第4章 機能表面の設計 ・濡れ性の制御 ・摩擦の制御 ・光学機能 ・生体

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N. Moronuki
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N. Moronuki
現象のモデル化と設計
第4章 機能表面の設計
・濡れ性の制御
・摩擦の制御
・光学機能
・生体適合性（未）
原因
設計
Black box
結果
性能
入力
プロセス
出力
１入力1出力モデル
入力1
入力2
出力1
プロセス
出力2
・・・
・・・
入力ｎ
出力ｎ
多入力多出力モデル
設計とは？
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システムの表現法
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ノイズ
入力
設計仕様
Black box
• 設計仕様を変更したときに結果の予測・推定が必要
• 会社での設計は，既存の製品をもとに進めることが多く，
必ずしも上記のようなことはしていない
• ブラックボックスの内容を明らかにする必要がある場合
が多い．単純な1入力1出力モデルである場合はほとん
どなく，ノイズなどの影響因子が無視しえない場合も多
い．できれば多入力多出力モデルを考えるべき
モデル化における注意事項
プロセス
出力
性能
（摩擦，濡れ，光）
陽な表現：数式（運動方程式，位置と速度等の数学的関係）
定性的な表現→定性推論（定量評価は困難）
陰な表現：多変量解析（定量化は可能であるが内容不明）
ニューラルネット（因果関係の組合せのみ）
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• 近似式
エクセル等を用いれば，線形・多項式関数，あるいは
指数関数などでの近似は容易．ただし，道具を目的
かしないように注意のこと
• 線形か非線形か
原理を考えずに関数を決められない．誤差の少ない
近似ができるからと言って３次関数で近似を行ったと
しても，原理的な根拠を欠くべきではない．適用範囲
は通常，限定されるべきもの
• 内挿か外挿か
内挿はともかく，外挿を行う場合は誤差も増すので注
意が必要
機能表面の設計
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対象
機能
フィルタ
流体 濡れ性
抵抗低減
応 用
気液分離（ゴアテックス）
はっ水，氷雪の付着防止
競泳水着，パイプライン，船の推進
固着防止：磁気ヘッド，マイクロメカ
摩擦の制御
すべり防止：福祉機器，浴室，プール
接触
感触,見栄え ハンドル，外装材
摩擦
表面積
触媒，吸湿，ガスセンサ
生体適合性 インプラント，人工臓器
透過
フィルタ，無反射面，放射面
電磁
反射
道路表示，太陽電池，マウスパッド
波
回折，干渉 分光素子，ホログラム
具体例
・ 濡れ性の制御
・ 摩擦の制御
・ 光学機能
1
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機能の設計とプロセスの選択
表面エネルギ
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形状精度粗さ
h
p
代表寸法と特性
m
形状
加工方法
機械加工
(切削，
研削）
mm
うねり
粗さ
エネルギ
ビーム
(レーザ，
イオン他）
m テクスチャ
・濡れ性の制御
応用
機械部品
（構造）
表面機能
（濡れ，
摩擦，
光学他）
マイクロ
nm ラフネス
因果関係はどこまで明確になっているか？
カタツムリの殻は水も油もはじく
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濡れや流動の制御に関連する分野
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巨大システム
船舶,建築物,配管
日常
工場
潤滑,
食器,
印刷,
洗剤,
濡れ,流動,
塗装,
コンタクト
乾燥
接着,
レンズ,
熱交換,
フロント
成型,
グラス,
スポーツ
離型
雨具
スキーウェア,競泳水着
接触角と転落角の大きさは必ずしも相関しない
接触角
転落角
小さい
小さい
表面の微細構造と材料の問題
大きい
大きい
良く見られる誤解：接触
角大なら転落角小？
F
（赤池，金谷：カタツムリが教えてくれる！，ダイヤモンド社，2004）
ハスの葉の表面構造（再掲）
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R
LV
液滴
F
A
LV
R
液滴
A
LV
既にある応用例
LV
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葉にみられる実
際の構造は複
数の周期をもつ
↓
従来の理論で
の説明が困難
ハニー・スプーン：はちみつを垂らさず
にきれいにすくえる（実在するか？）
（中島：固体表面の濡れ制御，内田老鶴圃，2007）
ディンプル付きの
しゃもじ（身近な
非粘着表面）
（ピーターフォーブス著，吉田 三知世訳，
ヤモリの指，早川書房 ，2007）
2
微小化学分析
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微小化学分析装置での操作
Y字間によるミキサ
開発は進むものの，狭い流路での流動
は粘度の影響を強く受け難しい
（マイクロマシンセンターWeb http://www.mmc.or.jp/info/cafe/ ）
微小流路への超はっ水機能の付与
（マイクロ化学技研Web：http://www.i-mt.co.jp/）
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テクスチャ表面上での液滴の形状
