吸收光99.98%以上的至高无上的暗黑片~触摸的素材是世界第一，秘密是与漆相似的成分和光封入结构~

刊登日期：2023年1月18日更新

吸收光99.98%以上的至高无上的暗黑片~触摸的素材是世界第一，秘密是与漆相似的成分和光封入结构~发表要点

与以往的暗黑片相比，可见光的反射率低一个数量级，激光笔的光看起来也消失了 腰果油黑色树脂表面形成微细的凹凸结构，实现了暗沉和晃眼都少的深黑色 即使在明亮的地方也会下沉的压倒性黑色，为视觉表现提供前所未有的高对比度

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也请从( https://youtu.be/yykw-R7D_Qw )观看从上面照射线状照明的视频。 在“至高无上的黑暗薄片”中，实现了暗沉(散射反射)和晃眼(镜面反射)都很少的深黑色。

概要　

　国立研究开发法人产业技术综合研究所(以下简称“产总研”)物理测量标准研究部门应用光测量研究组雨宫邦招研究组组长、清水雄平主任研究员、光辐射标准研究组蓼洋司研究组组长、 国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构(以下简称“量研”)量子束科学部门越川博主干技术员、研究企划部长八卷彻也通过在漆类似成分腰果油※1黑色树脂的表面形成微细凹凸封闭光，开发了吸收可见光99.98%以上的“至高无上的黑暗薄片※2”。 该技术将通过离子束※3照射和化学蚀刻形成微细圆锥状凹凸(光封闭结构)的原盘并转印的方法扩展到了广泛的材料上，此次成功开发了光吸收率大幅提高的新暗黑片。 其中，腰果油黑色树脂具有来自素材内部的散射反射※4 (暗沉)特别少的特征，通过光封闭结构抑制素材表面的镜面反射※5 (耀眼)，实现了激光指示器消失可见的深黑色。 与以往的暗黑片相比，可见光的半球反射率※6低一位数以上，为0.02%以下，作为具有触摸耐久性的素材，实现了世界第一的黑色。 这个至高的黑暗薄片，即使在明亮的地方也能实现下沉的压倒性的黑色，可以防止背景的反射，为视觉表现提供前所未有的高对比度。 此外，该技术的详细内容于2023年1月13日(美国东部标准时间)刊登在Science Advances上。

开发的社会背景

　低反射的黑色材料广泛应用于光的应用领域，如装饰、影像、太阳能利用、光传感器等。 特别是在照相机和分光分析仪内部的防漫反射、消除杂散光等用途中，理想情况下需要完全无反射的黑体材料。 而且人眼实际上对黑色很敏感，半球反射率(以下称为“反射率”)为0.2%以上的黑色和0.1%以下的黑色相比，用肉眼就可以充分识别。 如果有反射率大大低于0.1%的黑体材料，在想要极力控制光的各种场合，例如在防止不愉快的反射(眩光)、影像的高清晰化等方面，利用价值很高。 在最近的十几年里，出现了接近黑体的材料。 但是，到目前为止，实现大幅低于0.1%的极低反射率的仅限于脆弱的材料，存在着难以在一般环境下使用的课题。

研究的经过

　产总研在光吸收率高的材料的研究开发中，以开发具有在一般环境下也能使用的耐久性，同时能吸收所有光的素材为目标。 其结果，在2019年与量研一起，通过回旋加速器※7的离子束照射和化学蚀刻形成微细的圆锥状的凹凸，实现光限制结构，开发出了在紫外线~可见光~红外线的全部区域吸收99.5%以上光的“终极暗黑片”( 2019年4月24日产综合研究所新闻发表)。 此次，通过扩大应用该技术，以开发吸收可见光99.9%以上的“至高无上的黑暗薄片”为目标。 另外，本研究的一部分得到了日本学术振兴会的科学研究费资助事业( JP21H03753 )和东京大学研究生院工学系研究科原子能专业(专门职研究生院)推进的量子科学技术研究开发机构·设施利用共同研究制度的支持。

