ウェストレイク大学のQiu Min氏のチームは、「フェムト秒レーザーによるインクレスカラー印刷」において重要な技術的進歩を達成した。

直径は2インチで、セミの羽のように軽いです。パターンにはインクを一滴も使わずに 13 色が含まれています。肉眼で見ても色彩が豊かで、長い間輝き続けます... 昨年の夏、ウェストレイク大学の新入生全員が入学許可書のギフトボックスを開けたとき、入学記念カードにちりばめられたこのユニークな「科学挨拶ギフト」のウエハース絵画に気づいて、うれしい驚きを覚えました。

実のところ、半年前のこのデビューは、科学者たちの最初の試みに過ぎなかった。最近、私たちはついにこの技術の完全な「真の姿」を垣間見ることができました。ウェストレイク大学のQiu Min氏のチームが、Nature Communicationsの最新号で「フルカラーのインクレス印刷のための構造色の高速レーザー書き込み」というタイトルの関連研究を解読しました。チタン窒化物とアルミニウムチタン窒化物という2つの超硬質セラミック材料からなる複合フィルムを特殊な「紙」として使用し、その表面を超高速レーザーでマイクロナノ加工することで「フェムト秒レーザーインクレスカラー印刷」を実現し、レーザーインクレスカラー印刷技術の産業応用に新たなアイデアを提供しました。

馴染みのある「インクベース」印刷

何か質問はありますか？

オフィスや家庭でよく見かける光景です。パソコンの「印刷」ボタンを軽く押すと、接続されたプリンターから効率よく紙が排出されます。非常に便利なことに、文書、グラフ、写真など、電子コンテンツのカラー紙バージョンを手に持つことができます。

明らかに、カラープリンターの普及により、これは何千もの家庭で日常的な習慣になっています。現在、世界のプリンターの年間販売台数は1億5000万台近くに達しています。

しかし、広く普及しているインクジェットやレーザーカラープリンターは大量のインクやトナーを必要とし、これらの顔料が環境に無視できない汚染を引き起こし、人体に害を及ぼすため、プリンターは環境汚染の重要な発生源の 1 つです。インクには、鉛、カドミウム、水銀、ポリ臭化ビフェニルなどの揮発性の有害物質や元素が一定濃度含まれています。プリンターが作動しているとき、トナーは人体に吸収される可能性のある微粒子を大量に放出します。研究によると、密閉された部屋でプリンターが稼働している場合、空気中の浮遊粒子の数は通常の 5 倍になるそうです。

「インク」を取り除くにはどうすればいいですか?人間は再び自然から「盗み」を行っている。

蝶や昆虫の色鮮やかな羽を間近で眺めたり、鳥の色鮮やかな羽根を観察したりした時のことを覚えていますか?鮮やかな色は体内の色素（化学色）によるものと思われるかもしれませんが、実は構造色（物理色）によるものです。微細な場所にある多数の秩序構造に光が当たると、屈折、拡散反射、回折、干渉などの反応が起こり、色が生成されます。実際、このプロセスでは「顔料」は使用されません。構造色は顔料に比べて色褪せしにくく、解像度が高く、環境保護にも優れているなどの利点があります。

では、自然の例に倣って、構造色をインクレス印刷に適用できるのでしょうか?

科学者たちは、超高速レーザーを使用して材料の表面にマイクロナノ構造を作成し、構造色を生成するという大胆な試み、つまり超高速レーザーカラー印刷技術を行ってきました。この技術では、光（レーザー）が「ペン」であり、特別に構造化された「キャンバス」の「作成者」でもあります。たとえば、身の回りにあるさまざまな従来の偽造防止コード紙は、レーザー誘起自己組織化ナノ格子によって生成される虹色を使用しています。偽造防止には一定の応用価値があるが、指定色のパターンを生成することはできない。カナダでは、この技術は硬貨や記念硬貨の印刷にも使用されていますが、印刷色域は狭く、標準 RGB 標準色システムの色域の 15% しかカバーしていません。貴金属の表面でしか生成できないため、材料に大きな制限があります。耐色性も悪く、色褪せやすいです。

つまり、科学者によるさまざまな調査や試みにもかかわらず、多かれ少なかれ「欠陥」が存在するのです。超高速レーザーカラー印刷の色域を広げる（つまり、より多くの色を印刷できるようにする）ことと、観察角度によって変化しない色を実現することは、現在のレーザー着色技術の研究では突破しなければならない重要な課題となっています。

セラミックを「紙」、レーザーを「ペン」として使う

どのような火花が散るのでしょうか？

ナノフォトニクスおよび計測技術研究所、これはウェストレイク大学の Qiu Min 研究室の「ビッグネーム」です。研究室長の邱敏氏は過去20年間、マイクロナノフォトニクスの分野の研究に注力しながら「光に向かって歩み」続けてきた。

過去 1 年間、Qiu Min 研究室の研究者は、超高速レーザーを使用してセラミック複合セラミックフィルムを処理するという革新的な提案を行い、超高速レーザーカラー印刷技術における重要な進歩を達成しました。