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・マイクロ流体素子の抵抗を低減目的
・DRIE（Deep Reactive Ion Etching）による加工
・加工後のテフロン・コーティングにより，接触角が175度以上
で，抵抗を90%以上低下
（Joonwon Kim and Chang-Jin “CJ” Kim: Nanostructured Surfaces For Dramatic
Reduction Of Flow Resistance In Droplet-Based Microfluidics, MEMS Conference,
IEEE,(2002),479.）
接触角・転落角測定装置(自作)
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P: 8  m D: 4  m
H: 8
m
P: 4  m D: 2  m
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H : 8 m
テクスチャによる濡れ性の制御
（Joonwon Kim and Chang-Jin “CJ” Kim: Nanostructured Surfaces For Dramatic
Reduction Of Flow Resistance In Droplet-Based Microfluidics, MEMS Conference,
IEEE,(2002),479.）
顕微鏡
電動シリンジ
電動ステージ
PC上 の画面
転落角設定
モ ータ
H:8  m
P: 32 m
D: 16  m
4m
P: 128  m
D: 64 m
10  m
CCD
H: 8  m
2 m
25  m
電動シリンジによって規定量の液滴をつくり，そ
の接触角および転落角を測定可能（全自動）
ドライエッチングで作製したテクスチャ
3
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Si表面の濡れ性制御の例
Hysteresis of contact Contact angle degree
angle degree
接触角ヒステリシスの測定例
150
Advancing angle
Hysteresis
Receding angle
100
50
H [ m]
0.1
4
1
8
D P =2D
0
150
H
100
接触角の測定再現性±2度
50
0
H [  m]
0.1 4
1
8
Case of flat surface
20
40
60
Pillar diameter D  m
0
円柱寸法と接触角の関係（親水性のシリコン表面を疎水性
にすることもできる）
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PTFE処理基板の接触角
Si
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設計の考え方
表面エネルギ E
しきい値 T
濡れ性
余裕 l1
小さい
親水
D
l1
大きい
H1
し
き
い
値
T
H2
ヒステリシス h2
高さ H
ヒステリシス h1
疎水
低
い
H
高
い
D
小さい
大きい
生産の容易さ
D1
ラインアンドスペース
パターン
B
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A'
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表面構造による特異な液滴形状
各断面での接触角
A-A'
A
直径 D
真の一般化は困難なものの，議論はすすめるべき
空気トラップの有無による傾向の違い
表面構造による特異な液滴形状
D2
(A)
(C)
(B)
テクスチャ
パ ターン
5m
142o
(a)
5m
5m
(c)
(b) a2
疎水
h=0.8m d=4m
断面形状
69o
B-B'
液滴形状
0.5mm
0.5mm
0.5mm
親水
B'
0.5mm
4
濡れの方向性付与と液滴形状の制御
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Triangular grooves Rectangular grooves
x 10 z
Light source
CCD
camera
4
droplet
y
stage
5m
Experiment
Simulation
1
8
y
500m
接触角と転落角（アニメーション）
1
z
10
y
Photopolymer droplet after solidification, 1micro litre
0.14mm
z
y
z
4
500m
8
slit
60 o
5m
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液滴の形状評価とシミュレーション
y
Surface Evolverによるシミュレーションとの比較
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移動機械の抵抗低減
親水表面の転落角
は大きいか？
鮫皮のモデル（左）と飛行抵抗低減のための応用（右）
疎水表面の転落角
は小さいか？
リブレットの例
（Landesmuseum fuer Technik und Arbeit in Mannheim, Bionik, Siemens Forum, 1998）
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液体の排除性評価装置
Rotation
Liquid
CCD
T=0 s
CCD
Reservoir
Patterned
surface
Rotation
stage
100
CCD
=30 deg.
