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 … ·...

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Tokyo MetropolitanUniversity

N. Moronuki

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）


N. Moronuki現象のモデル化と設計

プロセス入力出力

１入力1出力モデル

プロセス入力2

多入力多出力モデル

入力1

入力ｎ

・・・

出力2

出力1

出力ｎ

・・・

原因結果

設計性能Black box


N. Moronuki設計とは？

設計仕様性能

（摩擦，濡れ，光）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

ノイズ


N. Moronukiシステムの表現法

プロセス入力出力

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）


N. Moronukiモデル化における注意事項

• 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


N. Moronuki機能表面の設計

具体例・濡れ性の制御・摩擦の制御・光学機能

対象機能応用

流体フィルタ気液分離（ゴアテックス）濡れ性はっ水，氷雪の付着防止抵抗低減競泳水着，パイプライン，船の推進

接触摩擦

摩擦の制御固着防止：磁気ヘッド，マイクロメカすべり防止：福祉機器，浴室，プール

感触,見栄えハンドル，外装材表面積触媒，吸湿，ガスセンサ生体適合性インプラント，人工臓器

電磁波

透過フィルタ，無反射面，放射面反射道路表示，太陽電池，マウスパッド回折，干渉分光素子，ホログラム

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N. Moronuki機能の設計とプロセスの選択

形状

うねり

粗さ

マイクロフネスラ

テクスチャ

代表寸法と特性加工方法

機械加工( 削，削）切研

エネルギームビ

( ーザ，オン他）レイ

応用

機械部品構造）（

表面機能濡れ，擦，学他）

（摩光

形状精度粗さ表面エネルギ

hp

m

mm

m

nm

因果関係はどこまで明確になっているか？


N. Moronuki

・濡れ性の制御


N. Moronukiカタツムリの殻は水も油もはじく

（赤池，金谷：カタツムリが教えてくれる！，ダイヤモンド社，2004）

表面の微細構造と材料の問題


N. Moronuki濡れや流動の制御に関連する分野

濡れ流動燥,

乾,

スキーウェア,競泳水着スポーツ

船舶建築物配管, ,巨大システム

潤滑刷装

熱交換

,印 ,塗 ,

,接着

型型

,

成 ,離

工場日常

食器剤

ンタクトンズロントラス

,洗

コレフグ

,

,

,雨具

F

接触角

接触角と転落角の大きさは必ずしも相関しない

小さい転落角

液滴液滴F

大きい小さい

AR

LV LV

AR

LV LV

大きい

良く見られる誤解：接触角大なら転落角小？


N. Moronukiハスの葉の表面構造（再掲）

（中島：固体表面の濡れ制御，内田老鶴圃，2007）

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


N. Moronuki既にある応用例

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？）

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）

3


N. Moronuki微小化学分析

（マイクロマシンセンターWeb http://www.mmc.or.jp/info/cafe/ ）

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


N. Moronuki微小化学分析装置での操作

（マイクロ化学技研Web：http://www.i-mt.co.jp/）

Y字間によるミキサ


N. Moronuki微小流路への超はっ水機能の付与

（Joonwon Kim and Chang-Jin “CJ” Kim: Nanostructured Surfaces For Dramatic Reduction Of Flow Resistance In Droplet-Based Microfluidics, MEMS Conference, IEEE,(2002),479.）

・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


N. Moronukiテクスチャ表面上での液滴の形状

（Joonwon Kim and Chang-Jin “CJ” Kim: Nanostructured Surfaces For Dramatic Reduction Of Flow Resistance In Droplet-Based Microfluidics, MEMS Conference, IEEE,(2002),479.）


N. Moronukiテクスチャによる濡れ性の制御

D : 2 mP: 4 m

H: 8

m

D: 64 m

H: 8

m

P: 128 m

2 m

25 m

D: 4 mP: 8 m

H: 8

m

D : 16 m

H:8

m

P: 32 m

4 m

10 m

ドライエッチングで作製したテクスチャ


N. Moronuki

電動シリンジ

CCD

電動ステージ

転落角設定ータモ

PC の画面上顕微鏡

接触角・転落角測定装置(自作)

