産業技術総合研究所物理計測標準研究部門応用放射計測研究グループ雨宮邦招研究グループ長、井邊真俊研究員、光放射標準研究グループ蔀洋司研究グループ長と、量子科学技術研究開発機構量子ビーム科学研究部門高崎量子応用研究所越川博主任研究員、八巻徹也上席研究員は、微細な表面構造であらゆる光を吸収する、究極の暗黒シートを開発した。
表面を黒色化した材料、特に乱反射防止用には、100%に近い光吸収率の材料が求められる。しかし、99%以上の光を吸収する従来の材料は耐久性に乏しく、一般環境での利用が困難だった。今回、シリコーンゴムなどの表面に、あらゆる光をとらえて逃がさない光閉じ込め構造を形成することで、柔軟で耐久性にも優れた究極の暗黒シートを製造する技術の開発に成功した。ポイントとなる光閉じ込め構造は、サイクロトロン加速器からのイオンビームの照射と化学エッチングにより、ポリマー表面に微細な円錐状の空洞構造を多数形成することで実現した。これを原盤としてシリコーンゴムに転写作製した暗黒シートは、紫外線~可視光~赤外線の全域で99.5%以上の光を吸収し、特に熱赤外線に対しては99.9%以上という世界最高レベルの光吸収率を達成した。これまでにない美しい黒が映える新素材としての活用や、映像のコントラスト向上のほか、サーモグラフィーなどでの熱赤外線の乱反射防止といった応用も期待される。
研究の内容
素材表面の微細な円錐状空洞構造に光が閉じ込められる原理。
微細な空洞に光が入射すると、壁面で何度も反射を繰り返して、最終的に正味の反射率がゼロ近くまで低減するので光吸収率は100%近くなる。この原理は、いわゆる空洞黒体と同じである。微細空洞構造により、100%近い光吸収率を達成するには、空洞壁面の傾斜を急峻にしつつ、その表面はナノメートルレベルで滑らかにし、円錐状空洞構造のエッジは十分に鋭くする必要がある。また、紫外線~可視光~赤外線の全てを吸収させるには、空洞の深さは最大波長以上の数十マイクロメートル程度にする必要もある。
こうした超精密な空洞構造は、通常の微細加工技術(リソグラフィーや超精密機械加工など)では作製できない。今回は、サイクロトロン加速器からのイオンビームを用いて、この難しい構造を作製した。これは、樹脂材料基板にイオンビームを照射して、高分子切断の痕跡を生じさせ、続く化学エッチングでその痕跡を円錐孔に拡大形成する技術である。エッチング処理後でも極めて表面粗さの小さい加工面が得られる、均質で非晶質性の樹脂(CR-39樹脂)を基板に用いることで、設計通りの精巧な微細空洞構造を実現できた。しかしCR-39樹脂素材は元々無色透明であり、そのままでは黒色素材とはならない。また、別の素材に同じ加工を直接高精度に施すのは難しい。
そこで、別の黒色材料に拡張して暗黒シートを作成するために、微細空洞構造を転写する方法を開発した。今回、微細空洞構造を作製したCR-39樹脂基板を原盤として利用し、カーボンブラックを混錬したシリコーンゴムの表面に微細構造を転写することで、紫外線~可視光~赤外線のあらゆる光を99.5%以上も吸収することが確認でき、「究極の暗黒シート」を作成できることが示せた。特に熱赤外線の波長域では、世界最高水準となる99.9%以上の光吸収率が得られた。
この暗黒シートはシリコーンゴムの柔軟性を保っており、曲げても触っても、粘着テープを貼りつけて剥がしても、性能が劣化せず、高い光吸収率を維持できる。このように、耐久性と、極めて高い光吸収率を併せ持つ黒色素材は世界初である。暗黒シートは原盤から繰り返し作製できるため、量産性もよい。また、他の素材への拡張性の高さも示すことができた。美しい黒が映える新素材として、例えば高級感ある黒の演出や、黒が沈む高鮮明映像への貢献のほか、サーモグラフィーでの熱赤外線の乱反射の防止など、一般環境での幅広い応用が期待される。
