反射に加え透過でも役立つ
モルフォチョウの光学特性
齋

藤

彰,

理は共通点が多いものの，対応はすれども考察には注意を要

.

は じ

め

に

我々はモルフォチョウの不思議な発色に魅せられ，長年さすることをはじめに記しておきたい．

.

モルフォ発色の原理(反射)まざまな方向で研究を続けてきた．はじめに実作・実証により発色原理解明を行ったのは 20 年近く前である(1) ．そこにモルフォチョウ(図( a ))は南米～中米に産する蝶で，うはナノスケールの規則性と不規則性(乱雑さ)という相矛盾すちいくつかの種では特徴的な青色の光輝色が目立つ．輝くきる性質をうまく組み合わせた，自然の奥深い匠の技があっらめきゆえ生きた宝石と呼ばれ，土産物や装飾に珍重された．その後すぐ，応用上の特異な利点が多いことに気づき，る．その色合いから，発色原理は干渉に基づく機構が容易に

工学的な研究を開始した．しかし，本種の光学特性はナノ構想像され，構造色の代表とも言われる．たしかにその翅上に造に起因するため，現実味のある生産技術には多くの課題が並ぶ鱗粉(図 1(b))を拡大すると，上面(図 1(c))では筋状であった．それらの課題を 1 つずつ解決しつつ，5 年ほど前ま回折格子の様相を呈し，一方その断面(図 1(d ))では樹状構

でには特性制御から量産プロセス，乱雑さを含む設計法，さ造が見え，樹の各々は多層膜に見える．回折格子・多層膜のらに形状の自由化(フレキシブル等)に至るまで，多くの課題

いずれも干渉色の基になる微細周期構造である．

を解決してきた(2)．

ここで干渉ならば，見る角度で光路差が変わるのだから，

ところがここ数年で，それまでとは全く異なる方向で，新色も変わるのが必然である．ところが本種はどこから見てもたな応用価値を見出すに至った．それは，反射でなく透過と青く，物理法則に矛盾するのである．この不思議さは，一度いう逆の方向性である．上記の乱雑さとナノ構造の特異性を本文から離れて考えみて下さいと申し上げたいほどで，すぐうまく利用することで，反射における構造発色と同様，「従に解を提示するのは勿体なくもあるが，以下に簡単に要点を来に無い」光学特性を発現できるのである．端的に言えば，述べる(3)．謎を解く鍵は乱雑さである．つまり，青色自体は反射では「高反射率の干渉色ながら，広角で視野角依存性

多層膜干渉(の垂直入反射条件)で作る一方，多層膜ならば本(角度による色分散)のない単色」が実現できる．一方，透過来発現する別の色(斜めの干渉条件)を，樹状構造配列の乱雑では「高透過率で，広角に拡散できて色分散がない」採光窓さで回避しているのである．では青色は垂直方向(真上)でし

ひいては光拡散板が可能になるのである．ここで本稿の主眼

か見えないかというと，青色は回折広がりの効果で広く見えは，透過における新たな展開の解説である．反射はこれまでるのである．回折は「直進する波が波長サイズの構造に当た様々な媒体で解説しており，それらとの重複は避けたいが，ると，回り込んで広がる」現象で，進行波(たとえば水面の透過を語る上で原理として反射の前提は不可避である．そこ

波)の進路上に波長サイズの障害物(水面ならば杭)を置いたで，まず次項で反射のモルフォ発色原理について述べ，そこ状況を考えると分かりやすい．以上をまとめると図のようから透過への展開について詳述する．なお，反射と透過の原になる．前述の通り，規則性(多層膜干渉)と不規則性(乱雑大阪大学大学院工学研究科准教授(〒5650871 吹田市山田丘 21 M1 棟)
理化学研究所/SPring8
Optical Properties of Morpho Butterflies that are Useful not only for Reflection but also for Transmission; Akira Saito(Depertment ofPrecision Engineering, Osaka University, Suita‚ RIKEN/SPring8, Sayo, Hyogo)
Keywords: structural color, Morpho butterfly, transmission, diffuser, daylight window, disorder, nanostructure
2022年 4 月11日受理[doi:10.2320/materia.61.479]

ま て り あ 第61巻 第 8 号(2022)
Materia Japan




図1

(a) モルフォチョウの全体像と，(b) 翅上の鱗粉列．(c) 鱗粉の拡大 SEM 像(上面図)と(d) 断面の SEM 像．(オンラインカラー)

は透過の応用にあるので，詳細は他の文献をご参照頂きたい(4)(5)．

.