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）

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N. Moronuki接触角ヒステリシスの測定例

接触角の測定再現性±2度


N. Moronuki

Con

tact

ang

le d

egre

eH

yste

resi

s of

con

tact

angl

e de

gree

Pillar diameter m D

P D=2H

D

Si

Case of flat surface

150

100

50

0150

100

50

00 20 40 60

H [ m]48

0.11

H [ m]0.1 4

81

Advancing angle

Receding angle

Hysteresis

Si表面の濡れ性制御の例

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）


N. MoronukiPTFE処理基板の接触角

空気トラップの有無による傾向の違い


N. Moronuki

H1

l 1

表面エネルギ E

しきい値 T

余裕 l1

親水

D 大きい小さい

ヒステリシス

h 1

直径 D

濡れ性疎水

余裕 l1

高さ H

H2

D1 D2

しきい値 T

ヒステリシス

h 2

D 大きい小さい

H

高い

低い

生産の容易さ

設計の考え方

真の一般化は困難なものの，議論はすすめるべき


N. Moronuki

B

A'

B'

A

0.5mm

各断面での接触角

142o

A-A'

B-B'69o

親水

疎水

ラインアンドスペースパターン

表面構造による特異な液滴形状

h=0.8m d=4m

断面形状


N. Moronuki

5 m

a2

5 m

0.5mm

5 m

(C)(B)(A)

(b) (c)

0.5mm 0.5mm

(a)

テクスチャターンパ

液滴形状

表面構造による特異な液滴形状

5


N. Moronuki

500m 500m

5m 5m

60 o

Triangular grooves Rectangular grooves

濡れの方向性付与と液滴形状の制御

Photopolymer droplet after solidification, 1micro litre


N. Moronuki

4

810

y

x z

0.14mm1

y

zy y

z

y

z

droplet

stage

slit

Light source

CCD camera

ExperimentSimulation1 8

4 10

液滴の形状評価とシミュレーション

Surface Evolverによるシミュレーションとの比較


N. Moronuki接触角と転落角（アニメーション）

疎水表面の転落角は小さいか？

親水表面の転落角は大きいか？


N. Moronuki

鮫皮のモデル（左）と飛行抵抗低減のための応用（右）

移動機械の抵抗低減

（Landesmuseum fuer Technik und Arbeit in Mannheim, Bionik, Siemens Forum, 1998）


N. Moronukiリブレットの例

（1st International Symposium on Functional Surfacesでの発表スライドより）


N. Moronuki液体の排除性評価装置

Liquid

Rotationstage

Reservoir

Patternedsurface

CCD

CCD

T=0 s

=30 deg.

Rotation CCD

T n= sReservoir

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

100 m

H

100

0

50

6004002000

[ m]P

W

6


N. Moronuki試作した表面構造

• 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

Pitch P Height HWidth W

200 m 200 m 200 m

=50°

H

100

100300500unit: m

H W No.W1 2 W1 W2

2

1

3100


N. Moronuki表面構造による液体除去促進

Flat Parallel

Flow

OrthogonalV-shape

Water ( )

Oil

200

100

020

10

0

Pro

ject

ion

area

of

liqui

d m

m 2 Liquid

Liquid

構造を設けることで液体の除去を速めることができる


N. Moronuki水と油の流動性

Pitch [ m]P

Pure water

20

40

0Slid

ing

angl

e [d

eg.]

Flat

200 400 600 2000

60

Parallel

Orthogonal

FlatParallel

Not slide down

20

40

0Sli

ding

ang

le [

deg.