研究内容

　“暗黑片”的光吸收基于所谓的空腔黑体※8的原理。 如图1左图所示，将圆锥孔型的空腔黑体调整为微观尺寸，作为光限制结构，铺在面上的就是暗黑片。 入射到光限制结构的光在壁面反复吸收反射多次，净反射率接近零。 虽然原理很简单，但净反射率要大大低于0.1%，光限制结构的梯度必须陡峭，边缘要尖锐，墙面要纳米级光滑。 这种结构用传统的微细加工技术很难制作，但我们一直使用来自回旋加速器的高能离子束来解决。 CR-39树脂※9用离子束照射基板产生的损伤痕迹，可以通过化学蚀刻扩大形成尺寸和形状极为精巧的圆锥孔，铺在基板表面(图1右~ )。

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图1黑暗片光封闭结构的反射降低和光吸收原理(左)，至高无上的黑暗片的制作方法(右) ※图1右，改变了Science Advances杂志上刊登的图。 创意公共许可证(显示4.0国际)

　将这样制作的微细凹凸作为母盘(模具)，将光封闭结构转印到黑色树脂表面。 这个方法可以从母盘上反复转印，所以也可以期待量产性。 以往的"终极黑暗片"是在混炼了炭黑※10颜料的硅橡胶上转印光限制结构而成的，在紫外线~可见光~红外线的整个区域实现吸收率99.5%以上(反射率0.5%以下)，特别是热红外线(波长8 μm ~红外线) 黑暗薄片即使触摸也不会影响性能，可以在一般环境下使用，因此在2019年的新闻发布会后获得了很大的反响。 但是，在黑体材料需求特别多的可见光区域中，黑暗片的反射率停留在0.3%到0.5%左右。 这次，我们查明了迄今为止制约暗黑片反射率降低的原因是碳黑颜料引起的散射。 碳黑粒子产生与可见光波长相同大小或更大的凝聚体，容易产生光的散射，因此散射光会从光限制结构中逃逸(图2 )。 因此，进行了不使用碳黑颜料的低散射的黑色基材的探索，着眼于也可以代替油漆的腰果油树脂。 构成腰果油树脂的多酚类，与漆的成分类似，通过与铁生成络合物，聚合物本身即使不加颜料也能变黑。 因此，腰果油黑色树脂膜的散射反射量极少。 说到“漆黑”，通常是指镜面抛光的有光泽的黑色，同时也可以说是暗沉少的“有深度的黑色”的意思。

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图2黑暗片(光封闭结构)中有无颜料粒子与散射光产生的关系 ※改变了在※Science Advances杂志上刊登的图。 创意公共许可证(显示4.0国际)

　此次，通过借助有机硅树脂制的模具(图1右~ )，还开发了扩大光封入结构的转印对象的技术(图1右~ )，因此应用于腰果油黑色树脂的结果，镜面反射(晃眼)和散射反射(暗沉)都得到抑制， 与以往的暗黑片相比，可见光的反射率低一位数以上，实现了0.02%以下(光吸收率99.98%以上，图3 )。 这个“至高的黑暗薄片”的深黑色几乎可以让激光笔的光消失(视频1 )，用触摸的材料达到了世界第一的黑色(视频2 )。

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图3最高的黑暗片的半球反射率的波长特性(可见光区域)

在不透明样品中，光吸收率( % ) =100%-半球反射率( % )。 ※改变了在※Science Advances杂志上刊登的图。 创意公共许可证(显示4.0国际)

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动画1将激光笔的光照射到最高的黑暗薄片(这次为左)和以往的黑暗薄片( 2019年，右)的情况 URL:https://youtu.be/eq1by 87 mivi ※改变了在※Science Advances杂志上刊登的视频。 创意公共许可证(显示4.0国际)

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视频2至高无上的黑暗面忍受触感的样子 URL:https://youtu.be/rgwnulvripm ※改变了在※Science Advances杂志上刊登的视频。 创意公共许可证(显示4.0国际)