モルフォ発色(反射)の応用と生産技術特異な発色の原理が実証できてみると，我々はその応用価値に改めて目を見張った．そもそも構造色は色素によらない物理的な効果に起因し，UV や酸化で物質変化があっても色の劣化つまり色褪せが無い．そして色素では不可能なきらめ
きを伴う光輝色が出せる．また色素フリーとなると毒性や環境負荷も低く，高反射率ゆえ光利用効率は高いので，環境・
図2

モルフォ発色機構の原理．(オンラインカラー)

エネルギーに有利な側面がある．加えて，材料 2 種だけの膜厚変化で RGB が作れるため(実証済み)，省材料でもあさ)の巧妙な組み合わせである．

る．一方，光輝色の利点から装飾に有利でも，通常の構造色

ただし上記はあくまで理屈であり，正しさを証明するには

は「見る角度で色が変わる」特徴から，ディスプレイやポス

実証が必要である．一方，図 1(c)(d)のような複雑な 3D 構

ターなどの用途には困難がある．ところが本発色は「広角で造を光学測定に便利な数 mm 以上のサイズで作るのは現代単色」なので，魅力的である．

のナノテクでも困難である．そこで，原理を抽出して「多層そこで生産技術に目を移すと，上述の通り「乱雑な」「ナ

膜と乱雑さ，さらに狭い幅(による回折広がり)」を同時に満ノ構造」がネックとなる．要するに，図 3( b)の構造をいかたす構造(図( a ))を設計した(1) ．作製プロセスの便宜かに「大面積で」「量産」するか，である．半導体プロセスにら，はじめに基板上に乱雑さと狭い幅を同時に満たす設計・依拠する当初の方法では，スループットに限界がある．そこ

加工を施し(図 3(b))，最後に多層膜を蒸着した(図 3(c))．

でナノインプリントによる大量複製により，生産の効率は光学薄膜なので真空蒸着で精度を担保し，かつ多層膜の屈折1000 倍以上改善できることがわかった(5) ．ところが次に，率比は大きくし(反射率を稼ぐため)，応用を考えて安価・安複製してもモールド(鋳型)自体が小面積では限界が見えてき

全で普遍的な材質を用いた(TiO2 と SiO2)．

た．この点はレーザ加工による大面積化の工夫で解消できる

結果はモルフォチョウの発色をよく再現し，「干渉色だがことがわかった(6)．ところが大面積のナノインプリントは離広角で高反射率の青」が実現できた．実証のための光学測定型に困難が伴う(モールドと複製用樹脂との接着力が面積比では絞った白色光を試料に入射し，反射光の角度分布を光フで増大するため)．そこで，インプリントした複製をモール

ァイバで得た上，分光器で波長分布も測定する．本稿の主眼

ドとして使うことで，モールド自体を曲げられる樹脂にし

図3




(a) モルフォ発色体の構造モデル(断面図)．(b) 多層膜蒸着前の基板表面 SEM 像．(c) 多層膜蒸着後の断面概念図．

最近の研究

て，少しずつ剥がすことで離型が容易にできるようになった(7)．
それでもまだハードルは残っており，特に発色膜のフレキ
シブル化が問題だった．これが実現できないと，自由形状での発色応用ができない．その時点で発色体は固い基板上に限られており，理由は多層膜形成が真空蒸着に基づいており，
熱輻射と均一成膜のため固い基板上への成膜が前提だったからである．そこで，多層膜の成膜後に膜全体を樹脂で包埋して保護し，その状態で基板から容易に剥離できる工夫を行った．これは基板と多層膜の間にある UV 硬化樹脂が湯浸で図4膨潤し，自発的に離型するプロセスである(2)．このフレキシ

光ダクトの概念図．(オンラインカラー)

ブル化工程は，部分的には粉体化にも役に立つ(8)．
こうして，発色体の生産過程で生じる様々な困難を克服しつつ，現状ではフレキシブル発色フィルムが 100 mm 四方程度で比較的容易に作製可能である．

.

透過への展開ところが，上に述べた「モルフォチョウの知恵」について，
思わぬ使い道が最近わかってきた．それは従来の反射とは逆

図5

多重散乱を用いる光拡散板の概念図(4)．Copyright (2022),
The Japan Society of Applied Physics．(オンラインカラー)

図6(a) 採光窓・理想 3 条件の概念と(b) ｢透過率」と「拡散」のトレードオフ．(オンラインカラー)

方向で，透過つまり「窓」ひいては「光拡散板」である(9)．
反射に基づく発色体では「高反射率，広角，単色(虹色でない)」の特長があったのに対し，透過では「高透過率，広角(拡散)，虹色でない」特長があり，従来に無い高性能の採光窓ができる．この特長がなぜありがたいのか．反射と透過の対応関係に注意しつつ，以下のように説明できる．
まず採光窓に望ましい条件は何か．それは i. 高透過率(窓が明るい)，ii. 広角拡散(広く照らす)，iii. 虹色でない，という点である．どれも効率的な採光に必須なことは明らかであろう．一方で通常，窓を通る光は直進してしまうので，太陽光があっても室内の上部は暗くなり照明が要る．そこで，光の経路を曲げる，もしくは広げることができれば照明を減らすことができ，省エネ効果はきわめて大きい．しかし，それには散乱(透過率は低下する)や回折格子・屈折(透過率は保てるが虹色になってしまう)を使うか，光ダクト(図)など
大規模設備が必要になる．

は，光を曲げずに透過率を稼ぐか，散乱により拡散して透過

現在，こうした「光拡散板」の主流は散乱体埋込フィルムを犠牲にする．しかしモルフォ蝶の発色特性「高反射率・広などの「散乱」に基づいている(図)．しかし，多重散乱に

角拡散・単色」を使うと，上の 3 条件は並立可能なのであよる光損失が大きく，透過率と拡散広がりの間にはトレードる．つまり「微細な幅で光を広角回折し，乱雑さで虹色(回オフの関係がある(図( b ))．つまり明るさが欲しくて散乱折格子)を防ぐ」原理を透過に転用すればよい(図)．このを減らすと入射光は直進してしまい，逆に拡散を増すためにとき回折広がりは入射界面でのみ起きるので多重散乱がな