Reservoir
[m]
P
50
0
（1st International Symposium on Functional Surfacesでの発表スライドより）
T= n s
H
基板に水や油を流
した後，流動・残留
の様子カメラで観察
↓
構造が液滴の排除
性に及ぼす影響を
評価することができ
る
W
0
200
400
600
100 m
5
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試作した表面構造
200
200 m
Projection area of liquid mm2
=50°
200m
200m
Pitch P Width W Height H
W2 H
W1
No.
1
2
3
unit:m
W1
100
300
500
W2
H
100
100
Sliding angle [deg.]
Sliding angle [deg.]
60
40
Water ()
Liquid
100
0
20
10
Oil
Liquid
0
Flat
Parallel
V-shape Orthogonal
Flow
• 材料はPDMS（シリコーンゴム）：疎水性
• V溝形状の意図は，毛細管力を利用した液体の集約
構造を設けることで液体の除去を速めることができる
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水と油の流動性
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速乾性表面
Pure water
Orthogonal
Parallel
Flat
P
D
濡れ 広がり
液滴
H
ピニングにより，液滴
が引き延ばされて表
面積拡大→乾燥速度
の増大
20
0
60
200
Oil
400
600
Pitch P [m]
0
転落方向
時間[分]
Orthogonal
Parallel
Flat
100m
2000
Not slide down
40
20
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表面構造による液体除去促進
0
50
80
110
130
150
平滑面
ピッチP
1000m
200
400
600
Pitch P [m]
2000
平行溝を設けることで水も油も平滑面より落ちやすくなる
表面材料による調整
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ピッチP
320m
チタニア（酸化チタン）による超親水化
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• PTFE（4フッ化エチレン）をコーティングすることで，
粘着テープもつかない表面に
• 基材を予め粗くしておくことで密着性を向上（アンカ
ー効果）
（東京シリコーンカタログより）
（中島：固体表面の濡れ制御，内田老鶴圃，2007）
6
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OTS−SAMの形成
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OTS自己組織化単分子膜：薄いな
がらも強固に付着し，撥水性を発現
する
・濡れ性の制御
・摩擦の制御
・光学機能
・生体適合性（未）
OTS: Octadecyltrichlorosilane
通常雰囲気
SPM溶液
(H2SO4:H2O2=3:1)
シリコン基板
PTFE SiO
2
乾燥窒素
無水トルエン
OTS
C
(c) 過剰なOTS除去
(d) 電子線リソグラフィ
(a) 表面酸化
A
20n m
B
15
10
5
0
0
15 m
(e) 露光部OTSの除去
(b) OTS-SAM膜の形成
1
2
3
4
Location  m
Cro ss-section (A-B)
(a) PTFE/SiO 2 pattern
5
He ight nm
Height nm
SPM溶液
(H2 SO4 :H2 O2 =3:1)
D
15nm
22.5  m
乾燥窒素
トルエンに溶解したOTS
(1%vol.)
OTS
SiO 2
4
2
0
0
1
2
3
4
Location  m
Cross-section (C-D)
5
(b) O TS/SiO 2 pattern
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摩擦制御の応用例
Pressure
Move
流体潤滑
すべり
弾性変形の考慮
すべり（ 弾性流体軸受理論）
Friction
material
Friction material
Sample
混合
潤滑
影響
st (transition)
s=V/p
（:粘度，V: 滑り速度，p: 圧力）
動圧
微細構造
(a) JIS
(b) ASTM
現在の標準では，すべり始めの静摩擦係数を評価値としている
摩擦の減少
• 乾湿摩擦の考え方
• 混合潤滑から流体潤滑への遷移を床の微細構造で回避
Kinetic friction
coefficient
摩擦係数
静摩擦
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すべりやすさの試験方法
Boundary
lubrication
金属・金属接触では
動摩擦係数は静摩
擦係数より小さい
（Stribeck曲線）
Hydrodynamic
lubrication
Characteristic value
動摩擦評価装置（自作）
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2
Elastic body
Slider
X
Data
Filter
PC
Control
Floor
sample
Linear stage

Z-stage
Water
Z (in sync
with X)
Force
sensors
Conditions
1, 44, 53, 246
Sliding speed
0.01-1.8
V [m/s]
Pressure p [Pa]
25
12, 4, 8, 4
150, 50, 100, 50
300, 100, 200, 50
300, 100, 200, 100
1500, 500, 1000, 500
摩擦係数 
Motors
P =12m
1
st-Flat, 1500
st-12
st-150
st-300
P=1500m
P =300m
P=150m
Flat
0 1e-10
・ 直線運動の組合せと同期制御による踏込み動作の模擬
・ 多軸力センサによって押付け力と摩擦力を測定
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微細構造が摩擦特性に及ぼす影響
1e-8
1e-6
パラメータ s= V/p
1e-4
・ 構造寸法によって摩擦特性を変えることができる
摩擦係数の増大 ←硬度，接触面積
流体潤滑への遷移条件 ←流体の排出効果
7
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指紋の必要性
Fingerprint
Micro-structure on elastic body
Motion
Elastic
deformation
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試験片の寸法仕様
No.