]

60

Pitch [ m]P 200 400 600 2000

Oil

Orthogonal

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


N. Moronuki速乾性表面

100 m

D

H

P

0 50 110 130 15080

ピッチP320 m

ピッチP1000 m

時間分[ ]

平滑面

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

転落方向

液滴濡れ広がり


N. Moronuki表面材料による調整

• 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）


N. Moronukiチタニア（酸化チタン）による超親水化

（中島：固体表面の濡れ制御，内田老鶴圃，2007）

7


N. MoronukiOTS－SAMの形成

0

Hei

ght

nm

Location mCross-section (C-D)

OTS SiO2

05

1015

Hei

ght

nm

Location m0 1 2 3 4 5

Cross-section (A-B)

PTFE SiO2

AB

22.5 m

20nm

(a) PTFE/SiO pat tern2 (b) OTS/SiO pat tern2

15 m

15nm

2

4

CD

0 1 2 3 4 5

(a) 表面酸化

シリコン基板

乾燥窒素

トルエンに溶解したOTS (1%vol.) OTS

(b) OTS-SAM膜の形成

(d) 電子線リソグラフィ

(e) OTS露光部の除去

(c) OTS過剰な除去

SPM(H SO :H O =3:1)溶液

2 4 2 2

乾燥窒素

無水トルエン

通常雰囲気

SPM(H SO :H O =3:1)溶液

2 4 2 2

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

OTS: Octadecyltrichlorosilane


N. Moronuki



N. Moronuki摩擦制御の応用例

s V p= /st (transition)

静摩擦

混合滑潤

流体潤滑

すべり

摩擦係数

（粘度，滑り速度，圧力）: V p: :

すべり弾性変形の考慮弾性流体軸受理論）（

微細構造

動圧摩擦の減少

影響

•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


N. Moronukiすべりやすさの試験方法

Pressure

Friction material

Move

Frictionmaterial

(a) JIS (b) ASTM

Sample

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

Hydrodynamiclubrication

Boundarylubrication

Characteristic value

Kin

etic

fri

ctio

n

coef

fici

ent

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）


N. Moronuki動摩擦評価装置（自作）

Forcesensors

Elastic body Slider

Linear stage

Motors

Floorsample

FilterData

ControlZ-stage

Water

PC

X

Z (in sync with X)

0.01-1.8

Pressure [Pa]p 25

Sliding speed [m/s]V

1, 44, 53, 246Conditions

12, 4, 8, 4150, 50, 100, 50

300, 100, 200, 1001500, 500, 1000, 500

300, 100, 200, 50

・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


N. Moronuki微細構造が摩擦特性に及ぼす影響

2

1

0 1e-8 1e-6 1e-41e-10

Flat

P =12 m

P=150mP =300m

P=1500m

st-12st-150

st-300

st-Flat, 1500

摩擦係数

パラメータ /s= V p

・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

8


N. Moronuki指紋の必要性

・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）

・指紋は何のためにある？

Micro-structure on elastic bodyMotion

Motion

Hydrodynamic pressure

Frictional properties

Elasticdeformation

Fingerprint

Liquid


N. Moronuki

W

0.50.5

2.03

2.0

2.0

1.04.0

5

6

7 0.01 0.01 0.02

H P W H PNo.

1

2

No. H/WProfile

1

0.5

1

1

H/W

2P

W

H

試験片の寸法仕様

・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8mRy

・湿潤状態：実験に先立ち，水（一部増粘剤含む）を散布


N. Moronuki

Fri

ctio

n co

effic

ien

t

0

0.4

0.8

1.2

0.010.001

1.6

s= /V p

No.2No.6No.7

No.3

微細構造が摩擦特性に及ぼす影響

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）

No.1 平滑面

No.7 W1P2

H0.5


N. Moronuki

・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

0.5 2

Dry

Fr i

ctio

n co

effic

ien

t

0.01 0.5 1 20

Wet

1.0

2.0

1

3.0

Flat (dry)

Dimension , mmW H Aspect ratio

Width: constFlat (wet)

