飛蛾的眼睛與次世代螢幕

--本文由日經BP社提供

三菱麗陽最近開始全面銷售防反射膜「蛾眼薄膜」。以往防反射膜的光透射率只有92％，而蛾眼薄膜則達到了99％以上。除可用作顯示器等的防反射膜之外，貼到太陽能電池面板上時，還有望減少太陽光的反射光，提高轉換效率。

蛾眼薄膜在聚對苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜表面用光硬化性樹脂（光聚合物）規則地形成高約200nm、底面直徑約100nm的微小圓錐狀突起。由於構造與飛蛾的眼睛相似，因此稱為蛾眼。

蛾眼薄膜的效果
（a）為有無蛾眼的樣品比較。左側樣品有周圍光的反射，而有蛾眼的右側樣品則幾乎沒有反射。（b ）為蛾眼薄膜表面的電子顯微鏡照片。排列有小的突起。

突起使光學界面模糊

一般說來，動物的眼睛都容易反射光。貓的眼睛之所以會在黑暗環境中發光，就是因為光聚集在眼底反射了出去。但飛蛾的眼睛不同，它是由數十μm左右的微細六角形構成的集合體，而且這些六角形的表面還帶有直徑為100n～200nm左右的微細凹凸，因此不易反射光。夜行性的飛蛾擁有這種「無反射」特點的原因一是為了防止眼底的反射使天敵及獵物發現自己，二是為了高效聚集夜晚中較少的光線。

反射被抑制的秘密就隱藏在上述圓錐構造中。光的反射通常發生在折射率不同的物質之間的界面上，而如果像蛾眼這樣豎有圓錐狀聚合物，就會像梯度材料一樣，在其高度中，空氣與光聚合物的比例會逐漸變化。也就是說，不存在光學界面，所以不會發生反射（註1）。

註1：研究表明，從理論上說，用光的波長除以折射率得到的值大於凹凸的間距時就會形成無反射效果。 

蛾眼模具的形成
實施陽極氧化處理時，隨著自組織化，鋁表面就會出現中央帶細孔的6角形晶胞的排列，從而形成氧化皮膜（a）。通過反覆利用陽極氧化和蝕刻實施擴大孔徑的處理，便可形成接近圓錐形狀的孔（b）。

自然形成的精細圖案

隨著蛾眼構造及其特性被查明，有大量企業及研究人員展開了將蛾眼構造應用於工業產品的技術開發（註2）。其課題在於如何實現工業性量產。

註2：其實，三菱麗陽並非一開始就想到要製造蛾眼薄膜，而是在考慮推出低反射膜，打算將其作為主力商品即稜鏡膜的新一代主力商品的過程中，蛾眼薄膜才逐漸浮出水面的。

蛾眼薄膜只要準備具有微細凹凸構造的模具，並使用向樹脂薄膜等轉印的奈米壓印技術即可製造。不過，要想形成奈米級的微細凹凸構造，必須利用電子束來加工。這樣一來，不但需要很長時間，而且僅數mm見方的模具，其價格也要高達數百萬日元，因此很難以工業方式實現。另外，在曲面上加工時也有很大難度（註3）。

註3：儘管還有研究通過利用藍色雷射的干涉曝光法來成型，但凹凸的間距只能減小至300n～350nm左右，無法充分抑制反射。

為了解決這些課題，三菱麗陽研究企劃推進部研究員魚津吉弘將目光放在了被稱為自我組織化(Self-organization)的仿生技術上。自我組織化是指雪的結晶生長及心臟的跳動等有序的規則幾何學形狀或機理自然形成的現象。

魚津從一開始就打算開發能夠對寬1m左右的薄膜實施量產的大型壓輥模具。「要想低成本地雕出圖案，就必須利用自我組織化現象」。其實，魚津過去曾開發過一種叫做「水蒸汽鑄造法」的自我組織化技術，這種技術可形成具有蜂窩微細構造的薄膜。因此，他平時總是在考慮自我組織化技術能夠應用之處。 

利用已有技術

魚津與神奈川科學技術研究院教授益田秀樹等共同開發了利用經陽極處理而成的鋁奈米孔陣列來製造模具的技術。鋁奈米孔陣列是指向浸在稀硝酸及草酸等電解液中的鋁（陽極）和碳棒（陰極）流過電流時鋁表面上形成的氧化皮膜。該皮膜是一層由6角形的氧化鋁（Alumina）晶胞排列而成的薄膜，各晶胞的中央有細孔（奈米孔）。晶胞的大小可通過改變電壓等手段控制在20n～200nm之間。 

陽極處理之前曾廣泛應用於鋁門窗框的表面硬化處理等用途。不過，形成的細孔當時並未引起重視。而益田等開發的方法，其特點就在於將這些細孔用作了鑄造模具。 

陽極處理所形成的細孔如不加干預的話，只會形成長孔。因此，通過蝕刻擴大了這些細孔。然後再經過陽極處理使孔的尖端析出伴有細孔的氧化鋁。通過反覆實施這一操作，便可形成圓錐狀的孔，成為製造蛾眼薄膜的壓輥模具。 

蛾眼薄膜使用的模具
（a）為壓輥模具。（b）模具表面排列著經陽極氧化形成的圓錐狀的孔。

允許存在些許不完善之處

作為自然現象的自我組織化無需高溫及高壓等特殊條件，因此是一種高效、節能的製造技術。 

不過，利用自我組織化的構造來成型，其規則性多少會存在不完善之處。不過，即便存在些許不完善的部分，動植物擁有的微細構造也會充分發揮功能。蛾眼薄膜也是如此，雖然構造上還存在不完善之處，比如局部突起排列不齊等，但對整體特性幾乎沒有影響。可以說，正是對大自然創造的自我組織化加以工業化利用，才獲得了不反光的蛾眼薄膜。