由凹凸表面打造的功能显示材料

凹凸不平的功能显示材料

2022/04/13

由凹凸表面打造的功能性显示材料 人与人之间的联系所创造的合作形式

4K、8K 等用于高清显示器的光学元件、支持物联网和自动驾驶技术的优质且廉价的传感器等随着其用途的扩展不反光、防雾等功能改进必不可少此外，还需要长期使用的耐用性。此外，如果我们要将其商业化，我们还需要降低制造成本。通过与两家私营公司的联合研究，AIST 成功地减小了基材上的入射角。即使从倾斜方向观察，也难以在从蓝色到红色的宽波长范围内反射的效果成功开发具有防雾效果的纳米结构我做到了。其核心称为自成型柱状薄膜沉积技术的创新技术进一步实现大规模生产纳米结构的技术并在各个工业领域商业化等公司的合作范围广泛 - 回顾各公司与 AIST 之间的合作历史。

制造商 x 贸易公司 x AIST；多年的联合研究结出硕果

　2020年秋季，AIST宣布完成了一项技术，利用弯曲模具表面形成的纳米结构，仅通过注射成型即可制造具有防反射功能的蛾眼结构面板。2020/11/24 新闻稿文章）。该面板可通过其材料结构防止反射，具有世界最高水平的低反射性能，其60度入射角的反射率降至传统减反射膜的七分之一，并且还具有高防雾性能。另一个重要的一点是，成本远低于用于创造传统低反射特性的薄膜镀膜技术。这项开创性的研究是伊藤光学工业株式会社（以下简称“伊藤光学工业”）和东亚电气工业株式会社（以下简称“东亚电气工业”）两家公司与产业技术研究院长期共同研究的成果。尽管研究成果难以实际应用，但仍不放弃继续共同研究的企业和AIST研究人员付出了怎样的努力？

　产业技术研究院在光盘研究过程中，长期积累了在模具表面形成微细金属纳米粒子的技术。 2007年，该公司宣布开发出使用纳米粒子的减反射镜片的量产技术。2007/4/23 新闻稿）。这是以最新模具技术为基础，由眼镜镜片知名企业伊藤光学与产业技术研究所等共同开发的。

　我们当时开发的是一种通过使用纳米颗粒作为掩模来绘制转移图案并刮擦表面来创建具有纳米结构的模具的方法。 “除了能够制造独特的结构外，这种模具还可以用于注射成型，从而可以批量生产高性能镜片。”从那时起就一直参与这项技术的制造技术研究部研究主任栗原一马回忆道。

当时，伊藤光学工业正在利用在眼镜镜片制造过程中积累的真空蒸镀技术，致力于开发用于光学部件的高附加值涂层。

　当我了解到 Kurihara 等人的技术不是通过镀膜而是通过材料本身的结构来防止反射时，我有一种预感，这将成为未来的主流，因此我在 2007 年加入了联合研究。”伊藤光学的 Yuji Saito 说道。

　另一方面，东亚电气工业公司和产业技术研究院自2015年起就按照与伊藤光学不同的方案并行开展联合研究。东亚电气工业虽然是一家电子贸易公司，但其独特之处在于设有开发部门，主要致力于中央信息显示器和平视显示器表面处理等车载部件的制造和销售。东亚电气产业振兴部的福井宏明讲述了他参与联合研究的动机如下。

　由于我们能够倾听用户的声音，所以我们最大的优势就是能够将技术的种子与行业的需求相匹配。一段时间以来，我们收到了汽车行业用户对不易反射阳光的汽车面板的要求，因此我们对AIST的创建具有防反射效果的纳米结构的技术非常感兴趣。''

商业化的愿望和支持研究的信任关系

　2019年，两家公司和AIST单独开展的研究活动变成了三方联合项目。东亚电气工业提出了利用纳米结构开展业务的想法，并考虑了如何以产业技术研究院为中介开展该项目，结果决定由自2012年开始参与该项目的伊藤光学工业和东亚电气工业共同合作进行该项目。

　伊藤工学工业在制造纳米结构模具方面具有优势，而东亚电气则在开发使用纳米结构模具的产品的市场方面具有优势。我们期待通过两家公司的合作，AIST的技术将广泛应用于社会。 （栗原）

　尽管联合研究计划发生了变化，但两家公司始终热衷于日本产业技术研究院的技术转让及其商业化。为了满足两家公司的期望和热情，AIST也继续通过反复试验接受研究挑战。

　虽然许多公司在短时间内通过试错而暂停了研究投入，但我们的立场多年来保持不变的原因是我们的客户公司对新技术的期待跟随了我们。作为从一开始就参与研发的开发商之一，我们不能放弃这项技术。AIST 非常了解我们的立场，并继续与我们一起进行研究。”伊藤光学的 Saito 回忆道。