散乱を増やすと多重散乱で光が散ってしまい，明るさが犠牲

く，高透過率も実現できる．したがって透過型モルフォ採光になる．さらにこの方式は，散乱体が球状なので原理的に拡窓の構造モデルは，反射型モルフォ発色体から青色反射を作

散方向(光軸を法線とする面内での異方性)も制御できない．

る多層膜を除去した形になる．

次に，回折を使って光路を曲げるには，典型的な方法とし

ここで 1 つ補足を述べると，図 7 (b )のデザインから「結て「回折格子」を思いつくが，それでは角度により色が変わ局，すりガラスで良いのでは」と言われることが多い．しかって虹色になってしまう．だからといってプリズム的に光をし，すりガラスはスケールが全く異なり，凹凸が mm スケー

曲げる屈折では，なおさら色分散が生じてしまう．

ルでアスペクト比が低い．凹凸自体はすりガラスだと RMS

以上を考えると，窓では通常「高透過率，広角，色づかな粗さで言えば 1～数 mm 程度が多いが，この点はあまり重要い」3 条件の並立は不可能である(図 6)．よって現行の窓ででなく，重要なのはアスペクト比に関わる幅つまり，回折広

ま て り あ 第61巻 第 8 号(2022)
Materia Japan




図7

図8

採光窓デザインの断面図．(a) 乱雑高さをもつ全体像．
( b ) 幅 w と 高 さ 4 mm ± s を も つ 棒 状 単 位 構 造 ．
Reproduced with permission from (9), (c) The OpticalSociety．(オンラインカラー)

図9

図 8 の構造の最適値(s＝1000 nm, w＝300 nm)に対するシミュレーション結果．(a) 波長依存性のない全透過率(～90)．(b) 異なる波長(400, 450, 500, 550, 600, 650,
700 nm )に対する透過率の角度分布．色分散がなく，広). Adapted with permission from (9),角(半値幅で～90°(c) The Optical Society．(オンラインカラー)

反射型モルフォ発色から透過への転換と，原理的な対応
関係(4) ． Copyright ( 2022 ) , The Japan Society ofApplied Physics．(オンラインカラー)

がりに寄与する単位構造の幅(反射では樹状構造 1 本の幅，
透過では 1 本のピラー幅)である．すりガラスではこの幅が大きく，回折広がりはほぼ寄与しないレベルである．したがって「回折でなく屈折」で光を散らすことになり，乱雑さゆ
え虹色にはならないが，角度広がりが小さい．この点，原理から違うものであることは留意されたい．

.

設計と最適化デザイン

上記の発想に基づき，まず必要なのは図 7( b )にある構造の最適化である．この構造は図 6( a)のように面内(紙面内)
で 2 次元的な光拡散を前提とするため，断面図を示しており，紙面の奥行き方向には均一な厚みをもつ．換言すれば，
図 7(b )の構造は，紙面内では棒状(縦長の長方形)構造を横に並べた構造と考えることができる(図)．ここでパラメー
タは，単位構造である長方形について，横幅 w と深さの乱
雑さ s である．横幅 w は回折広がりを決める重要な役割を持つが，次段の作製と絡んで設計と構造のシンプルさが担保される必要があるため，一定値である．また乱雑さは平均高さからの正規分布(標準偏差 s )で定義される．平均高さ 4mm は，一般的な PC プラットフォーム(後述)で数時間の現実的な時間で問題なく計算できる最大深さとして選んでいる．これより高くても計算エリアが増えるだけで，計算時間はかかるが結果に影響がないことは確認済みである(光学特性は入射界面の特徴的な構造で支配されるため，平均深さは4 mm 以上でも影響しない)．

この 2 パラメータ w と s を振って，モルフォ発色研究で培った数値計算による構造最適化を行った．解析的手法でなく数値計算なのは，マクスウェル方程式で電磁場を扱う際，構造が複雑ゆえ解析的に扱えないためである．手法はメモリ)を使用した．

FDTD ( Finite Difference Time Domain )法で，空間を微小最適化の判断指標は，先述した 3 条件つまり，全透過率

メッシュで分割して計算を容易にしつつ，各メッシュ間の接と角度広がり，そして波長分散である．パラメータによる結続と境界条件を適切に処理しつつ試料全体での電磁場を取り

果比較や FDTD 計算の設定など詳細の途中過程は省略する

扱えるように工夫している．計算環境に一般性をもたせるたが，最適化で得られた結果を図に示す．パラメータの最適

め，市販ソフト( Ansys Lumerical 社の FDTD パッケージ)