今後の予定
今後は、可視光に対しても99.9%以上の光吸収率を目指す。また、広く一般用途に使用できるよう、実用化のための研究開発を進める。
◆用語説明
〇サイクロトロン加速器
加速器は、イオンや電子などの荷電粒子を電磁気の力で加速する装置。サイクロトロンは、小型の加速器では得られない高いエネルギーにまでイオンを加速できる大型装置である。高エネルギーのイオンビームは、照射試料の奥深く(100μm以上)にまで打ち込むことができる。
〇熱赤外線
あらゆる物体は、その温度に応じた光を放出している。常温域では主に赤外線を、高温になると主に可視光を放出する(例:赤熱)。常温域で主に放出される波長帯(8μm-15μm)の赤外線を特に熱赤外線と呼ぶ。
〇サーモグラフィー
物体の温度に応じて放出される光を画像として撮影する装置。常温に近い温度で用いるものは、熱赤外線カメラ素子が備えられていて、空港での発熱者検知、自動車用の夜間カメラ(歩行者検知)、建物の断熱診断、機器の異常発熱の検査などにも用いられている。
〇空洞黒体
あらゆる光を完全に吸収する理想的な物体である黒体は、現実には存在しないので、大きな中空の空洞に小さな穴を設けて、模擬的に黒体を実現したものを空洞黒体と呼ぶ。小さな穴から空洞に入った光は内部で繰り返し反射していくうちに吸収されて減衰し、再び小さな穴から出ていく確率は非常に小さくなる。
〇リソグラフィー
微細加工技術の総称。光を用いてパターンを形成するフォトリソグラフィー、加速した電子で描画する電子線リソグラフィー、X線を用いるX線リソグラフィーなどがある。
〇超精密機械加工
微小なダイヤモンド工具を精密に制御して、材料を機械的に切削加工する方法。
〇CR-39樹脂
アリルジグリコールカーボネイトからなる3次元網目構造の熱硬化性ポリマー。透明度が高く、光学特性がよいため、工業的にはメガネのレンズとして用いられている。高品質のCR-39樹脂は、一様等方性、均質性、非晶質性に優れ、放射線感受性が高い(放射線損傷を受けやすい)。このため、イオンビームや荷電粒子線の暴露で生じた損傷痕跡が化学エッチングにより明瞭な円錐状の穴となり、容易に計数できるので、アルファ線や中性子線といった放射線のモニタリングにも用いられる。
〇カーボンブラック
炭素の微粒子。油やガスを不完全燃焼させるか、炭化水素を熱分解すると得られる。いわゆる煤(すす)もカーボンブラックの一種。黒色顔料として着色に広く用いられるほか、ゴムに混ぜると強度が増すので、タイヤゴムにも使用される。
天気は晴れ。風が少しあり、少し冷たい。早朝の畑作業は、水運び・・雨が降らない、種に水を!。
散歩道横の小さな傾斜地で、”フユシラズ”が群生し、花が咲いている。冷たい風や雪にも負けずに咲き、真冬でも次々と花をつけるので、名は”フユシラズ”。
”フユシラズ”はキンセンカ(金盞花)より古い時代に渡来したと言われ、ホンキンセンカ(本金盞花)とも呼ばれる。キンセンカ(金盞花)と同属で、キンセンカよりも小さい黄色の花を付け、ヒメキンセンカとも呼ばれる。
フユシラズ(冬知らず)
別名:姫金盞花(ひめきんせんか)、本金盞花(ほんきんせんか)
学名:Calendula arvensis
キク科カレンデュラ属
一年草(秋~翌春の越年性)
原産地は地中海沿岸、10世紀頃の渡来と推測される