図1. 複合セラミックフィルム表面の超高速レーザー着色の原理の模式図

この技術の核心は、彼らが新しい「紙」を発明したという事実にあります。その厚さはわずか約 110 ナノメートルで、髪の毛の 1000 分の 1 にすぎません。この「紙」は 3 つの層に分かれています。図 1 に示すように、研究者は単結晶シリコン基板上に 50 ナノメートルの窒化チタンと 60 ナノメートルのアルミニウムチタン窒化物を順次めっきしました。最初の層、つまり上から下までの最下層は金属窒化チタンで、光反射層として機能します。その機能は光の浸透を遮断し、明るさを高めることです。 2 番目の層は、高損失チタンアルミニウム窒化物誘電体で、自然光の吸収を調整します。ご存知のように、物体の色は吸収する光によって決まります。 3 番目の層は酸化アルミニウムの最上層です。超高速レーザーがアルミニウムチタン窒化物の表面に作用すると、主に酸化アルミニウムからなる追加の透明膜が形成されます。アルミニウムチタン窒化物と連携して、吸収された自然光を調節します。

窒化チタンや窒化アルミニウムチタンは硬度が高いため、セラミック材料と呼ばれています。非常に軽い「紙」で作られたこの「セラミック」の層は、パターンを印刷する必要があるオブジェクトに取り付けられる「外側のコート」になります。

同時に、Qiu Min 氏のチームは「ペン」の別の用途を開発しました。このペンは依然としてレーザーですが、彼らの技術では、ペンはもはや物体の表面に直接構造を作成するのではなく、セラミックフィルム紙に「彫刻」します。レーザーをフィルムに照射し、入射レーザーのエネルギーや走査速度を制御することで、酸化膜（酸化アルミニウム）とアルミニウムチタン窒化膜の厚さを同時に変化させることができます。厚さが変化すると、入射する自然光は3層フィルム構造間の複雑な干渉効果を通過し、特定の反射色を形成します。こうして、図に示すように、豊かでカラフルな色彩が形成されます。 2a.

図2. レーザー印刷の典型的なカラーパレット（a）と色域範囲（b）

その後、研究者らはエネルギー分散型X線、X線光電子分光法、X線回折、集束イオンビームエッチングなどのさまざまな技術的手段を使用して、レーザー着色領域の材料分析を行い、観察された色がレーザー誘起酸化物層から生じたものであることを確認しました。つまり、彼らが開発した「紙」と「ペン」によって、ついに理想のレーザーカラーインクレス印刷が実現したのです。

カラフル、効率的、時代を超越した

美しい世界を取り戻す

科学研究のあらゆる前進は、現実的な検証から切り離すことはできません。短い祝賀会の後、研究チームはすぐに新しい技術の一連のテストを開始しました。

チタンナイトライドとアルミニウムチタンナイトライドという2つの超硬質セラミック材料で作られた「特殊紙」が、高速、高解像度、広い色域、大サイズ、観察角度に依存しない、経年劣化に強いフルカラーのインクフリーレーザー印刷を実現できることに、彼らは驚きました。

広い色域。現在、邱敏氏の研究室が発明した「フェムト秒レーザーインクレスカラー印刷」技術は、RGB標準カラーシステムの約90％を達成しており（図2bを参照）、現在主流のレーザー着色技術をはるかに上回っています。研究者らは、従来の「ステンレス鋼の表面にレーザー誘起酸化膜を形成する」というレーザー着色方式と比較して、前者は1つの変数のみで単層の酸化膜を形成するのに対し、レーザー誘起複合薄膜酸化は酸化膜（酸化アルミニウム）とアルミニウムチタン窒化膜の厚さを同時に変えることができるため、自由度が1つ増え、より広い色域が得られると説明した。

高速かつ高解像度。この技術により、高速かつ高解像度のフルカラーインクフリー印刷を実現できます。印刷速度に関しては、図3に示すように、この技術は記録破りの10cm2/sを達成しました。これは、A4用紙1枚を1分以内にフルカラーで印刷できることを意味します。印刷解像度に関しては、研究者らは10,000dpiでのカラー印刷を実証した。これは従来のインク印刷の最高解像度の10倍以上である。

見る角度によって色は変化しません。チタンアルミニウム窒化物の高い吸収特性により、その界面でかなりの位相差が生じ、膜厚の違いによって生じる観察角度による色の変化が相殺されます。簡単に言えば、この「羽毛コート」は非常に薄いため、色は基本的に 0 ～ 80° の範囲内のどの角度でも変化しません。これは、レーザー着色の分野におけるもう 1 つの難しい問題です (図 4 を参照)。

色彩は「時代を超越した」ものです。研究者らは一連の破壊実験を行い、高温多湿環境（ダブル85実験）での老化条件の試験、塩水噴霧環境での耐腐食性の試験、光退色や接着などの実験を行ったが、「フェムト秒レーザーインクレスカラー印刷」の成果は依然として「時代を超越した」ものである。これは、アルミニウムチタン窒化物の表面に形成された緻密な酸化アルミニウム膜が、良好な保護層として機能するためです。研究者らは、国家基準に従った一連の老化防止試験を実施した後、レーザーによってチタンアルミニウム窒化物に誘発される色差が依然として 7 未満であり、産業用途のニーズを完全に満たしていることをさらに確認しました。

図4. さまざまな角度から見たレーザー着色カラープレート

実験の最後のステップは、最も「カラフル」で「ゴージャス」です。これらがすべて工学部の学生グループによる「芸術傑作」だと信じられますか?