構造寸法と摩擦特性の関係


N. Moronuki受容器の間隔と構造の間隔について

Freq

uenc

y of

ans

wer 6

4

0

1

3

2

0

fric

tion

coef

fici

ent

friction coefficient hold/hitch painful

P1000W500

P800W400

P500W250

P300W150

Meissner corpuscle

Merkel’sdisk

Pacinian corpuscleRuffiniending

WP

100

適切な間隔の構造をつくると，心地よく，かつ滑らない？

凹凸構造を設けた表面の官能検査受容器の種類と位置


N. Moronuki

M. Ota, et al., Novel Micro‐surface Machining Techniques For improving the Traction Coefficient, Transmission and Driveline, 2008(SP‐2147)

Micro-structure can improve the traction coefficient of CVT

CVTトラクション係数の向上

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N. Moronuki結晶の規則性を利用した形状創成

{111} crystal planes

(100) crystal plane

[110] direction

70.5 deg

Silicon substrate

Crystal lattice of silicon


N. Moronuki微小凹凸が摩擦に及ぼす影響

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


N. Moronuki試験片の表面形状


N. Moronuki微小摩擦力測定装置


N. Moronuki非対称構造による摩擦の方向性

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


N. MoronukiマイクロスライダのSEM観察結果

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N. Moronukiメニスカスによる付着力

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．

f r h 2 cos cos /


N. Moronuki表面付着力の測定結果

0

2

4

6

8

10

0 0.5 1 1.5 2Frequency kHz

Calc. with Fa=0Calc. with Fa=14N

Experimental result

Nominal contact area:1.1 m2Slider's mass: 0.41mg


N. Moronuki

Guideway

AmpAmp

Resolution:0.02m Band width:20kHz

Vibration Lasermicro-meter

Microslider

Feed

Voicecoil

motor

Voicecoil

motor

Phase shiftAmp.

Number of pulses

PC- Amplitude- Phase shift- Number of

pulses

2ch function generator

振動を利用したスライダの駆動Tokyo Metropolitan

UniversityN. Moronuki

100 m

Si Slider

Textured Si(Guideway)

摩擦方向性の利用

• 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？

Parallel to the texture Perpendicular to the texture

Textured guide

slider

Shear ofadhesion

Pull-offforce


N. Moronuki

Drive direction

30deg.

Motion constrained by texture

(Condition A)

Motion direction

1.5mm

30 m

Textured Si

Outline of slider(Superimposed of five)

Drive direction

1.5mm

Motion direction

Motion not constrained by texture (Condition B)

Conditions A BDrive force(mN) 1.2 19

Only the difference is the driving force

The motion will be constrained by applying the proper condition

SliderＬ：1.5mmＷ：1.5mmＭ：9.8mg

TextureＰ：12mRW:2m

摩擦を利用した運動拘束Tokyo Metropolitan


表面微細構造

Ridge width2.8m

Pitch 12m

Depth 7m5m

12m

• シリコンの異方性エッチングで製作（ピッチ12ミクロン）

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N. Moronuki振動駆動の利用（方位制御）

X

Y

Vibration

x=2 sin(1000*2t)y=0

電子部品は0603，0.3mg（長さ600m，幅300m，高さ300m）

• 水平方向の振動のみで，方位を揃えることができる


N. Moronuki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


N. Moronuki典型的な固体潤滑剤

無機物

層状材料グラファイト，MoS2，WS2，CFｘ非層状材料 PbO, CaF2, BaF2 , B2O3 , DLC

軟質金属 Pb, Sn, In, Au, Ag

有機物

低分子油脂，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）

高分子四フッ化エチレン（PTFE），ポリイミド，メタアクリレート


N. Moronuki



N. Moronuki内容

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


N. Moronukiフレネルレンズと応用例

（ウィキペディアより引用）

灯台の明かりシリコンウェハ上の光学系

（UCLAの研究例）

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N. Moronuki別設計のTIRレンズと車部品

（ドイツ・ブレーメン大学E. Brinksmeier教授の許諾による）


N. Moronuki液晶パネルの内部構造

（http://www.sugilab.net/jk/joho-kiki/index.html）


N. Moronuki液晶の断面構造



N. Moronuki液晶の動作原理



N. Moronuki導光板と光学機能フィルム

• 導光板– 点光源から面光源へ

• 液晶関係の例

（住友３M，日東電工）– 光を無駄なく使う


（３Mウェブサイトより引用）


N. Moronuki住宅機器への適用の試み

夏の日差しは遮りつつ，冬の日差しは透過する窓ガラス

（Leistungen und Ergebnisse Jahresbericht, Fraunhofer Institut Solare Energiesysteme, 2001）

