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「乱雑さの制御」による新たな透過型光材料の開発

Research Project

Project/Area Number 19K22062
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

齋藤 彰  大阪大学, 工学研究科, 准教授 (90294024)

Project Period (FY) 2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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 / 透過 / 採光窓 / ナノ構造 / バイオミメティクス / 建築 / 制御 / 材料
Outline of Research at the Start

本研究の目的は、応募者が研究してきた「乱雑さの制御」に基づく、新たな「透過型」の光材料開発である。本材料は、外部の光を「高透過で」「広角に」通し「色づかない」理想的な透過特性をもつ。通常、上の3条件は並立不可能で、なぜなら屈折(色分散あり)も散乱(低透過)も不適なためである。しかしモルフォ蝶の特異な光特性(「高反射」の干渉ながら虹色でなく「広角に」「単色」)を応用すると、3条件並立は原理的に可能となる。そこで本研究では、これまでモルフォ型「反射材料」で蓄積した「計測、電磁場解析による設計、ナノ加工・作製技術」を集約し、新規な透過型光材料の特性を実証し、さらに最適化・応用展開を進める。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、「ナノの乱雑さ制御」に基づく、新たな透過型の光材料開発である。本材料は、入射した光を「高透過で」「広角に広げ」「色づかない」理想的な透過特性をもつ。通常、上の3条件の並立は不可能である。それは光を広角で曲げるにあたり、屈折や回折格子では色分散があり、散乱では透過率が下がるためである。しかし代表者が長らく研究してきたモルフォ蝶の特異な光特性を応用すると、3条件並立は原理的には可能となる。そこで本研究では、代表者がモルフォ型の反射光材料で蓄積してきた「計測技術、電磁場解析による設計、ナノ加工・作製技術」を集約し、上記の新規な透過型光材料の特性を実証する。本材料の実現は、「広角に明るい窓」により室内照明の電力を大幅に削減して省エネを実現するだけでなく、各種照明に用いられる光拡散板に理想的な広角拡散特性をもたせる等、幅広い応用に貢献し得る。2020年度の実績として、大別すると、1.「原理の元になるモルフォ光学特性の謎解明」をもとにした新たな価値・応用の発見、2.1.を援用した採光窓のプロトタイプ改良型(楕円タイプ)の設計、3.プロトタイプ改良型の作製、4.プロトタイプ改良型の光学評価、5.採光窓の原理について厳密な証明(論文投稿とAccept)、6.5.の結果を広義に見た「バイオミメティクスの建築への展開」を検討する国際会議の開催(第2弾)準備、といった内容が挙げられる。上記を受けて、論文出版2件、投稿1件に加え(Accept済みだが出版は2021年度なのでリストからは除外)、実績として書籍1、解説4、口頭発表2(いずれも国際会議)、などの成果が得られた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

実績の概要欄に対応させて記す。まず1.「モルフォ光学特性の謎解明」につづく新たな価値の発見では、原理の根幹をなすモルフォ光学特性について「二次元と三次元の構造互換性」が一般化できる事実を見出した。これにより三次元の複雑な乱雑さと同様の効果を、二次元ナノ構造で出せる可能性が出てきたが、それが反射のみならず透過にも適用できると判った。これを用い、2.採光窓のプロトタイプ改良型を設計した。その結果、二次元構造で作製が可能な新構造について、設計改良(特に楕円形状の導入)を行った。その際、前年度に不都合のあったパラメータについて、作製プロセスへフィードバックして設計の改良に活かした。次に、3.プロトタイプ改良型の作製では、計画通り京大ナノハブ施設を利用し、2.の設計に基づき、鋳型形状をSi基板にフォトリソグラフィとRIEで作製した。その後、ナノインプリントでナノ構造を樹脂に転写し、採光窓を形成した。続いて、4.作製したプロトタイプ改良型を構造・特性の両面で詳細に評価した。その結果については再度、作製プロセスへのフィードバックを行うべく、解析と設計を進行中である。一方、5.「概要」欄で述べた理想的な採光窓の原理について、厳密な証明を完成し、結果は論文化している(Accept済み)。最後に、6.5.の結果を広義に見た「バイオミメティクスの建築への展開」を検討する国際会議の開催(第2弾)について準備を進めている。引き続きコロナ禍が未収束のため、学会の準備は時間がかかっているが、リモートでのノウハウがこの1年で蓄積されており、リモート開催を予定している。上記の結果、概要欄で述べた発表等の成果が得られた。

Strategy for Future Research Activity

最終年度にあたり、まず1.作製した採光窓プロトタイプ改良型(二次元化に加えて、新たに楕円形状を導入)の詳細な評価を続ける。評価は、ナノ形状・光学特性の両面から行う。2.その結果を受け、次段の作製にフィードバックする。具体的には、設計値が一部で満たされない特性について(透過のパターンに中央輝点が生じる)、対策を行う。シミュレーションを元にした現段階の考察・検討では、輝点の主因はプロセス中の微細な構造エラーである。この構造エラーを解消するため、プロセス特にステッパーをより短波長の高度な設備にする計画である(それでも解消できない要素は、設計の方で構造エラーを吸収する)。すでに作製→評価→フィードバックは3巡目に入るため、この第二次改良型をもって完成形となる計画である。3.また最終型の設計は、大面積・フィルムという利用形状に適するため、これらの形状へ適用する挑戦を行う。4.この最終形の採光窓(大面積・フィルム)について、さらに詳細な評価を行う。5.さらに本課題を俯瞰する新たな枠組み「バイオミメティクスの建築・都市への展開」について、特に近年の発展が著しい欧州との交流を発展させる。そこで、2019年度に引き続き、本分野での産官学にわたる国際ネットワークを拡充する国際会議を開催する。コロナ禍の世情に鑑みて、リモート開催を積極的に導入する。6.また本課題の採光窓は、拡散照明(ディフューザー)など、窓以外の応用展開が当初予想よりも多岐にわたり、さらに有望であると判ってきた。このため、その方向での調査・展開を行う。