値はそれぞれ w が 300 nm，s が 1000 nm である．詳細は文とデスクトップ PC ( 3.80 GHz の 8 コアプロセッサ， 32 GB

献に詳しいが(9)，直感的な根拠は以下の通りである．まず，




最近の研究

w の 300 nm は反射型のモルフォ発色でも近い値であり，可の再現プロセスを注意深く見るとよくわかる．2 章で述べた

視光波長に近くサイズの小さい幅で最も回折広がり効果が大通り，乱雑さは干渉による虹色を防ぐ上，シャープな干渉縞

きいことから妥当であろう．一方，虹色防止に必要な乱雑さを防ぐことから角度広がりにも有効である．そしてその乱雑s でここまで大きなアスペクト比が必要なのは，透過と反射

さの方向は主に，断面図(図 1(d ))で樹状構造の配列におけの光路差が効いている．つまり反射(オリジナルの鱗粉棚構る深さ方向であった．一方，この方向の乱雑さを人工的に作造)ならば，隣り合う高さの差 h は，反射の光路差では 2 h

るのは，半導体のナノテク(リソグラフィー)でも至難の業でに対応する．一方，透過だと構造体の屈折率 n に対して光ある．実際，モルフォ再現基板でも樹状構造は形成したが，路差が( n － 1)h だけとなり，代表的な n の値～ 1.5を考えて深さ方向は 1 段だけで済ませている(図 3 ( c ))．そのかわも反射の 4 分の 1 程度になってしまう．加えて，反射ではり，図 3( b )の通り，乱雑さは面内で担保しており，同時に

青色 450 nm 付近のみが対象なのに対し，透過では最大 780

この面内の乱雑さはモデル上面図(図 1( c))から乱雑さのパ

nm 付近までの可視全域を対象とするため，必要な s がさら

ラメータ抽出をした結果である．つまり，3D の乱雑さ(図 1に 2 倍近く，つまり反射型に比べて 8 倍近い値が必要にな(c)(d))のうち，2D(図 1(c))のみを利用しているのである．

る．したがって 1000 nm という結果は直感とも相容れる結

これでなぜ干渉効果を防ぎ，「虹色防御」と「角度広がり」

果である．図 9 を見ると，「全透過率 90」「角度広がりはができるのか．それは図の通りである(10) ．乱雑な面内パ

半値幅 90 °」「色分散なし」が証明できている(9) ．ここで入ターン(図10(a))は，y 方向に異なるいくつかの xz 断面で見射光は白色の垂直入射を前提としている．

ると，それぞれ構造が違っている(図10(a)点線)．これらのこうして，モルフォ蝶の「明るく広角で，(単色で)色分散

面 は ， 各 々 が 固 有 の 干 渉 パ タ ー ン を 発 生 し ( 図 10 ( b ) ～が無い」反射原理を透過に転用し，「明るく広角で，(白色で)( d ))，この段階では各干渉パターンは鋭い干渉縞を持つ．

色分散が無い」採光窓が可能なことが証明された．同時にこしかし面内の(xy 面内の)乱雑さゆえ，各 xz 面の断面形状がれは，先述した 3 条件すべてを同時に満たすコンパクトな

乱雑に分布する以上，それらの総和としての反射パターンは窓の条件を明らかにしたことになる．

干渉縞が平均化され，なだらかな角度分布になる，という理屈である(11)．

.

作

製

この効果は重要である．まず，乱雑さの光学効果で「虹色防止」と「角度広がり」を実現するにあたり，1 段の深さは次に必要なのは，実証である．しかし，実作にあたって要るが， 3D 加工が 2D 加工で済むので，大幅に加工の煩雑は，構造の微細さ( w ＝ 300 nm )と高アスペクト比( s ＝ 1000

さが軽減される．のみならず，量産化や大面積にとって極めnm )に加え，乱雑さ付与のため，ナノ構造作製が困難であて有望なナノインプリントに相性が良いからである．

る．ところがここでも反射型モルフォ発色体での知見が役立

この独自技術を利用し，今度は透過型で図 7 ( b )の 3D 構

った．じつは，深さ方向の「乱雑さの光学効果」は，面内の造 を 2D 構 造 に 焼 き 直 し ， ご く 最 近 ， 実 作 と 実 証 を 行 っ

乱雑さで同じ効果が出せるのである．これはモルフォ発色体

た(図(a))(12)．なお透過型の設計では，反射型のようにモ

図10(a) 反射型モルフォ発色体の構造概念図．y 軸方向の複数断面に分割できる．(b), (c), (d) 3 つの独立な断面に対する反射率角度分布シミュレーション結果．(e) 人工モルフォ発色体の反射率角度分布の測定結果(白色の垂直入射光)．干渉ながら鋭いフリンジが無い．Adapted with permission from (10)．(オンラインカラー)

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Materia Japan

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

図12

半正規分布の概念．

試行錯誤の結果， f の標準偏差 s について，狭角拡散( y
図 11( a ) モルフォ型光拡散板( 2D )の設計概念図．異方性が見て取れる．1 枚の上面下面で意匠が異なるが，ここでは下面のみを示す．(b) 全透過率のシミュレーション結果．(c )( d) 透過率角度分布のシミュレーション結果．
x 方向(広角)と y 方向(狭角)の異方性がわかる．
Reproduced with permission from (12), (c) The OpticalSociety．(オンラインカラー)