东亚电气工业公司的福井还表示，“为了让产业技术研究所的纳米结构技术得以推广并打开中央信息显示器等产品的市场，我们认为增加模具尺寸是关键。根据可行性研究和管理判断，我们决定最好与伊藤工学合作”，并表示这是公司业务战略的重要决定。

利用表面的柱状结构创造减反射效果

　让我们回顾一下这项研究的创新点。首先，本次研究的对象是一种什么样的蛾眼结构？夜行性昆虫，如飞蛾，即使在黑暗中也能自由飞翔，“蛾眼”一词就是由此而来。这是可能的，因为复眼的表面按规则间隔排列着纳米尺寸的角膜突起，这种结构允许光线几乎不反射地进入眼睛。这一原理被称为“蛾眼”，广泛应用于减反射膜等，而蛾眼膜被认为是仿生学实际应用的典型例子。

　三方的合作研究主要旨在提高这种蛾眼结构的精度，但正在使用新技术来生成该结构。传统的减反射膜通过真空蒸镀堆叠多层不同折射率的薄膜来防止反射，但他们不是堆叠薄膜，而是通过在材料表面的柱状结构中产生许多不规则性，成功地产生了减反射效果。如果可以制造出这种形状的模具，则可以将其用于注塑成型，不仅可以批量生产薄膜，还可以批量生产各种形状的蛾眼结构部件。

　利用新技术创建的材料表面的柱状结构被称为“自成型柱状膜”。当使用电子显微镜观察时，可以看出，在常规技术中，仅在纳米结构的表面上形成平坦的无机颗粒薄膜，但在自形成的柱状膜中，在纳米结构的内部自形成了看起来像海绵的柱状结构。这种海绵结构被认为使得即使在浅入射角下也难以反射光。

　为了形成这种复杂的结构，在成膜过程中进行了技术创新。通常，在成膜过程中，采取足够的“平均自由程”，即无机材料颗粒可以行进而不会因散射源的散射(碰撞)而相互干扰的距离，并且进行控制以防止颗粒碰撞。然而，利用这项技术，通过控制设备将颗粒的平均自由程缩短到常规长度的十分之一，颗粒相互碰撞，在其他纳米结构内创建纳米结构。这种方法偏离了“成膜过程中粒子不碰撞”的传统观念。

　然而，这个发现并不是我想要的。

　这一切都始于东亚电气工业询问我们是否可以进一步提高车载导航面板的表面硬度，以提高其耐刮擦性。我们提出了在其上涂上无机薄膜的想法，很快我们就能够创造出具有独特性能特征的产品。结果，我们发现形成了这样的特征性柱状结构。一般认为，缩短平均自由程会降低分子的直线度，因此我们预计这会使表面层变得更硬，但我们惊讶地发现，不仅是刚性的表面层，还形成了神秘的柱状结构。”

防雾效果是意想不到的“副产品”

发现了意想不到的新结构。这也产生了意想不到的“副产品”。那就是防雾效果（抵抗起雾）。

　为什么玻璃等材料的表面会变得浑浊？这是由水滴引起的。当附着在表面的水滴由于湿度的影响而长大到大于光的波长时，光会在水滴表面发生散射，从而阻碍能见度。防止起雾的关键是防止这些水滴变得大于光的波长，或者保持水滴足够小以形成水膜。水膜形成平坦的表面并防止光线散射，从而达到防雾效果。

　至于为什么这种纳米结构具有如此高的防雾效果，栗原说，“详细机制尚未阐明”，但补充道，“这也是一个复杂的支柱，类似于低反射率的机制。” “这可能是因为圆柱形结构产生了一种海绵效应。换句话说，编织柱状结构吸水的机制发生在纳米级别，使得水滴难以形成。”

　新型纳米结构表面形成的亲水性无机膜可以长期保持，并表现出很高的防雾效果。预计将应用于需要白天和夜间保持清晰可视性的汽车和家用电器的显示面板，以及作为传感器组件需要在恶劣环境下长时间运行的小型超广角镜头。它还有望应用于广泛的工业应用，例如即使戴着口罩也不会起雾的医疗防护罩，以及即使附着水滴也不会妨碍视野的防护眼镜。

　伊藤光学工业公司和东亚电气工业公司加强了业务合作关系，并正在推进向市场供应经产业技术研究院许可的大面积纳米结构模具以及使用这些模具的成型产品的业务。 2021年，约50厘米见方的大面积3D纳米结构模具量产线将开始运营，预计将迅速投放到汽车、工厂自动化和普通消费等市场。

　这样，与企业的长期合作伙伴关系以及由此产生的企业之间的合作对于 AIST 来说是宝贵的资产。

　”栗原回顾组织与人之间的合作。

　栗原表示，“我希望通过反馈信息和企业的要求、改进技术、创造新技术，并将其反馈给企业，为新业务的创建做出贡献，来继续这种关系”，表达了他对超越技术桥梁的商业化的希望。