　迄今为止，被认为是世界第一黑色材料的碳纳米管取向体，已知其能吸收99.9%以上的所有光(仅反射0.1%以下)，但由于脆弱，触摸时性能会受损。 最近，受到世界第一黑鸟和蝴蝶等的研究发表的启发，以模仿蛾子眼睛表面极微小凹凸的蛾眼结构为代表的纳米光学技术也广为人知，但是没有得到0.1%以下的反射率。 现在市售的黑色涂料、多孔性起毛性的黑色布等也是同样的。 此次开发的“至高无上的暗黑片”，即使触摸也不会破坏性能，使用方便，可以轻松去除灰尘等。 如此黑色，有用的黑体材料是其他没有的例子。 “至高无上的黑暗薄片”即使在明亮的地方也能实现下沉的压倒性的黑色，能够防止背景的映入，从而为视觉表现提供前所未有的高对比度。 另外，虽然不及腰果油黑色树脂，但还发现了其他几个不使用炭黑颜料的复合组成、低散射的黑色基材。 根据所需的反射率和用途有基材的选择，可以制作光限制结构，这也是这次新的黑暗薄片技术的特长。

今后的计划

　今后将进行具体用途开发和实用化的讨论。 例如，根据许可证合同，向原材料制造商等进行技术转让。 将来不仅仅是想尽量抑制光漫反射的专业用途，还包括身边的场面在内，为光控制利用技术的性能大幅提高做出贡献。

论文信息

刊登杂志: Science Advances 论文标题: supreme-black levels enabled by touch proof micro cavity surface texture on anti-back scatter matrix 作者: Kuniaki Amemiya，Yuhei Shimizu，Hiroshi Koshikawa，Hiroshi Shitomi，Tetsuya Yamaki DOI:10.1126/sciadv.ade4853 ※产总研负责试样制作、数据测定、实验数据分析、论文执笔，量研负责试样制作、论文执笔。

用语解说

※1腰果油 从腰果壳中提取的多酚类物质。 主要成分的瓜达醇，与漆的成分(漆皮)类似。 使用腰果油的涂料也被用作油漆的替代品。 与漆不同，固化不需要高湿度，而是在空气中自然干燥。 另外，不会发生漆斑疹。 ※2暗黑片 产总研开发的吸收所有光且耐久性兼备的黑色薄片的名称。 表面具有多个微观圆锥状空洞(光限制结构)。 ※3离子束 由通过用电磁力加速带电粒子的装置(加速器)提高了能量的离子构成的光束。 用于材料的加工、改性、分析等。 ※4散射反射 指在粗糙的表面和素材中的颜料粒子上，光向各个方向散射而产生的反射。 带来消光的暗淡质感。 各向同性散射时，无论从哪个方向看，都会感知到相同量的散射光。 ※5镜面反射 在平坦的表面上，以与入射角相等的角度向相反方向产生的强反射。 虽然会带来光泽和光泽，但照射的光很强的情况下会成为耀眼的原因。 ※6半球反射率 镜面反射率和散射反射率的总和。 为了检测从接近垂直的方向对平面状的试料入射光产生的所有方向的反射，使用能够复盖试料上方整个半球的积分球这个装置进行测量。 在不透明样品的情况下，半球反射率和光吸收率的总和正好为100%。

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※改变了在※Science Advances杂志上刊登的图。 创意公共许可证(显示4.0国际)

※7回旋加速器 加速器是用电磁力加速离子和电子等带电粒子的装置。 回旋加速器是能够将离子加速到小型加速器无法获得的高能量的大型装置。 高能离子束可以射入照射试料的深处( 100 μm以上)。 ※8空洞黑体 黑体是完全吸收所有光的理想物体，现实中是不存在的，所以在大空心腔体中设置一个小孔，模拟实现黑体就叫做腔体黑体。 从小孔进入空腔的光在内部反复反射的过程中被吸收并衰减，再次从小孔出来的概率变得非常小。 ※9 CR-39树脂 由碳酸烯丙二醇酯构成的三维网状结构的热固性聚合物。 由于透明度高，光学特性好，在工业上也被用作眼镜镜片。 高品质的CR-39树脂均匀各向同性、均质性、非晶质性优异，放射线敏感性高(容易受到放射线损伤)。 因此，离子束和带电粒子束照射产生的损伤痕迹通过化学蚀刻成为清晰的圆锥状孔，容易计数，也可用于α射线和中子射线等放射线的监测。 ※10炭黑 碳微粒。 烃(油或气体)不完全燃烧或热分解后得到。 所谓的煤烟也是炭黑的一种。 作为黑色颜料被广泛用于着色，此外，与橡胶混合时强度会增加，因此也用于轮胎橡胶。

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