Profile
W
H
P H/W No. W
P
W
4.0
1
2.0 2.0
2
3
Hydrodynamic pressure
Frictional properties
・ 指紋は何のためにある？
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0.8
No.1 平滑面
No.7 W1P2
H0.5
0.4
Friction coefficient 
Friction coefficient 
3.0
No.6
No.7
0.001
0.01
s=V/ p
1
1
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Dry
Wet
Flat (dry)
1.0
Width: const
Flat (wet)
0.01
0.5
1
2
Dimension W, H mm
0.5
1
2
Aspect ratio
・ W, Hを変えても大きな変化はない
・ アスペクト比を大きくすると乾湿摩擦の差が大きくなる
構造を設けることで摩擦係数を大きく，また，流体
潤滑になりにくくなった（図上で右上にシフト）
受容器の間隔と構造の間隔について
0.5 0.5
2.0
0
0
0.5
7 0.01 0.01 0.02
構造寸法と摩擦特性の関係
1.6
1.2
1
・ 外寸は10mm角
・ 材質：シリコーン樹脂（PDMS），スプリング硬さ30
・ 相手材：長さ約200mmのFRP平板で，粗さは8mRy
・ 湿潤状態：実験に先立ち，水（一部増粘剤含む）を散布
・ 微細構造を設けた弾性体と剛体平面間の乾湿摩擦は？
（これまでとは逆の組合せ）
No.2
No.3
5 1.0
6
H
微細構造が摩擦特性に及ぼす影響
P H/W
2.0
Motion
2
Liquid
H
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CVTトラクション係数の向上
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6
friction coefficient 
Frequency of answer
Meissner corpuscle
friction coefficient 
hold/hitch painful
3
2
4
P
W
0
P300
W150
1
100
P500
W250
Merkel’s
disk
P800
W400
P1000
W500
0
凹凸構造を設けた表面の官能検査
Pacinian corpuscle
Ruffini
ending
受容器の種類と位置
適切な間隔の構造をつくると，心地よく，かつ滑らない？
Micro-structure can improve
the traction coefficient of CVT
M. Ota, et al., Novel Micro‐surface Machining Techniques For improving the Traction Coefficient, Transmission and Driveline, 2008(SP‐2147)
8
結晶の規則性を利用した形状創成
(100) crystal plane
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微小凹凸が摩擦に及ぼす影響
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70.5 deg
[110] direction
Crystal
lattice of
silicon
{111} crystal planes
Silicon substrate
試験片の表面形状
非対称構造による摩擦の方向性
異方性エッチングにより，{111}結晶面から成る規則形状を容易に
得ることができる
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微小摩擦力測定装置
マイクロスライダのSEM観察結果
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左：テクスチャ・シリコン-シリコン，右：テクスチャ・シリコン-PP
ヤング率の違う組合せでは，摩擦の方向性が現れる
9
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メニスカスによる付着力
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表面付着力の測定結果
10
Slider's mass: 0.41mg
Nominal contact area:1.1m 2
8
Calc. with Fa =0
Calc. with Fa =14 N
6
4
f  r 2 cos  cos   / h
0
ただしrは液滴のメニスカス半径，は液滴の表面張
力，とは液滴の上下面への濡れの接触角を表す．
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振動を利用したスライダの駆動
Feed
Vibration
Voice
coil
motor
Amp Amp
0
0.5
1
1.5
Frequency kHz
Textured Si(Guideway)
100m
slider
PC
- Amplitude
- Phase shift
- Number of
pulses
Amp.