方向)だとある一定値( s ＝ 6W0 )で色分散のない透過特性を実現できるが，広角拡散(x 方向)だとまだ乱雑さが不足するとわかった(具体的には，回折ピークが生じてしまい「色がつく」）．そこで， s を 6W0 のような一定値でなく，さらに乱数で乱雑に取ることで問題を解消した．そもそも乱雑さの指標である s をさらに乱雑に取る，とは混乱しそうだが，話が入れ子(二重構造)になっており，要するに乱雑な幅 W

デル構造(図 1 ( c ))から直接パラメータ抽出を行うのでなを置く際，そのつど毎回異なる半正規分布を使うと考えれば

く，より概念的な考察をもとに設計を行い，いくつかのステよい．特に s の選択幅を 03 W0 に設定すると十分な乱雑さ

ップで反射型と異なるアプローチを含んでいる．まず反射型が確保でき，広角拡散(半値幅 75°)でも回折ピークがなくでは，異種断面が xy 面内に多数存在するため 3D シミュレ

波長分散なしが可能だとわかった．

ーションが必須で，計算の負担が大きい．そこで，透過では可視光全域で尖った回折ピークがなく光を均質拡散するに

2D シミュレーション可能な「乱雑幅から成る格子状パター

は，深さ d の制御も重要である．紙幅の関係上詳細は割愛

ン」にしている．ここで，単位長方形の乱雑幅は W＝W0＋

するが，検討の結果，最終的に最適値として下面で W0 ＝f ( W0最小幅， f 分布関数)で定義でき，凹凸深さを d と

300 nm ， d ＝ 440 nm ，上面で W0 ＝ 470 nm, d ＝ 690 nm としする．

た．詳細は文献に詳しいが(12)，直感的な根拠は以下の通り

次に，拡散角の制御と異方拡散ができるよう，分布関数 fである．まず下面の(短波長側) W0＝ 300 nm は青色 450 nm

は x, y 方向で独立にし，個別な最適化を行った．実際，光に対して回折広がり効果の大きい幅である(前項で述べた拡散の用途では全方位の均一拡散(図 5 の従来型)でなく，

3D モデルの幅 w における議論と同じ)．一方， d ＝ 440 nm「横方向メインで広げたい(その分，単位立体角での明るさもは正透過の光路差(やはり 3D モデルで既述)が青色の半波長稼げる)」等の場面があり，こうした制御性も本構造の特徴となり，青色を打ち消せるように考えている．上面の W0＝として，当初の 3 条件(明るい，広角，虹色でない)に続く 4

470 nm と d ＝ 690 nm は，赤色 700 nm に対して同様の考察

番目の長所である．ここでは x 方向で広角拡散，y 方向で狭を行った結果である．

角拡散にしている．また反射型と異なる点として，全可視光

これらの最適条件とその光学特性はシミュレーションの結を均等に拡散する必要もある．そこで下面は短波長，上面は果，図 11 のとおりである．透過率は約 85 と高く， x 方向

長波長を主に拡散する両面構成である．

で広角拡散(半値幅75°)，y 方向で半値幅30°の異方拡散分布関数 f はやはり正規分布に基づくが， W0 を平均幅でを示す．色分散も広角側では全く見られず，狭角側で若干残なく最小幅としたため，正確には正規分布を平均値から折りるものの，回折ピークのような鋭い分布は見られない．した

返した半正規分布関数である．イメージとしては横軸を分布がって基本 3 条件に加え，拡散光の異方性形状制御もでき

値 W (幅の値)，縦軸を頻度(確率密度)としたとき，分布関

ることがわかる．

数の形状は正規分布の「釣鐘型」でなく，それを中央で割っ

では，シミュレーションでなく実測ではどうか．作製にはて右半分にした形である．したがって f の値は最小値が 0

やはり反射型モルフォ発色体の研究で培ったナノ加工プロセ(このとき W の最小幅が上述の通り W0 )であり，図のよスが役立った．まず始めに図11(a)の構造をフォトリソグラ

うになる．またこの際，f の標準偏差 s は W0 に対して「微フィとドライエッチングで Si 基板に作製し，それにナノイ

小なゆらぎ」というレベルではなく，回折ピークを抑制する

ンプリントを施す．採光窓や光拡散板となると，応用を見据

十分な乱雑さが必要なので 3W0 や 6W0 という値も取り得る．

えた見映えも判断材料になるため，パターン面積は 100 mm




最近の研究

と比較的大面積で実施した．なお，反射型発色体と違い，透は別途，設計変更や作製プロセスの検討で改善の余地があ

過型の窓ではナノ凹凸構造形成後の多層膜形成プロセスは無る．一方，実用上の光源は， LED や太陽光などさほど指向い が， Si モール ドは 2 枚 必要 である ．こ れは先 述の とお性のない場合が多い．そこで， LED に対する光拡散性を調り，上面・下面(窓で言えば表面・裏面)にそれぞれ長波長・べるべく，ハンドライト型 LED について照射パターンを拡

短波長仕様の異なるパターンが必要なためである．透過窓を散板の有無で比べると，図の通りである．

形成するにあたっては，ナノインプリント用基板に PMMA

拡散板が無いと光分布は等方的で絞られているが，拡散板フィルムを用いる(透過率や汎用性，強度に加え，屈折率もを通すと広く拡散し，分布は異方的である(図13(a, b))．さ