開花時期は11月~5月
花は径2cm位、花色は橙・黄色
花の大きさは、キンセンカ(金盞花)2周り程小さくした感じ
花は日が当ると開き、夜は花を閉じる
表面を黒色化した材料、特に乱反射防止用には、100%に近い光吸収率の材料が求められる。しかし、99%以上の光を吸収する従来の材料は耐久性に乏しく、一般環境での利用が困難だった。今回、シリコーンゴムなどの表面に、あらゆる光をとらえて逃がさない光閉じ込め構造を形成することで、柔軟で耐久性にも優れた究極の暗黒シートを製造する技術の開発に成功した。ポイントとなる光閉じ込め構造は、サイクロトロン加速器からのイオンビームの照射と化学エッチングにより、ポリマー表面に微細な円錐状の空洞構造を多数形成することで実現した。これを原盤としてシリコーンゴムに転写作製した暗黒シートは、紫外線~可視光~赤外線の全域で99.5%以上の光を吸収し、特に熱赤外線に対しては99.9%以上という世界最高レベルの光吸収率を達成した。これまでにない美しい黒が映える新素材としての活用や、映像のコントラスト向上のほか、サーモグラフィーなどでの熱赤外線の乱反射防止といった応用も期待される。
研究の内容
素材表面の微細な円錐状空洞構造に光が閉じ込められる原理。
微細な空洞に光が入射すると、壁面で何度も反射を繰り返して、最終的に正味の反射率がゼロ近くまで低減するので光吸収率は100%近くなる。この原理は、いわゆる空洞黒体と同じである。微細空洞構造により、100%近い光吸収率を達成するには、空洞壁面の傾斜を急峻にしつつ、その表面はナノメートルレベルで滑らかにし、円錐状空洞構造のエッジは十分に鋭くする必要がある。また、紫外線~可視光~赤外線の全てを吸収させるには、空洞の深さは最大波長以上の数十マイクロメートル程度にする必要もある。
こうした超精密な空洞構造は、通常の微細加工技術(リソグラフィーや超精密機械加工など)では作製できない。今回は、サイクロトロン加速器からのイオンビームを用いて、この難しい構造を作製した。これは、樹脂材料基板にイオンビームを照射して、高分子切断の痕跡を生じさせ、続く化学エッチングでその痕跡を円錐孔に拡大形成する技術である。エッチング処理後でも極めて表面粗さの小さい加工面が得られる、均質で非晶質性の樹脂(CR-39樹脂)を基板に用いることで、設計通りの精巧な微細空洞構造を実現できた。しかしCR-39樹脂素材は元々無色透明であり、そのままでは黒色素材とはならない。また、別の素材に同じ加工を直接高精度に施すのは難しい。
そこで、別の黒色材料に拡張して暗黒シートを作成するために、微細空洞構造を転写する方法を開発した。今回、微細空洞構造を作製したCR-39樹脂基板を原盤として利用し、カーボンブラックを混錬したシリコーンゴムの表面に微細構造を転写することで、紫外線~可視光~赤外線のあらゆる光を99.5%以上も吸収することが確認でき、「究極の暗黒シート」を作成できることが示せた。特に熱赤外線の波長域では、世界最高水準となる99.9%以上の光吸収率が得られた。
この暗黒シートはシリコーンゴムの柔軟性を保っており、曲げても触っても、粘着テープを貼りつけて剥がしても、性能が劣化せず、高い光吸収率を維持できる。このように、耐久性と、極めて高い光吸収率を併せ持つ黒色素材は世界初である。暗黒シートは原盤から繰り返し作製できるため、量産性もよい。また、他の素材への拡張性の高さも示すことができた。美しい黒が映える新素材として、例えば高級感ある黒の演出や、黒が沈む高鮮明映像への貢献のほか、サーモグラフィーでの熱赤外線の乱反射の防止など、一般環境での幅広い応用が期待される。
