2016 Fiscal Year Annual Research Report
乱雑さを制御した複合プロセスによる、高機能発色材の実現
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26289249
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
齋藤 彰 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90294024)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 構造色 / 乱雑さ / モルフォ蝶 / プロセス / 生物模倣 / ナノ / 光材料、光輝材 / バイオミメティクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、モルフォ蝶の巧妙な光学ナノ構造に基づく「高機能な発色材の開発」であり、基本作製プロセスは「乱雑ナノパターニング」と「多層膜蒸着」の２段階で構成される。H28年度は、H26～27年度に基板フリー化の技術で予想外に複数の方向で進捗が得られたのを受け（本来は3番目に行う内容であった）、フレキシブル発色膜を発展させた。それとともに、乱雑さの役割で新たな知見をもとに、新規な乱雑さの設計・作製プロセス開発を行った。前者は全体計画および実験環境整備に鑑みて、研究計画を進めた結果であり、後者は新たな進展である。特に、フレキシブル膜の作製プロセスで新たに見出した基本原理（クランプ効果）について、顕微観察に基づいてより確実な解明が進み、また「曲げ状態下」の挙動（光特性の不明点が多数あった）も理解が大きく進んだ。これらは論文投稿に結び付いている（査読中）。また、レーザ加工（自体でなくその精密制御）の困難さに鑑みて、H28年度は「ナノの乱雑さ」の設計・加工それぞれにおいて、新たな案に基づく進展を得た。具体的には、従来のナノの乱雑さは面内だけで設計・加工されてきたが（理由は技術的な困難による）、深さ方向でも新たな乱雑さを導入するための設計を考案し、それを実現する新たなプロセスも開発を行った。この場合も、発色体は、新たな乱雑さの役割を持ちながら、モルフォ発色の光特性をもつことが確認できた。
さらに標記課題の新たな意義として、よりグローバルな観点からバイオミメティクスという枠組みがここ数年で顕在化し始め（国際標準化の策定が始まるなど）、本分野の国際動向と連結して新たな価値（特に産業上の価値）も見出された。上記を受けて、論文投稿2件に加え、実績として書籍1、解説4、口頭発表16（うち国際4で招待13）、などの成果が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
目標である複合プロセスの開発に対し、計画の重要ポイントだった基板フリー・フレキシブル発色膜の作製について、H26～27年度に続いて複数の方向で進捗が得られた点は、当初通りの計画進展が得られた点である。特に、本課題で新たに見出した基本原理（アンカー効果・クランプ効果）について、顕微観察とさまざまな観点での考察・検討を繰り返したことで、より確実な解明が進んだ。その結果、プロセスのメカニズムについてほぼ定量的にも説明が付くようになり、特性と構造をよく説明できるようになった。そのおかげで、プロセスの応用・改良などの展開がより自由にできるようになった。また「曲げ状態下」の挙動（光特性の不明点が多数あった）も理解が大きく進んだ。基板フリー・フレキシブル化は、多くの困難が予想されたため後半の計画であったが、これを最終年度を残してほぼ完成できたことは大きな進捗である。
次に、もう１つの当初計画「ナノの乱雑さ制御におけるレーザ加工」については、加工自体というより、その精密制御の困難さに突き当たっている。これを受け、H28年度に「ナノの乱雑さ」の設計・加工それぞれにおいて、新たな案に基づく開発を行った。具体的には、従来のナノの乱雑さは面内だけで設計・加工されてきたが（理由は技術的な困難による）、深さ方向でも新たな乱雑さを導入するための設計・加工を考案し、新たなプロセスも開発を行った。その結果、乱雑さ設計の自由度は広がった。
上記の進捗を受け、新たな乱雑さ制御の成果をレーザ加工と砥粒加工へのプロセスにフィードバックする計画で、その過程は今も工夫の途中である。H27年度終了時のパラメータ制御の状況に比べ、新たな乱雑さの自由度が得られた点は予想外の進捗である。また最後の課題である動的制御についてはフィジビリティ研究を続けており、それをもとに最終年度に臨む状況であるため、総合的に上記の達成度である。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、1) 複合プロセス（レーザと砥粒加工）による超高速・大面積作製と、2)「ナノの乱雑さ設計」による光特性制御、4)動的な色制御、のまとめである。3)フレキシブル基板についてはほぼノウハウはできたと考えている。H28年度までに得られた種々の方向での進捗に対し（成膜の新ノウハウ獲得、前倒しのフレキシブル基板作製、その機構解明、また新たな乱雑さの設計と加工法開発）、レーザ加工（自体でなくその精密制御）には困難さが残っている。しかし、新たな乱雑さの導入はこの解決に利する。
1)2) は不可分で、1) 複合プロセスに、2)「新たな乱雑さの効果」を加味し、効率的な作製プロセスを確立する。1)のプロセスは、特殊な乱雑ナノパターニングと多層膜蒸着の２段から成る。２段のうち初年度に後段（蒸着）のノウハウ（成膜の下処理、特に黒化）を得たが、前段の制御性が予想以上に困難である。この前段では、面内長軸方向で所定の乱雑分布をもつ凹凸作製が肝で、このナノ形状が発色原理の主要部をなす。時間・コストの大幅改良に向けレーザ加工で高速・大面積ナノパターンを作り、一定の成果を得たが未完のため、引き続きこの制御を行う。特に、上記1)作製と、2) 乱雑さの光効果（深さ方向で昨年度に新知見を得た）両面から詰める。
加えて、3)フレキシブル基板はほぼできたので、あと大面積への応用は1）次第である。その際、モールド・レプリカそれぞれに大面積フレキシブル化の目途が立っている（確立したといえる）ので、これらを活用し、アンカー原理と乱雑さの新知見も活かして1)2)3)をまとめる。最後の4)動的制御は、上述1)の開発をも計画に加味して考察し、これまでのフィジビリティ研究をもとに、作製原理の実験から引き続き行う。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額514,131円は、生じた理由が明確であり、その内訳は、新たな加工施設（京大ナノハブ）の利用開始（執行額減少）によるものである。これは、プロセスに要するナノ加工について、従来のリソグラフィで対処できる技術なことから当初は外注前提であった。しかし、加工の精密化と自主開発の必要性から京大ナノハブを利用することにしたため、金額は当初予定から大幅に抑制できた。一方、海外出張は予定より増加した。H27年に米国の学会（SPIE）に出席予定だったが中止になり、最終的にH28年度末に参加の必要が生じたこと、また新たにイタリアからの講演依頼も重なったことで旅費は増加したが、前述の通り物品費執行額が減少していたため問題はなかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
前年度の知見に基づき、京大ナノハブ使用と海外の学会のバランス、さらに研究計画の内容（最終年度）を考えると、必要額としてはむしろ、当初額に次年度使用額を加えた額が妥当である。この際、京大ナノハブの制度変更（使用料金が値上げされた）も考察に加味している。本予算は、当初予定通り、おもに加工費用および、物品購入で使用する予定であり、計画に変更をきたすことなく、遂行できる内容である。
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Research Products
(23 results)