要考慮で約1.5)．このフィルム上に UV 硬化樹脂を塗布し，らにコリメート光源で見られた輝点も十字パターンも無く，

Si 基板上のナノパターンを UV ナノインプリントで転写す

分布は滑らかである．角度分布は半値幅の値で見ると，拡散る．フィルム両面に異なるパターンを施すことで，試料が完で鋭く，使用時は x, y 方向でそれぞれ板の未使用時は約 21°

成する．

と，異方性が実現できている(図13(c))．
63°
, 30°

光学特性の結果は，シミュレーションに近い条件として白これらの結果は，市販品との性能比較で評価するのは価値

色コリメート光(垂直入射)を用いると，透過した拡散光を投があろう(13)(16) ．図 6 のように横軸に全透過率，縦軸に光影するスクリーン上にダイレクト光の輝点を生じ，また十字

拡散係数をとってトレードオフ関係を見やすくプロットし，模様の輝線が生じていた(12) ．十字模様は長方形ベースの構

市販品とこれまでの我々の結果を比べたのが図である．こ造ゆえの回折で，設計段階での空間対称性の問題であり，輝こで光拡散係数は，試料への垂直入射をそのまま延長した下点は作製時のエラー(凹凸比ずれ)などが考えられる．これらとし，小さい拡散(20°)
流方向(試料窓に対しては法線)を 0°

図13(a, b) LED 光源のスクリーン投影像で光拡散板の有無の比較．(c) (a, b)で透過率の角度分布測定結果．Reproduced
permission from (12), (c) The Optical Society．(オンラインカラー)

with

図14 異なる光拡散板について，拡散係数と透過率の比較．赤〇と緑□のプロットはそれぞれ市販品の結果で，補助線(点線)の通り，トレードオフの関係がわかる．他のプロットで青△は当初の理想形状( 3D )の計算結果，黄色◇はそれを実作用に 2D化したモデルの計算結果，紫◇は実作の測定結果である．Adapted with permission from (12), (c) The Optical Society．(オンラインカラー)

ま て り あ 第61巻 第 8 号(2022)
Materia Japanと大きい拡散(70°)の平均輝度を直入射に近い下流(5°)の輝様な用途に使えないのである．換言すれば，演色性自体は度で規格化した値である．従来の市販品に対しては，先述しLED 本体で解決できても，拡散しないと灯体は使えないこたトレードオフ関係がよく見て取れる．一方，理想構造(図とになる．

7 ( b ))のシミュレーション結果(図 9 )はそこから大きく外

その訴求は大きく，たとえば工芸分野では日本刀の展示をれ，さらに 3D → 2D の簡易化で設計した場合(図 11 )のシミ

例に挙げると「いかに刀身の姿，地鉄の肌合いや刃文，地ュレーション結果も同様である．最終的に実作の結果も，シ

刃・刃境・刃中の微妙な景色を展示の形態で提供できるか，

ミュレーションに比べれば特性低下が見られるものの，従来視覚に認識されるか，見えなければただの鋼棒となる．」がのトレードオフ関係を破る性能は発揮できている．

代表的な意見である(18) ．一方，そのために自然光を天空光

このように，3 条件「高い透過率，広角，虹色でない」をのように拡散し利用しようとすると，現状では建築構造に関並立するモルフォ型採光窓は，基本設計と原理実証についわる大型設備を要する上，天候に左右され，多くの場面で適て，基礎的な確認ができたと考えられる．加えて，拡散光の切な拡散照明がない(19) ．鑑定のように「正しく物を見る」

形状制御という従来不可能だった付加価値もある．考察と検必要性は，工芸・美術に限らず，手術・診断，精密加工技討に際し，ナノ加工技術(リソグラフィとエッチング)・シミ

術，各種の撮影，など実に多くの場面で現れる．

ュレーション・光学測定と制御は，反射型発色体で培った多理想的な拡散板を使用すると，こうした大規模設備は不要

くのノウハウが役立った．さらに今後の応用・高度化の展開となり，広範囲の訴求に耐える照明が可能になる．コストやでは，ナノインプリントによる量産技術とフレキシブルフィ

運用面において圧倒的な優位性があり，工学・技術，美術・ルム化など，共通して役立つ点も多い(4)．一方，トレードオ

工芸から多様な撮影現場など，それぞれの分野で有効な解決

フ離脱の限界値，つまり「高透過率と広角拡散」の極限の両法になる．

立がどこまで可能かはまだ未知数であり，加工自体にも課題

上記の現状を受け，照明に向けた光拡散板の開発例は学術が残るのは先に述べた通りである．また実用レベルの量産化的にも多く見られる．樹木の繊維構造や，高分子由来のしわとコストについてはむしろこれからの課題であろう．

による新技術の報告もあるが(文献( 12 )に引用多数)，いず
れもトレードオフ打破には厳しく，しかも前者(樹木)のよう.

光拡散板(ディフューザ)に固定形状だと，拡散光の形状制御の自由度に制限がある．
一方，本件のモルフォ型拡散板では，構造パターン次第で異これまで「採光窓」と「光拡散板」の語を，明確な区別な方性制御も可能である．

しに用いてきた．確かに採光窓は光拡散板の一種であり，両.

