トンボの複眼から金型を作製

国立研究開発法人 産業技術総合研究所（以下「産総研」という）センシングシステム研究センター 竹村謙信 主任研究員と本村大成 研究チーム付は、熱に弱い生体素材からも単純な工程でナノ構造体を金型成型する技術を開発しました。

生物などに見られるナノ構造体には超撥水性や接着性など、工業製品に利用すると有益な機能を発揮するものがあります。金型成型で多様な素材に有益な機能を付与することができれば高機能材料の工業生産が実現します。しかし、ナノ構造を成型する金型の作製には高度な設備と時間を要するため、産業利用は難しいのが現状です。特に生体のように熱に弱い素材から金型を作製するためには複雑な工程が必要でした。本研究では、素材に熱ダメージを与えることのない低温で、高融点金属を十分な厚さに成膜する技術を開発しました。これにより、生体から金属まで多様な素材から金型を作製することができます。本技術の有効性を確認するために、個眼と呼ばれる微小なレンズを約2万個以上有し、360°の広角視野を持つトンボの複眼を高難易度なモデル素材として、そのナノ構造を樹脂に複製しました。トンボの複眼には個眼表面のナノ構造による曇りにくい機能があり、それを金型から再現できることを実証しました。作製したナノ構造金型は、高融点材料であるガラスの流し込み成型が可能であることもわかりました。本技術は加工による再現が難しかった製品の量産化や微小構造を持つ製品の工業生産に寄与します。

なお、この技術の詳細は、2024年11月4日に「Advanced Materials Interfaces」に掲載され、表紙（Cover Picture）にも掲載されます。

生物が持つナノ構造には、例えば超撥水性や接着性といった機能があります。これらの機能を工業製品に自在に付与することができれば、製品に新たな機能を追加するうえで有益です。ナノ構造体を作製するため、フェムト秒レーザーによる超微細加工が発展し、単純な構造であれば大面積の加工ができるようになりました。しかし、工業生産による製品化にはナノ構造を低コスト・短時間で金型化する技術が求められています。また、金型の作製時に熱によるダメージが発生することから、熱耐性が十分でなければならないなど、素材の制限が大きな壁として存在しています。

産総研ではこれまで金属成膜に一般的に利用されるマグネトロンスパッタのプラズマ制御技術を開発してきました。マグネトロンスパッタはプラズマの力でいろいろな材料を微粒子として飛ばすことが可能な成膜プロセスで、タングステンを代表とする高融点金属も材料として使用できますが、材料から放出された電子が装置の磁場により加速されて原型へ衝突し、原型を加熱してしまう問題がありました。産総研が開発した制御技術では、磁力線を用いて加速電子を封じ込めることができます。温度上昇の原因となる加速された電子を原型に当てないことで熱ダメージがわずかしか生じません。そのため、熱に弱い材料でも金属薄膜を成膜することができます。

本研究では、この技術を活用し、さらに金型となる金属薄膜を厚膜化する技術の開発に取り組みました。

本研究では、立体構造を持ち、数十マイクロメートルのレンズ構造とさらにその表面にナノスケールの不規則構造が存在するトンボの複眼を熱に弱いナノ構造原型として用いました。低温成膜によりトンボ複眼表面に形成された金属薄膜を、ニッケル浴を用いた電解めっきで微小構造を保存したまま厚い金属膜にしました。図1にトンボ複眼への金属成膜から金型作製、複眼レンズの流し込み成型に関する各ステージでの構造観察結果を示します。

作製した金型を用いて、透明性や屈折率が比較的高いエポキシ樹脂を流し込み180 ℃で硬化し成型すると、多数の個眼を表面に配置した成型品が得られました。このレンズを用いて産総研の英字ロゴ（AISTロゴ）を観察すると、それぞれの個眼がレンズとしての機能を有することが示されました（図2）。トンボ複眼のレンズにはナノスケールの不規則構造から生じる 防曇 （ ぼうどん ） 機能があることが知られています。作製したナノ構造金型を用いて成型したレンズは約10分間の水蒸気の暴露試験においても表面への水滴付着による像のぼやけなどの影響がなく、防曇機能が再現できることを実証しました。これは生体組織の複雑で不規則なナノ構造を2万個以上のレンズ表面に1プロセスで付与することに成功した世界初の例となります。ナノ構造の金型を作製する際に、安価で微細加工が容易な低融点の樹脂などを原型の素材に使用することが可能となります。

