科學研究 - 日本機構開發出能吸收所有光線的超級黑膜

日本產業技術綜合研究所與日本量子科學技術研究開發機構合作，開發出了能透過微細的表面結構吸收所有光線的「超級」黑膜。

表面製成黑色的材料在裝飾及影像領域等擁有廣泛的用途，尤其是防止漫反射的用途，需要使用光吸收率接近100％的材料。但以往那些能吸收99％以上光的材料缺乏耐久性，難以在普通環境下使用。

此次，研發小組透過在矽橡膠等的表面形成能擷取所有光的光密封結構，成功開發出了柔軟且耐久性優異的超級黑膜製造技術。作爲技術核心的光密封結構是利用迴旋加速器的離子束照射和化學蝕刻、在聚合體表面形成大量微細的錐形腔結構而實施的。

將這種結構轉印到矽橡膠上製作的黑膜，在紫外線、可見光及紅外線等所有波長範圍均能吸收99.5％以上的光，其中，對熱紅外線的光吸收率達到99.9％以上，爲全球最高水平。這種黑膜能映襯出前所未有的黑色，也可用於提高影像對比，此外還有望用來防止熱成像等的熱紅外線漫反射。

圖1:此次開發的超級黑膜以及其表面的微細錐形腔結構的電子顯微鏡影像

圖1左圖是在材料表面的微細錐形腔結構中封閉光的原理。光射入微細的錐形腔之後，會在壁面多次反射，最終淨反射率降到接近零的水平，因此光吸收率接近100％。這一原理與黑體腔相同。要想利用微細的空腔結構實施接近100％的光吸收率，需要使腔壁大幅傾斜，同時使其表面的光滑程度達到奈米級，而且錐形腔結構的頂部需要足夠尖銳。另外，要想吸收紫外線、可見光及紅外線範圍的所有波長的光，空腔的深度需要超過最大波長，達到數十微米。

圖2：（左）光被封入表面微細的錐形腔結構中的原理　（右）黑膜的製作方法

上述超精密的空腔結構無法利用普通的微細加工技術製作。此次，研發小組利用迴旋加速器發射的離子束，製作出了這種高難度的結構。具體方法是，首先向樹脂基底層照射離子束，形成聚合物切割痕跡，然後利用化學蝕刻法將該痕跡擴大並形成錐形孔。基底層採用均質非晶質樹脂（CR-39樹脂）材料，這種樹脂具有蝕刻處理後的表面粗糙度非常低的特點，最終實施了與設計完全相同的精巧的微細空腔結構。不過，CR-39樹脂材料本來是無色透明的，直接使用的話不會形成黑色材料。另外，很難直接在其他材料上高精度實施相同的加工。

因此，爲了利用其他黑色材料製作黑膜，研發小組開發了轉印微細空腔結構的方法（圖1右）。此次利用形成了微細空腔結構的CR-39樹脂基底層爲底版，將細結構轉印到了混有碳黑的矽橡膠表面。並應答，這樣製成的橡膠膜對於紫外線、可見光及紅外線等所有波長範圍的光均能吸收99.5％以上，實施了「超級黑膜」（圖2）。其中，在熱紅外線波長範圍更是獲得了99.9％以上的光吸收率，爲世界最高水平。