美科學家研製出低成本的抗反射薄膜：仿蛾眼納米結構！

導讀

大自然往往會為科學研究帶來靈感。最近，美國中佛羅里達大學的研究團隊受到了蛾眼納米結構的啟發，開發出一種抗反射膜，有效地解決了屏幕反光的問題。

關鍵字

光學、智能手機、顯示屏

背景

我們可以想象如下的應用場景：當你處於戶外強光條件下，觀看智能手機屏幕上的畫面，由於屏幕發生反光甚至產生眩光，不僅降低了屏幕畫面的可見度，而且會引起視覺不適，甚至傷害眼睛健康。許多用戶都曾被這種現象困擾過，它確實是具有顯示屏的數碼產品的一大痛點。

對此，最直接的方法就是走向陰暗處，避免強烈的環境光照射屏幕，雖然這樣做是有效的，但是會影響用戶體驗的便捷性和流暢性。所以，如今許多智能手機都採用了感測器監測環境光亮度，通過提高屏幕的亮度級別，應對強烈的屏幕表面反射。這種自適應的亮度控制雖然增強了屏幕在陽光下的可視性，但是它會消耗更多的電能。

為了尋求更好的方案，科學家們需要靈感，然而靈感來自何方？大自然是科學研究最佳的靈感源泉。之前，筆者介紹過許多從大自然中汲取靈感的創新研究，用幾個例子帶大家回顧一下。

例如，在《「複眼技術」攝像頭：讓智能手機未來變得更薄！》一文曾介紹過，德國弗勞恩霍夫研究院的科研人員受到昆蟲複眼的啟發，研發出一種工藝能夠生產厚度只有2毫米的平面攝像頭。

（圖片來源：維基百科）

《新石墨烯電極：靈感來源於分形植物，為產業發展萌發新希望！》一文中曾介紹過澳大利亞皇家墨爾本理工大學的科研人員，受到美洲蕨類植物的啟發，開發了一種具有開創性意義的新型石墨烯基電極原型。

（圖片來源：皇家墨爾本理工大學）

《科學家研究蝗蟲嗅覺 設計仿生學感知系統》一文中曾介紹過美國聖路易斯華盛頓大學通過研究蝗蟲的嗅覺，設計出新型仿生機器人感知系統，可應用於安全領域。

（圖片來源：聖路易斯華盛頓大學）

創新

今天，我要介紹的創新技術成果也不例外。最近，美國中佛羅里達大學（CREOL）光學和光子學院的 Shin-Tson Wu 領導的研究團隊受到了蛾眼納米結構的啟發，開發出一種抗反射膜，有效地解決了屏幕反光的問題。這一新型抗反射塗層的相關論文發表於《Optica》雜誌。

（圖片來源：維基百科）

這種抗反射膜的表面反射率只有0.23%，而研究團隊稱iPhone屏幕的表面反射率達4.4%。相比之下，這種反射膜的表面反射率要低許多。這種新型薄膜含有統一的「小酒窩」，每個直徑差不多是100納米（不到人類髮絲寬度的千分之一）。

（圖片來源：Shin-Tson Wu/中佛羅里達大學）

技術

蛾眼為什麼會具有如此神奇的效果？因為蛾眼具有一種抗反射的納米結構，提高了光線吸收能力。因此，飛蛾可以在黑暗條件下活動，且由於其眼睛反射的光線減少，有利於它們躲避天敵的注意，使它們躲過捕食者的注意。

對於蛾眼納米結構的科技應用來說，有一些研究小組已採用它減少太陽能電池的表面反射。因此，Wu 和他的團隊認為這項技術也適用於移動設備。

不過，蛾眼納米結構要應用於移動設備例如智能手機，還需要克服一些技術挑戰。對此，論文的第一作者Guanjan Tan 這麼說：

「儘管蛾眼結構可以減少表面反射，但是將具有這種納米結構的抗反射薄膜製造得足夠大，可以用於移動手機或者平板電腦，這一點相對困難。這些結構很小，需要高解析度和高精度的製造技術。 」

為此，研究人員開發出一種新型製造技術，採用自組裝的納米微球形成精準模板，用於在塗層上創建仿蛾眼的結構。這項工藝的簡單性和精準性，有利於在用於智能手機的足夠大的薄膜上，製造出這種複雜結構。

另外，研究人員也設計了計算模型模擬塗層的光學性能，這種模型準確地體現了實驗結果。之後，研究人員使用這種模型優化蛾眼納米結構，使之達到最佳性能。

價值

對於這項創新研究的價值，首先我們看看是Wu 是怎麼說的：

「在智能手機和平板電腦上使用我們的柔性抗反射薄膜，將使得屏幕更亮，清晰度更高，即使在戶外觀看時也是如此。除了具有低反射率，這種受自然啟發的薄膜也耐划傷，並且可以自潔，保護屏幕免受灰塵和指紋的影響。」

這種優化后的薄膜的測試結果顯示，在太陽光下觀看時，覆蓋這種新型薄膜的玻璃在對比度（最亮的白色和最暗的黑色之間的區別）方面有超過4倍的提升。當在陰暗處觀看時，具有這種新型薄膜的玻璃在對比度方面有約達10倍的提升。研究人員也採用了標準的工業程序測試其柔韌性、耐划傷和自潔功能。

研究團隊的關鍵成員之一，台灣大學的Jun-Haw Lee 稱：

「我們的測量結果顯示仿蛾眼的抗反射薄膜具有卓越的光學性能和機械強度。我們的薄膜提供了有效而且低成本的方法，降低了表面反射並且提高了移動設備在陽光下可視性。」

這種塗層也可以用於柔性顯示設備，比如可以像書本一樣摺疊的手機屏幕，有望於明年上市。

未來

研究人員目前在正在致力於進一步提高抗反射薄膜的機械性能，包括在表面硬度和彈性之間尋求最佳的平衡，讓薄膜表面足夠堅固耐用，從而可以作為觸摸屏長期適用。他們也在使用模擬模型進一步優化蛾眼結構的形狀和尺寸，獲取比以往任何創意更好的光學性能。

參考資料

【1】http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/new_screen_coating_makes_reading_in_sunlight_a_lot/

【2】G. Tan, J.-H. Lee, Y.-H. Lan, M.-K. Wei, L.-H. Peng, I.-C. Cheng, S.-T. Wu, 「Broadband Antireflection Film with Moth-eye-like Structure for Flexible Display Applications,」 Optica, Volume 4, Issue 7, 678-683 (2017).DOI: 10.1364/OPTICA.4.000678

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