Report

(2 results)
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report

Research Products

(19 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (9 results) (of which Peer Reviewed: 7 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 3 results) Book (2 results) Funded Workshop (1 results)

  • [Journal Article] Elucidating the mystery of Morpho-blue using in-plane randomness: toward simple nanofabrication2020

    • Author(s)
      K. Yamashita, M. Fukihara, Y. Hirai, Y. Kuwahara, A. Saito
    • Journal Title

      Jpn.J.Appl.Phys.

      Volume: 59 (5)

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ab8c19

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Optical analysis on the Morpho butterfly’s in-plane randomness using three-dimensional FDTD simulations2020

    • Author(s)
      K. Yamashita, Y. Kuwahara, A. Saito
    • Journal Title

      Proc. SPIE.

      Volume: 11374

    • DOI

      10.1117/12.2558469

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  • [Journal Article] Biomimexpo20192020

    • Author(s)
      齋藤彰
    • Journal Title

      Biomimetica

      Volume: 3 Pages: 25-26

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  • [Journal Article] 構造色を用いたバイオミメティクス:光材料の現状と展望2020

    • Author(s)
      齋藤彰、山下和真、桑原裕司
    • Journal Title

      金属

      Volume: 90(5) Pages: 384-391

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 総説: バイオミメティクスとは何か?昆虫工学2020

    • Author(s)
      齋藤彰
    • Journal Title

      昆虫と自然

      Volume: 55(7) Pages: 2-4

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  • [Journal Article] New Relationship between Structural Color Materials and Nanoimprint Lithography2020

    • Author(s)
      齋藤彰、山下和真、桑原裕司
    • Journal Title

      Vac. Surf. Sci.

      Volume: 63(11) Issue: 11 Pages: 580-585

    • DOI

      10.1380/vss.63.580

    • NAID

      130007938050

    • ISSN
      2433-5835, 2433-5843
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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Biomimeticsフランスの動向:Biomimexpo20182019

    • Author(s)
      齋藤彰
    • Journal Title

      Biomimetica

      Volume: 2 Pages: 44-46

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    • Author(s)
      齋藤彰
    • Journal Title

      アカデミスト

      Volume: 1 Pages: 12-13

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      2019 Research-status Report
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  • [Journal Article] 生物学と工学で見る電気系技術者のためのよく分かるバイオミメティクス モルフォ蝶2019

    • Author(s)
      齋藤彰
    • Journal Title

      月刊オーム

      Volume: 106 Pages: 30-31

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  • [Presentation] Optical analysis on the Morpho butterfly’s in-plane randomness using three-dimensional FDTD simulations2020

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      A. Saito, K.Yamashita, Y. Kuwahara
    • Organizer
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  • [Presentation] Fabrication of a novel optical diffuser inspired by the Morpho butterfly2020

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      K.Yamashita, K.Kunitsu, Y.Kuwahara, and A. Saito
    • Organizer
      MNC 2020 (33rd MNC)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Simplification of 3D nanodesign inspired by Morpho butterfly’s randomness2020

    • Author(s)
      K.Yamashita, Y. Kuwahara, and A. Saito
    • Organizer
      RIE Cooperative Research Workshop
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      Akira Saito
    • Organizer
      Workshop Living MateriArchitecture
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Investigation of the remaining mystery on in-plane randomness of the Morpho-blue using FDTD simulations; toward easier nano-fabrication design2019

    • Author(s)
      K.Yamashita, M. Fukihara, Y. Hirai, Y. Kuwahara, and A. Saito
    • Organizer
      32nd Inter'l Microprocesses and Nanotechnology Conference, MNC2019
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 陣羽織の羽根は誰のもの?2019

    • Author(s)
      齋藤彰
    • Organizer
      兵庫県立人と自然の博物館: 企画展「JAPAN COLOR」
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    • Invited
  • [Presentation] Biomim'expo 2019と、その周辺2019

    • Author(s)
      齋藤彰
    • Organizer
      バイオミメティクス研究会19-3
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    • Invited
  • [Book] バイオミメティクス・エコミメティクス―持続可能な循環型社会へ導く技術革新のヒント―2021

    • Author(s)
      齋藤彰(分担執筆)
    • Total Pages
      367
    • Publisher
      CMC出版
    • ISBN
      9784781315638
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  • [Book] ナノインプリント技術ハンドブック(Chap13, p12-16)2019

    • Author(s)
      齋藤彰
    • Total Pages
      802
    • Publisher
      オーム社
    • ISBN
      9784274224485
    • Related Report
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  • [Funded Workshop] Workshop on Living MateriArchitecture2020

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Published: 2019-07-04   Modified: 2021-12-27  

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