可視光の99.98%以上を吸収する「至高の暗黒シート」を開発――カシューオイル黒色樹脂を採用 産総研と量研

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産業技術総合研究所(産総研)物理計測標準研究部門は2023年1月18日、量子科学技術研究開発機構(量研)と共同で、可視光の99.98%以上を吸収する「至高の暗黒シート」を開発したと発表した。漆類似成分のカシューオイル黒色樹脂の表面に微細な凹凸を形成し、光を閉じ込めている。

カメラや分光分析装置内部の乱反射防止、迷光除去などの用途で、完全に無反射の黒体材料が切望されており、黒体に近い材料が登場している。反射率が0.1%を大きく下回る黒体材料があれば、利用価値が高いが、0.1%を大きく下回る極低反射率を達成したのはもろい素材に限られていた。

産総研では、2019年に量研とともに、紫外線~可視光~赤外線の全域で99.5%以上の光を吸収する「究極の暗黒シート」を開発しており、今回の至高の暗黒シートの開発には、この技術を適用拡大している。

暗黒シートによる光吸収は、空洞黒体の原理に基づいている。暗黒シートは、円錐孔型の空洞黒体をミクロなサイズにして光閉じ込め構造とし、面上に敷き詰めており、光閉じ込め構造に入射した光は、吸収と反射を壁面で何度も繰り返し、正味の反射率がゼロに近づいていく。大きく正味の反射率が0.1%を下回るには、光閉じ込め構造の勾配は急峻、エッジは鋭く、壁面はナノレベルの滑らかさが必要となる。

こうした構造の作製には、サイクロトロン加速器からの高エネルギーイオンビームを用いた。イオンビームを照射してCR-39樹脂基板に生じた損傷痕跡は、化学エッチングで狙ったサイズや形状の極めて精巧な円錐孔に拡大形成でき、基板表面に敷き詰められる。

暗黒シートの光閉じ込め構造による反射低減と光吸収の原理(左)、至高の暗黒シートの作製方法(右)

作製した微細な凹凸を原盤(モールド)とし、黒色樹脂表面に光閉じ込め構造を転写するが、この方法は、原盤から繰り返し転写できるため量産性も期待できる。究極の暗黒シートは、カーボンブラック顔料を混錬したシリコーンゴムに、光閉じ込め構造を転写したものだが、黒体材料の需要の特に多い可視域では、暗黒シートの反射率が0.3%から0.5%程度にとどまっていた。

今回、カーボンブラック顔料による散乱が、これまで暗黒シートの反射率低減を制約してきた原因だと突き止めた。そこで、カーボンブラック顔料を用いない低散乱な黒色基材を探索したところ、漆塗りの代用にも用いられるカシューオイル樹脂に着目。カシューオイル樹脂を構成するポリフェノール類は、漆の成分に類似し、鉄と錯体を作り、顔料を加えなくてもポリマー自体が黒くなるため、カシューオイル黒色樹脂膜は、散乱反射(くすみ)の量が極めて少ないことがわかった。

暗黒シート(光閉じ込め構造)中の顔料粒子の有無と散乱光発生の関係

今回、シリコーン樹脂製の型を介することで、光閉じ込め構造の転写対象を拡大する技術も開発。カシューオイル黒色樹脂に適用すると、鏡面反射(ぎらつき)も散乱反射(くすみ)も抑えられた。可視光の反射率は、従来の暗黒シートと比べ、一桁以上低い0.02%以下(光吸収率99.98%以上)となっている。この至高の暗黒シートの深い黒は、レーザーポインターの光が消えて見えるほどで、触れる素材で世界一の黒さを達成した。

至高の暗黒シートの半球反射率の波長特性(可視光領域)

至高の暗黒シートは、触っても性能が損なわれず、取り扱いが容易で、簡単にちりなどを除去できる。明るい場所でも沈む圧倒的な黒さで、背景の映り込みを防止でき、視覚表現にこれまでになく高いコントラストを提供する。

また、カシューオイル黒色樹脂ほどではないものの、カーボンブラック顔料を用いない複合組成で低散乱な黒色基材がいくつか見つかっており、基材の選択肢があり、光閉じ込め構造を作製できることも特長となっている。

今後は、具体的な用途開発や実用化に向けた検討を進めていき、プロ用途だけでなく、身近な場面も含め、光制御、利用技術のさらなる性能向上を目指す。

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