横軸は仰角，縦軸は透過率

表面構造

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N. Moronuki反射光学系の応用

キャッツアイ

（道路標示

マウス他）


N. Moronukiディジタル・ミラー・デバイス（DMD）

（日本TI社のWebより引用）

各鏡は16m角であり，17m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．


N. MoronukiDMDの構造細部

(N. Maluf, An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, Artech House Publishers, 2000)


N. Moronuki典型的なシリコンプロセス



N. Moronuki


DMDの製作手順Tokyo Metropolitan


光の回折

回折角は波長に依存して変化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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N. Moronuki光ディスクドライブの構造

（http://www.sugilab.net/jk/joho-kiki/index.htmlを一部改編）


N. Moronuki光ディスクの構造



N. MoronukiCDとDVDの違い



N. Moronuki回折光学素子

（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）

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


N. Moronuki回折光学素子

（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）


N. Moronukiブラックシリコンの表面と反射率

（Saleem H. Zaidi et al., IEEE Trans. Ele. Dev.48,6, 2001）

表面構造反射率の波長依存性

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N. Moronuki無反射構造のための屈折率制御

(a) Incident light on smooth surface glass

BoundaryDistance

Re

fra

ctiv

e

ind

ex

n

1.4

1

Glass Air Reflectedlight

Discontinued change

Incidentlight

Transmittedlight

(b) Incident light on structured surface

Distance

1.4

1

Boundary

Sub-wavelength

Continuous change

No reflectionoccur

ナノメートルレベルの微細構造が必要


N. Moronuki自己組織微粒子をマスクとした加工

微粒子の自己整列

Si 板基

三次元的な終形状最

反応性イオンッチングエ (RIE)

化学作用（等方的）

物理作用（方向的）

拡大図

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）


N. Moronuki移流集積法（ディップコーティング）

直径300nmのシリカ微粒子の単層整列が目標


N. Moronuki繰返しディップコート法

(a) First time coverage 70% (b) Two times coverage 80%

(c) Three times coverage 85%

Domain Line defect

500nm

1 m1 m

1 m

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


N. Moronukiエッチング後の表面と被覆率の影響

1 m

(b) Coverage 70%

(c) Coverage 80% (d) Coverage 85%

(a) Particles working as mask

被覆率が低いと，当然平坦部ができる


N. Moronuki自作の反射率測定装置

Detector

Lens Substrate

Light source

Mono-chromator

Fiber opticIncidentangle(30 )°

Reflectionangle (30 )°Amplifier

PC

スポット直径は1mm程度

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N. Moronuki微粒子被覆率と反射率の関係

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）

Rel

ativ

e re

flec

tanc

e [%

]

Wavelength [nm]400 500 600 700

12

10

8

6

4

2

0

70%

80%80% 85%


N. Moronukiエッチング時間と表面形状の関係

500nm

(a) 120s (b) 300s

(c) 420s

(d) Over etching

この場合は300秒が適切な条件


N. Moronukiエッチング時間と反射率の関係

5

3

2

1

0

60

50

40

30

20

10

0400 500 600 700 400 500 600 700

Rel

ativ

e re

flect

ance

[%]

Wavelength [nm] Wavelength [nm]

4

120s

300s

420s 300s

420s

1.7

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


N. Moronuki見かけは真っ黒

250nm

デジカメの奴

10mm

Mirror surfaceSi

TexturedSi

(a) Entire image of substrate

鏡面だった表面が黒色に見えるようになる

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 … ·...

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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 … ·...