者の正確な峻別は難しい．しかし用途という点では，光拡散

ま

と

め

板には太陽光を前提とする「窓」以上に，「照明」への大きな可能性がある(4)．ここでは太陽光に対する「窓」と対照しモルフォチョウの矛盾に満ちた構造色の解明に端を発したて，人工照明に対する「光拡散板」を前提に，その価値につ本研究は，実証研究を皮切りに，その応用研究や多方面の生いて述べる．

産技術開発を経て，「反射」から「透過」へと新たな展開を

青色 LED の急速な普及に見られる通り，照明は視覚を支迎えている．

える肝であり，演色性(色の再現性)の高い光は常に希求され反射型発色体の技術開発では，大面積のフレキシブル化をている．ゴールは，あらゆる対象で本来の色彩が，天空下の実現した段階(2) で 2002 年以降 15 年ほどの研究歴があり，も太陽光で見たように再現できることである(17) ．現在普及しうモルフォチョウの話を続けるのもどうか，の思いが正直なている青色 LED は明るい反面，赤色成分が不足するため，ところ，筆者にはあった．しかしそれは不遜な勘違いで，自演色性の不足，つまりその照明下では本来の色が再現されな

然界の奥行はまだ深かった．透過への応用という発想自体はい課題がある．そこで紫色 LED により，全可視域の光で太すでに 10 年ほど前にあったが，技術・知識の機が熟してま

陽光下の演色性を可能にする照明の変革が叫ばれている．

ともにアプローチできるまでに時間がかかったこともあ

しかし変革にはピースが 1 つ欠けており，それが拡散でる(20)．

ある．屋内で対象を見るとき，天空の太陽光のような拡散光

自然に学んだ最大のポイントは，反射型同様，透過型でも源がないため，照明を用いる．しかしその拡散性には限界が「ナノスケール」の「乱雑さ制御」に基づく光学特性である．

ある．そこで現状は，反射板で光束を広げるか，光拡散板をその結果，入射光を「高透過率で」「広角に」通し「色づか通すのが普通である．ところが反射板では，光源と対象以外ない」理想的な光透過材が可能とわかった．光学的には「回に反射のための余計なスペースが必要になり，設置の自由度

折広がり」によるモルフォ型光拡散板は，多重散乱がないたに制限が大きい．一方，拡散板では上述の困難(透過率低め高透過率で，ナノの幅で広角に広がり，乱雑さゆえ色分散下，拡散不足)があり，拡散板で光を拡散できても，暗くながない．さらに回折広がりを与える微細構造の制御により，ったり色温度が変わったりしてしまえば，演色性は損なわれ

拡散光の異方性制御ができる(ディスプレイなど横方向に選る．つまり仮に LED 光源のスペクトルが太陽光と同じにな

択的に広い光が必要な例は多い上，立体角当たりの輝度を稼っても理想的な拡散光源からは遠く，自然光を理想とする多げる)．技術的にも，反射型でノウハウを蓄積したナノ加工




