 耐プラズマコーティング: エッチング装置などの半導体製造装置の部材に、プラズマ環境下での耐食性を高めるためのコーティング（酸化イットリウムなど）として利用されます。
イットリウム はレアアースのひとつであり、蛍光体、レーザー、超伝導体などに利用されるユニークな特徴を持っています。
蛍光体として利用される理由は何か
イットリウムが蛍光体として利用される主な理由は、その特定の希土類元素を添加（ドーピング）する際の「母体結晶」として優れた特性を持つことにあります。
蛍光体は、「母体結晶（ホスト）」と、そこに微量に添加される「発光中心（付活剤またはアクティベーター）」という2つの主要な要素で構成されます。
イットリウムの化合物、特に酸化イットリウム（Y₂O₃）やイットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG）は、この母体結晶として非常に適しています。
蛍光体の発光の原理
- エネルギーの吸収: 蛍光体に紫外線や電子線などのエネルギー（励起エネルギー）が与えられると、母体結晶にドーピングされた発光中心の電子が、より高いエネルギー準位に励起されます。
- 発光: 励起された電子は不安定な状態なので、元の安定した低いエネルギー準位（基底状態）に戻ろうとします。このとき、吸収したエネルギーを光（可視光）として放出します。これが発光現象です。
蛍光体の母体結晶として優れている理由
- 希土類元素との相性: イットリウムは希土類元素に分類され、同じく希土類元素であるユーロピウム（Eu）やテルビウム（Tb）などの発光中心となる元素と化学的性質が類似しています。これにより、イットリウムの結晶格子の中に発光中心のイオンが安定して入り込むことができます。
- 結晶構造の安定性: 酸化イットリウムやYAGなどのイットリウム化合物は、安定した結晶構造を持ちます。この安定した結晶構造が、発光中心のイオンが発光する際に、周囲の環境からの影響を最小限に抑え、効率的で鮮やかな発光を可能にします。特に、希土類元素の発光は、4f軌道電子の遷移に基づくもので、この軌道が原子の内側にあり、周囲の電子によって遮蔽されているため、結晶場の影響を受けにくいという特徴があります。これが、シャープな発光スペクトル（特定の色の光を効率的に放出する）につながります。
- 高い透明性: 蛍光体は、発光した光を効率よく外部に取り出す必要があります。イットリウム化合物は、可視光に対して高い透明性を持つものが多く、発光効率を高める上で有利です。
- 物理的・化学的安定性: 蛍光体は、高温や高エネルギーの励起にさらされる環境で使用されることもあります。イットリウム化合物は、熱的、化学的に安定しているため、長期間にわたって性能を維持することができます。
- 加工性: 蛍光体として利用される際には、粉末や薄膜など様々な形状に加工される必要があります。イットリウム化合物は、比較的加工しやすいという利点もあります。
具体例
- テレビのブラウン管（旧式）の赤色蛍光体: 酸化イットリウムにユーロピウム（Eu³⁺）をドーピングした「Y₂O₃:Eu³⁺」が、鮮やかな赤色を発する蛍光体として利用されていました。ユーロピウムが発光中心となり、イットリウムの酸化物がその発光を支える母体結晶として機能します。
- 白色LED: 青色LEDチップと組み合わせて白色光を生成する際に、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG）にセリウム（Ce³⁺）をドーピングした「YAG:Ce³⁺」が黄色蛍光体として広く使われています。青色光を吸収して黄色光を発し、青色光と混ざることで白色光が得られます。
イットリウムはそれ自体が発光するわけではなく、他の発光性を持つ元素を「活性剤」として効率よく発光させるための、優れた「土台（母体結晶）」としての役割を果たすため、蛍光体として非常に重要な材料となっています。
レーザー素子とは何か
「レーザー素子」とは、レーザー光を発生させるために必要な核となる部品のことです。一般的に、レーザー発振器と呼ばれる装置全体の一部を構成する要素を指します。
レーザー発振器は、以下の3つの主要な要素で構成されます。
レーザー媒質（レーザー媒体、活性媒質）
- レーザー光を発生させる物質そのものです。外部からのエネルギー（励起エネルギー）を吸収し、そのエネルギーを光子の形で放出（誘導放出）することで光を増幅します。
- 固体（ルビー、Nd:YAG結晶、半導体など）、液体（色素）、気体（CO₂、He-Ne、エキシマガスなど）など、様々な種類の物質が使われます。イットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG）結晶にネオジム（Nd）をドーピングした「Nd:YAG」は、固体レーザーの代表的なレーザー媒質です。
励起源（ポンプ光源）
- レーザー媒質にエネルギーを与えるための光源です。レーザー媒質の電子を高いエネルギー準位に「励起」させ、誘導放出が起こりやすい状態（反転分布）を作り出します。
- フラッシュランプ、LED、別のレーザーダイオード（半導体レーザー）などが励起源として使われます。
光共振器（共振器、光学共振器）
- レーザー媒質で増幅された光を、素子内部に閉じ込め、繰り返し往復させるための構造です。通常は、向かい合った2枚の鏡（ミラー）で構成されます。
- このミラーの間で光が増幅され、ある一定の強度に達すると、一部の光が半透過ミラーから外部にレーザー光として放出されます。これにより、指向性が高く、単色性（特定の波長の光）に優れたレーザー光が得られます。
イットリウムとレーザー素子
- イットリウムは、直接的に発光するレーザー媒質ではありませんが、前述の蛍光体の利用と同様に、レーザー媒質の「母体結晶」として非常に重要な役割を担います。
- 特に、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（YAG）結晶は、その安定した結晶構造と光学特性から、多くの固体レーザーにおいて優れた母体結晶となります。このYAG結晶に、ネオジム（Nd）やエルビウム（Er）、イッテルビウム（Yb）などの希土類元素をドーピング（添加）することで、それぞれの元素に応じた特定の波長のレーザー光を発振するレーザー媒質が作られます。
例えば、Nd:YAGレーザーは、最も一般的な固体レーザーの一つであり、以下のような特徴があります。
- 優れた光学特性: レーザー光を効率よく増幅できる。
- 熱的安定性: レーザー発振時に発生する熱に強い。
- 物理的強度: 頑丈で機械的にも安定している。
- 加工性: 結晶として成長させやすく、加工しやすい。
これらの特性により、Nd:YAGレーザーは、加工（切断、溶接）、医療（手術）、分光分析、科学研究など、非常に幅広い分野で利用されています。
レーザー素子とは、レーザー光を発生させるための最小単位の機能を持つ部品であり、イットリウムは特に固体レーザーにおいて、発光性の希土類元素を安定して保持し、効率的なレーザー発振を可能にする「母体結晶」として不可欠な材料です
産出国はどこか
他の多くの希土類元素と同様に、その埋蔵は特定の国に集中しています。現在のところ、中国がイットリウムを含む希土類元素の最大の埋蔵国であり、同時に最大の生産国・輸出国でもあります。特に中国南部の風化粘土イオン吸着鉱床に多く産出されます。
中国以外では、以下の国々にもイットリウムを含む希土類元素の埋蔵が確認されています。
- ベトナム
- ブラジル
- ロシア
- インド
- オーストラリア
- アメリカ
- ミャンマー
イットリウムは、これらの国々の希土類元素鉱石から採掘されます。ただし、特に重希土類元素（イットリウムも含まれる）は中国南部に多く集中している傾向があります。
このような特定の地域への埋蔵と生産の集中は、国際的な供給リスクや価格変動の原因となることが指摘されています。そのため、各国は供給源の多様化やリサイクルの推進に取り組んでいます。
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