今後の予定
今後は、可視光に対しても99.9%以上の光吸収率を目指す。また、広く一般用途に使用できるよう、実用化のための研究開発を進める。
◆用語説明
〇サイクロトロン加速器
加速器は、イオンや電子などの荷電粒子を電磁気の力で加速する装置。サイクロトロンは、小型の加速器では得られない高いエネルギーにまでイオンを加速できる大型装置である。高エネルギーのイオンビームは、照射試料の奥深く(100μm以上)にまで打ち込むことができる。
〇熱赤外線
あらゆる物体は、その温度に応じた光を放出している。常温域では主に赤外線を、高温になると主に可視光を放出する(例:赤熱)。常温域で主に放出される波長帯(8μm-15μm)の赤外線を特に熱赤外線と呼ぶ。
〇サーモグラフィー
物体の温度に応じて放出される光を画像として撮影する装置。常温に近い温度で用いるものは、熱赤外線カメラ素子が備えられていて、空港での発熱者検知、自動車用の夜間カメラ(歩行者検知)、建物の断熱診断、機器の異常発熱の検査などにも用いられている。
〇空洞黒体
あらゆる光を完全に吸収する理想的な物体である黒体は、現実には存在しないので、大きな中空の空洞に小さな穴を設けて、模擬的に黒体を実現したものを空洞黒体と呼ぶ。小さな穴から空洞に入った光は内部で繰り返し反射していくうちに吸収されて減衰し、再び小さな穴から出ていく確率は非常に小さくなる。
〇リソグラフィー
微細加工技術の総称。光を用いてパターンを形成するフォトリソグラフィー、加速した電子で描画する電子線リソグラフィー、X線を用いるX線リソグラフィーなどがある。
〇超精密機械加工
微小なダイヤモンド工具を精密に制御して、材料を機械的に切削加工する方法。
〇CR-39樹脂
アリルジグリコールカーボネイトからなる3次元網目構造の熱硬化性ポリマー。透明度が高く、光学特性がよいため、工業的にはメガネのレンズとして用いられている。高品質のCR-39樹脂は、一様等方性、均質性、非晶質性に優れ、放射線感受性が高い(放射線損傷を受けやすい)。このため、イオンビームや荷電粒子線の暴露で生じた損傷痕跡が化学エッチングにより明瞭な円錐状の穴となり、容易に計数できるので、アルファ線や中性子線といった放射線のモニタリングにも用いられる。
〇カーボンブラック
炭素の微粒子。油やガスを不完全燃焼させるか、炭化水素を熱分解すると得られる。いわゆる煤(すす)もカーボンブラックの一種。黒色顔料として着色に広く用いられるほか、ゴムに混ぜると強度が増すので、タイヤゴムにも使用される。
天気は晴れ。風が少しあり、少し冷たい。早朝の畑作業は、水運び・・雨が降らない、種に水を!。
散歩道横の小さな傾斜地で、”フユシラズ”が群生し、花が咲いている。冷たい風や雪にも負けずに咲き、真冬でも次々と花をつけるので、名は”フユシラズ”。
”フユシラズ”はキンセンカ(金盞花)より古い時代に渡来したと言われ、ホンキンセンカ(本金盞花)とも呼ばれる。キンセンカ(金盞花)と同属で、キンセンカよりも小さい黄色の花を付け、ヒメキンセンカとも呼ばれる。
フユシラズ(冬知らず)
別名:姫金盞花(ひめきんせんか)、本金盞花(ほんきんせんか)
学名:Calendula arvensis
キク科カレンデュラ属
一年草(秋~翌春の越年性)
原産地は地中海沿岸、10世紀頃の渡来と推測される
開花時期は11月~5月
花は径2cm位、花色は橙・黄色
花の大きさは、キンセンカ(金盞花)2周り程小さくした感じ
花は日が当ると開き、夜は花を閉じる