最近の研究

文

技術が役立ちナノインプリントでフィルム化もできるので，

献窓ならば既存の窓をそのまま活用でき，光拡散板でもコンパクトなため，広い波及効果が望める．
モルフォ型光拡散板は，オリジナルなテーマであり始まったばかりである．本稿でも述べた，輝点や十字線といった改善点(コリメート光源に限るが)や，性能向上による高度化(透過率・拡散度とも)，量産化やコスト低下など，今後の課
題はまだ多い．光拡散板としての見えざる用途もまだ潜在的に多くあるであろう．そうした出口から見た意見も参考にしつつ，今後の研究を発展的に進めてゆきたい．
特に省エネルギー・省材料と環境対応の長所は重要である．その意味でバイオミメティクス(生物模倣)という視野も，本研究には価値がある．モルフォ発色体以前に，ハスの葉の撥水効果に基づくヨーグルト容器の蓋や，流体抵抗の低いサメ肌水着，ひっつき虫(ゴボウの種)に学んだマジックテープなど，例には事欠かない(21) ．しかし昨今，より広範な生態系システムを模倣した大規模なバイオミメティクスが，
特に欧州で盛んに研究されている(22) ．つまり，海洋や森林といった広域の循環システム(エネルギー・物質・資源など)に学び，それらを建築・都市計画に生かす試みである．そうした「広域バイオミメティクス」は，上に挙げた個別の材料に比べ，社会全体への影響という点で遥かに広く，価値も大きい．むしろこれを「持続可能性への鍵」と位置づける視点もある一方(23) ，我が国ではその観点での集約的なネットワ
ークが少なく，限られた組織が孤軍奮闘している状況
で(24)(25) 遅れている．個人的には，生物界面(小は細胞膜か
ら大は皮膚・毛皮や羽・殻まで)のもつ多機能性は，注目に値すると考えている．そこはエネルギー交換，熱交換，物質
交換，ガス交換など種々のやりとりを支える現場であり，これを建築に生かさぬ手はない，という考えである(26)．生物
界面は，したがって上記の広域バイオミメティクスに位置付けられると同時に，個別の従来型バイオミメティクスとの橋
渡しにもなる．本稿の窓も光学的な「界面」素子であり，上に述べた「界面と広域バイオミメティクス」という意味での発展性も個人的には強く意識している．筆者は長らく，原子
スケールから構造色に至る「表面科学」研究に従事してきたこともあり，「表面界面」の視点による将来展望を述べて，本稿を終える次第である．
最後に，これまでお世話になった方々は大勢いるが，阪大( 1 ) A. Saito, S. Yoshioka and S. Kinoshita: Proc. SPIE, 5526
(2004), 188.
( 2 ) A. Saito, K. Ishibashi, J. Ohga, Y. Hirai and Y. Kuwahara: J.
Photopolym. Sci. Technol., 31(2018), 113.
( 3 ) S. Kinoshita, S. Yoshioka and K. Kawagoe: Proc. R. Soc. Lond.
B, 269(2002), 1417.
( 4 ) A. Saito, K. Yamashita, T. Hattori and Y. Kuwahara: Jpn. J.
Appl. Phys., 61(2022), SD0801.
( 5 ) A. Saito: in ``Biomimetic Photonics'', O. Karthaus, Ed., CRC
Press (2012), 96115.
( 6 ) A. Saito, J. Murase, M. Yonezawa, H. Watanabe, T. Shibuya,
M. Sasaki, T. Ninomiya, S. Noguch, M. AkaiKasaya and Y.
Kuwahara: Proc. SPIE, 8339(2012), 83390C.
( 7 ) A. Saito, K. Ishibashi, J. Ohga, Y. Hirai and Y. Kuwahara:
Proc. SPIE, 10593(2018), 105930C.
( 8 ) A. Saito, K. Ishibashi, M. Akai
Kasaya and Y. Kuwahara:
Proc. SPIE, 9429(2015), 942912.
( 9 ) A. Saito, K. Yamashita, T. Shibuya and Y. Kuwahara: J. Opt.
Soc. Am. B, 38(2021), 1532.
(10) K. Yamashita, Y. Kuwahara and A. Saito: Proc. SPIE, 11374(2020), 1137406.
(11) K. Yamashita, M. Fukihara, Y. Hirai, Y. Kuwahara and A.
Saito: Jpn. J. Appl. Phys., 59(2020), 052009.
(12) K. Yamashita, K. Kunitsu, T. Hattori, Y. Kuwahara and A.
Saito: Opt. Express, 29(2021), 30927.
(13) 住化アクリル販売株式会社，技術情報，https://www.sumikaacryl.co.jp/tech/tech04.html.
(14) 住化アクリル販売株式会社，技術情報，https://www.sumikaacryl.co.jp/tech/tech05.html.
(15) 三菱エンジニアリングプラスチックス株式会社 https://www.
m-ep.co.jp/product/youto/led/point.html.
(16) 三菱エンジニアリングプラスチックス株式会社 https://www.
mep.co.jp/product/youto/led/point02.html.
(17) S. Nakamura: Colorwith Soraa Founder Shuji Nakamura,https://www.soraa.com(18) 久保恭子照明学会誌，101(2017), 543548.
( 19) 小林 仁国際博物館の日記念シンポジウム 予稿集 2012.5.
28, 111.
(20) 齋 藤 彰 ， 渋 谷 拓 人 ， 森 本 健 太 ， 桑 原 裕 司  特 開 2015 
166753.
(21) 下村政嗣高分子学会 バイオミメティクス研究会(編集)，ト
コトンやさしい バイオミメティクスの本，日刊工業新聞社，(2016).
(22) J. Knippers, U. Schmid and T. Speck: Biomimetic architecture.
Learning from nature, Birkh äauser, (2019).
(23) E. Blanco, E. Cruz, C. Lequette, K. Raskin and P. Clergeau:
Biomimetics, 6(2021), 27.
(24) NPO 法 人 バ イ オ ミ メ テ ィ ク ス 推 進 協 議 会 http: // www.
biomimetics.or.jp/(25) 高分子学会バイオミメティクス研究会 https://main.spsj.or.jp/
c12/gyoji/biomimetics.php(26) E. Cruz: Ph.D. Thesis, Mus áeum national d'Histoire naturelle(2022).

(工)桑原裕司研究室の諸氏，とりわけ光拡散板では山下和真★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

氏の尽力が大きい．また，ナノインプリント技術に関しては大阪府立大・平井義彦名誉教授，基板ナノ加工プロセスでは
京大ナノテクノロジーハブ拠点の方々，灯体としての応用面
では NPO 法人フィールド・堀内保彦代表にお世話になった．ここに感謝の意を表する．
本研究は JSPS 科研費 JP26289249, JP19K22062の助成を
受けた．

齋藤

彰

1994年 3 月 東京大学工学系研究科博士課程修了
1994年 7 月 フランス政府給費留学生(欧州放射光施設)
1995年 8 月 高エネルギー物理学研究所 非常勤講師
1997年 3 月 大阪大学工学研究科 助手
2008年 5 月 現職
専門分野表面科学，応用光学，放射光◎放射光(硬 X 線)とプローブ顕微鏡による表面科学
研究から発展し，光とナノ構造の相互作用に基づく構造色・応用光学の研究に従事．ナノ構造による機能・特性の評価・設計・制御を中心に活動．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

ま て り あ 第61巻 第 8 号(2022)
Materia Japan