産総研ら,99.5%以上の光を吸収するシートを開発

産業技術総合研究所(産総研)と量子科学技術研究開発機構(量研)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と発表した(ニュースリリース)。

黒色素材は装飾目的のほかにも,太陽エネルギー利用,光センサー,熱放射体などに幅広く応用されており,映像用のカメラ内部の乱反射防止用途などでは,100%に近い光吸収率も必要とされている。

可視光の99.9%以上を吸収する(反射率0.1%未満)材料の報告例(カーボンナノチューブの垂直配向体)はすでにあるが,表面に触れると性能が損なわれるなど,耐久性に乏しく,一般環境での利用は困難だった。

今回,研究グループは,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100%に近い光吸収率を実現した。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。研究グループは今回,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。

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という。

研究グループは,今回開発した暗黒シートは,原盤から繰り返し作製できるため,量産性もよく,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できるとしている。

なお,光技術展示会「OPIE」(会期2019年4月24日~23日)では,同様に高い光吸収率を誇る製品が光陽オリエントオーシャンフォトニクスより出展されている。

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