金型材料を検討するために、それぞれ融点の異なる金と白金、タングステンを用いて金型を作製し、その表面の熱安定性について評価しました（図3）。金を用いた場合、300 ℃以上で金型表面での金の元素比低下が確認されました。さらに、白金では550 ℃で元素比が低下し、700 ℃で元素が消失しています。通常、バルクの金や白金は1000 ℃でも融解しません。しかし、本研究の低温スパッタリングではナノ粒子化した金属材料が原型に堆積することがわかっています。ナノ構造体になると、構造の熱安定性が低下することが知られており、この性質が金型の安定性に影響したと考えられます。結果として、1000 ℃まで安定して構造の保持が可能な金型材料は、タングステンのみであることがわかりました。金や白金は、熱硬化性樹脂などを流し込み成型する低温プロセスであれば利用が可能です。ガラス材料や低融点金属での流し込み成型ではタングステンを金型にすることで対応できることがわかりました。エポキシ樹脂と同様に溶融ガラスをタングステン金型に流し込み、マイクロメートルサイズのレンズ構造と防曇効果を持つ複眼レンズが形成されることを確認しました。

本研究ではさまざまな素材の対象を原型にしてナノ構造を金型に写し取る技術を開発しました。微小な構造を原型とした際の再現性と金型材料の選択肢の広さによる加工コストの低減の可能性が示されました。今後は加工難易度の低い低融点の樹脂に機能性を示すナノ構造を形成・金型作製し、機能性ナノ構造体の量産化を実証します。また、トンボの複眼再現に関しては、レンズを金型で繰り返し作製できることで、光学特性の最適化や複眼撮像の画像処理といった実用化に向けた研究が加速すると期待されます。トンボの360°視野をそのままの大きさで再現し、ドローンや自動運転での事故防止に寄与するような技術を目指します。

掲載誌：Advanced Materials Interfaces
論文タイトル：Dragonfly-Inspired Compound Eye Lens with Biomimetic Structural Design
著者：Kenshin Takemura, Taisei Motomura, Wataru Iwasaki, Nobutomo Morita, Kazuya Kikunaga
DOI：10.1002/admi.202400480

ナノ構造体

1 mmの100万分の1スケールの、原子や分子レベルの微細な構造体。その特異な形状と物質の性質によって、光や電気、熱などの物理的現象を制御することができる。[参照元へ戻る]

金型成型

溶かした材料を金型に流し込み、冷却固化させることで製品の形状を作り出す製造技術。この方法は、プラスチックや金属、ガラスなどの材料に適用され、大量生産にも対応可能な効率的なプロセスとして広く利用されている。[参照元へ戻る]

高機能材料

従来の素材では実現が難しかった特別な機能を持つ材料。これらの材料は、光や力、化学的刺激などの外部からの入力に対して、自ら変化する特性を持つ。 [参照元へ戻る]

複眼

多数の小さな個眼が集まって形成された、節足動物に見られる目。特に飛翔する昆虫や甲殻類に多く見られ、広い視野と高い動きの感知能力を有している。トンボの複眼は約2万個の個眼から構成されており、ほぼ360°の視野をカバーしており、背後からの天敵の攻撃を回避することと草むらの中の餌の微小な動きを捉えるために利用されている。[参照元へ戻る]

フェムト秒レーザー

非常に短いフェムト秒（1フェムト秒は1000兆分の1秒）のパルス幅を持つレーザー。この超短パルスレーザーを使用すれば精密な非熱加工が可能となる。[参照元へ戻る]

金属成膜

基板表面に金属をコーティングして薄膜を形成するプロセス。このプロセスにより、基板は気密性、耐熱性、長期信頼性などの特性を向上させることが可能となる。[参照元へ戻る]

マグネトロンスパッタ

金属や合金などのターゲット材料から微粒子を飛ばして基板上に薄膜を形成する手法であるスパッタリングの一種。マグネトロンスパッタリングは、ターゲット材料の裏面側に磁石を配置することで、プラズマ中の荷電粒子をターゲット材料の表面近傍に局在化させる。材料の選択肢が広く、有機材料や低融点金属から高融点金属まで多様な材料を用いた成膜が可能となる。[参照元へ戻る]

プラズマ

イオンや電子、ラジカルなどの粒子からなる高いエネルギー状態にある物質の一形態。固体、液体、気体に続く「物質の第4の状態」とも呼ばれている。例えば、強い電磁場にさらすことで生成する。[参照元へ戻る]

磁力線

磁場の方向と強さを表す仮想的な線。磁場の存在を表現する際に、線の向きで磁場の方向を、線の密度で磁場の強度を表現することができる。[参照元へ戻る]

金属薄膜

金、銀、アルミなどを薄膜状にコーティングしたもの。半導体の配線工程やミラーの反射率向上など、多岐に応用されている。また、製品の意匠性や機能性を高めるためにも使用されている。[参照元へ戻る]

エポキシ樹脂

エポキシ化合物で製造する熱硬化性樹脂の一種。加熱することで化学反応により硬化し、機械的な強度が高く、耐熱性、電気絶縁性が高いことが特徴である。[参照元へ戻る]

防曇機能

レンズやガラスなどの表面が結露による細かな水滴で曇るのを防ぐ機能。視界の確保が重要な用途、例えば建材、車両の窓、浴室の鏡、メガネのレンズなどに使われている。[参照元へ戻る]