Phase shift
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摩擦を利用した運動拘束
Outline of slider
(Superimposed of five)
30m
M
oti
30deg.
Drive direction
Motion
direct
on
dir
e
cti
o
Shear of
adhesion
Parallel to the texture
2ch function
generator
Number of pulses
• 微小な世界での
特異性
• テクスチャ上のス
ライダはどちらの
方向にすべりや
すい？
Si Slider
Resolution:0.02m
Band width:20kHz
2
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摩擦方向性の利用
Laser
micrometer
Micro
slider
Guideway
Voice
coil
motor
Experimental result
2
Pull-off
force
Textured guide
Perpendicular to the texture
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表面微細構造
• シリコンの異方性エッチングで製作（ピッチ12ミクロン）
ion
Drive direction
n
Textured Si
1.5mm
Motion constrained by texture
(Condition A)
Conditions
Drive force(mN)
1.5mm
Ridge width
2.8m
Pitch 12m
12m
Motion not constrained by texture
(Condition B)
A B
1.2 19
Only the difference is the driving force
Texture
Slider
Ｌ：1.5mm Ｐ：12m
Ｗ：1.5mm RW:2m
Ｍ：9.8mg
Depth 7m
5m
The motion will be constrained by applying the proper condition
10
振動駆動の利用（方位制御）
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ハードディスクヘッド
スティクションの回避
摩耗の低減
• 水平方向の振動のみで，方位を揃えることができる
Y
X
Vibration
x=2 sin(1000*2t)
y=0
電子部品は0603，0.3mg
（長さ600m，幅300m，
高さ300m）
典型的な固体潤滑剤
無機物
層状材料
非層状材料
軟質金属
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グラファイト，MoS2，WS2，CFｘ
PbO, CaF2, BaF2 , B2O3 , DLC
Pb, Sn, In, Au, Ag
有機物
低分子
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・濡れ性の制御
・摩擦の制御
・光学機能
・生体適合性（未）
油脂，グリース，ソープ，ワックス，
ステアリン酸，パーフルオロポリ
エーテル（PFPE）
四フッ化エチレン（PTFE），ポリイミ
ド，メタアクリレート
高分子
内
容
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フレネルレンズと応用例
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1. 反射の制御と誘導
1-1）透過光学系
• フレネルレンズ，特殊光学系，導光板
（液晶パネル）
1-2）反射光学系（鏡面）
• キャッツアイ（道路標示他），回折格子
2. 無反射面
2-1）屈折率の異なる材料薄膜の積層
2-2）波長以下の微細構造
シリコンウェハ上の光学系
（UCLAの研究例）
灯台の明かり
（ウィキペディアより引用）
11
別設計のTIRレンズと車部品
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液晶パネルの内部構造
（ドイツ・ブレーメン大学E. Brinksmeier教授の許諾による）
（http://www.sugilab.net/jk/joho-kiki/index.html）
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液晶の断面構造
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液晶の動作原理
（http://www.sugilab.net/jk/joho-kiki/index.html）
導光板と光学機能フィルム
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（http://www.sugilab.net/jk/joho-kiki/index.html）
住宅機器への適用の試み
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• 導光板
– 点光源から面光源へ
表面構造
（ウィキペディアより引用）
• 液晶関係の例
（住友３M，日東電工）
横軸は仰角，縦軸は透過率
– 光を無駄なく使う
夏の日差しは遮りつつ，冬の日差しは透過する窓ガラス
（３Mウェブサイトより引用）
（Leistungen und Ergebnisse Jahresbericht, Fraunhofer Institut Solare Energiesysteme, 2001）
12
反射光学系の応用
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ディジタル・ミラー・デバイス（DMD）
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各鏡は16m角であり，17mピッ
チ 800*600 （ SVGA ） 画 素 か ら
1280*1024（SXGA）までの集積
度が実現できている．各鏡は
±10度の範囲でたわませること
ができ，SRAMと同様の回路で
駆動される．駆動速度は目の応
答の1000倍も速いため，10ビット
に相当する1000段階のグレース
ケールまで表示可能．1000Gの
加 速 度 で も 壊 れ ず ． MTBF は
100000時間．
キャッツアイ
（道路標示
マウス他）
（日本TI社のWebより引用）
DMDの構造細部
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(N. Maluf, An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, Artech House Publishers, 2000)
DMDの製作手順