ピカソの有名な絵画「泣く女」

明代の有名な画家、邱英の「漢宮春朝図」——

王羲之の書「蘭亭序」

そのうち、「漢宮春暁図」は粗く磨かれていない単結晶シリコンの表面に印刷され、「蘭亭詩序」は柔らかい鋼箔に印刷されていた。これは、構造色も表現する従来のマイクロナノ加工技術（電子ビームエッチングやナノインプリントなど）と比較した場合、このレーザー印刷技術の大きな利点にもなります。

2022年、西湖大学の第一陣の学部生、楊振寧氏を含む西湖大学諮問委員会の20名以上のメンバーがこの技術の最初の証人となった（図5～6）。

図5. 西湖大学第一期生のために邱敏研究室の研究者が作った入学記念品

図6. 邱敏研究室の研究者が楊振寧氏に贈った記念品

この技術は将来私たちの生活をどのように変えるのでしょうか?研究チームのメンバーは、この自由回答形式の質問の答えは一般の人々に委ねられていると冗談を言った。 「想像してみてください。私たちが実現させます」 - 『流転の地球2』公開後、中国航天科技集団、中国石油天然気集団、中国石油化工集団、中糧集団などが映画の壮大なファンタジーに「反応」した。そして、この電話はまさにQiu Minのチームの声です。科学者の使命は、先人たちが到達できなかった領域を探求し、不可能を一歩一歩可能にすることです。

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この「光と影の傑作」をさらに進めよう

0から1への道は常に困難に満ちています。技術的なレベルでは、この論文の筆頭著者である Geng Jiao 博士は、最も困難だったのはパラメータのデバッグであると述べています。 RGB 標準色の約 90% を表現するために、レーザーとフィルムの出会いが正しい色の火花を生み出すまで、何百回も修正が加えられました。

このような変更の前例はありません。最も難しいのは、テクノロジー自体の「インスピレーション」を生み出すことができるかどうかです。実際、同研究所が開発した「紙」の主な構造、すなわち金属反射層の上に半導体吸収層を追加することは、構造色を生み出す伝統的なマイクロナノ加工の一般的な構造である。しかし、この構造をレーザー手段と組み合わせ、より適切な材料を置き換えてカラフルな色を「印刷」することは、「これまでに行われたことのない」試みです。

この技術の開発にはわずか1年ほどかかりました。このような効率的なイノベーションは、「先人」の功績によるだけでなく、チームの長年にわたる研究の蓄積にも基づいています。邱敏氏のチームは10年以上にわたり、マイクロナノ構造による光吸収の調節に関する研究を行ってきた。責任著者の一人であるShi Liping博士は、ドイツで博士研究員をしていたときに、シュトゥットガルト大学のHarald Giessen教授との長期にわたる協力を通じて窒化チタンという物質について学びました。超高速レーザーカラー印刷技術に関しては、シンガポール国立大学出身で現在は厦門大学に所属する洪明輝院士によるこの分野の詳細な調査により、チームはレーザーインクレスカラー印刷の既存の技術手段とボトルネックに注目するようになりました。昨年、研究チームは、超耐摩耗性を備えた超薄型カラー光学コーティングを実現するために、3 つの超硬質セラミック材料、窒化チタン (TiN)、窒化アルミニウム (AlN)、窒化チタンアルミニウム (TiAlN) を使用することを提案しました (PhotoniX に掲載)。この研究中に、チームは窒化チタンと窒化アルミニウムチタンの光学的および機械的特性に注目し、これら2つの材料をインクレス印刷技術に移行するというアイデアが生まれました...

もちろん、現在の結果が終わりを意味するわけではありません。そこには新たな課題が含まれており、新たな出発点でもあります。今後も、Qiu Min 氏のチームはこの技術の開発を続け、新たなブレークスルーを達成していきます。たとえば、レーザーと複合フィルムのパラメータを最適化し、レーザー印刷技術の色域をさらに広げ、彩度と色の明るさを向上させます。色を印刷したり消したりできる新しい素材を拡張し、印刷コストを削減します。人工知能技術と組み合わせることで、コンピューターが人間の目に代わって対応するカラーブロックを選択し、直接印刷できるようになります...彼らは「光」を追い続けます。

ウェストレイク大学は、この論文の唯一の完成単位です。 Geng Jiao博士が第一著者であり、Shi Liping博士とGuoqiang Chair Professor Qiu Minが論文の責任著者であり、共著者には博士課程学生のXu LiyeとYan Wei博士が含まれます。この研究は、中国国家自然科学基金と浙江省自然科学基金の資金提供を受け、西湖大学のマイクロナノ処理プラットフォームと物理化学試験プラットフォームの技術的支援を受けて行われました。

オリジナルリンク:

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36275-9