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典型的なシリコンプロセス
(N. Maluf, An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, Artech House Publishers, 2000)
光の回折
回折角は波長に依存して変化
(N. Maluf, An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, Artech House Publishers, 2000)
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（ウィキペディアより引用）
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微細構造により回折が起こる
（回折格子は分光が目的）
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光ディスクドライブの構造
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（http://www.sugilab.net/jk/joho-kiki/index.htmlを一部改編）
CDとDVDの違い
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光ディスクの構造
（http://www.sugilab.net/jk/joho-kiki/index.html）
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回折光学素子
光学系を工夫すること
で２つの異なる光学系
を単一構造で実現した
（http://www.sugilab.net/jk/joho-kiki/index.html）
回折光学素子
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（高木， 石黒， 長浜：高温動作対応２波長ホ
ログラムレーザ，シャープ技報第91号，2005）
ブラックシリコンの表面と反射率
表面構造
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反射率の波長依存性
（Saleem H. Zaidi et al., IEEE Trans. Ele. Dev.48,6, 2001）
（高木， 石黒， 長浜：高温動作対応２波長ホログラムレーザ，シャープ技報第91号，2005）
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無反射構造のための屈折率制御
Air
Reflected
light
Incident
light
Glass
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No reflection
occur
微粒子の自己整列
Si基板
Transmitted
light
Refractive
index n
Discontinued change
Continuous
change
1.4
1
1
Boundary
Distance
(a) Incident light on
smooth surface glass
反応性イオン
エッチング(RIE)
物理作用（方向的）
Sub-wavelength
1.4
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自己組織微粒子をマスクとした加工
三次元的な
最終形状
Boundary
化学作用（等方的）
Distance
拡大図
(b) Incident light on
structured surface
RIE加工ではアンダーカットが進み，ナノピラーができる
（微粒子の自己整列は後述）
ナノメートルレベルの微細構造が必要
移流集積法（ディップコーティング）
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繰返しディップコート法
1m
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1m
(a) First time coverage 70%
(b) Two times coverage 80%
Domain
1m
Line
defect
500nm
(c) Three times coverage 85%
直径300nmのシリカ微粒子の単層整列が目標
エッチング後の表面と被覆率の影響
繰返しディップコートを行うことで被覆率は増加するものの，
ドメイン形成は不可避
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自作の反射率測定装置
1m
Amplifier
(a) Particles working as mask
(b) Coverage 70%
PC
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Fiber optic
Reflection Incident
angle (30°)angle(30°)
Monochromator
Light source
Detector
Lens
Substrate
スポット直径は1mm程度
(c) Coverage 80%
(d) Coverage 85%
被覆率が低いと，当然平坦部ができる
15
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微粒子被覆率と反射率の関係
エッチング時間と表面形状の関係
500nm
Relative reflectance [%]
12
70%
6
4
80%
2
0
400
80%
85%
500
600
Wavelength [nm]
(c) 420s
700
(d) Over etching
鏡面仕上げしたシリコン基板の数％まで反射率が低下
（パラメータは微粒子の被覆率）
エッチング時間と反射率の関係
Relative reflectance [%]
(b) 300s
(a) 120s
10
8
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この場合は300秒が適切な条件
見かけは真っ黒
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60
50
120s
5
420s
4
3
30
420s
300s
2
20
300s
1.7
10
1
0
0
400
500
600 700 400 500 600 700
Wavelength [nm]
Wavelength [nm]
40
十分なエッチングにより深さのある構造が得られれば
反射率は３％以下まで低下
Mirror surface
Si
Textured
Si
デジカメの奴
10mm
(a) Entire image of substrate
250nm
鏡面だった表面が黒色に見えるようになる
16