基本 上 在 兩 個 維度 上 比如說 一些 孔洞 或是 一些 柱子 那 在 平面 上 去 排列成 有 規則 的 形狀 三維 的 光子 晶體 是 拿 一些 小球 排列成 三維 的 形狀 最早 模仿 光子 晶體 結構 的 設計 就是 眼鏡片 上 的 多 層膜 這 也 是 最 簡單 的 一 維 光子 晶體 多 層 膜鏡片 以 電腦 真空 鍍膜 技術 在 鏡片 上 機鍍 五 層 以上 薄膜 藉以 減少 反光 增加 可見光 的 透光率 隔絕 紫外光 的 穿透 減少 紫外線 直接 穿透 鏡片 傷害 我們 的 眼球 因為 以前 沒辦法 做到 那麼 小 的 光子 晶體 在 這 十 年 內 我們 有 很 好 的 奈米 製程 技術 那 現在 我們 可以 做到 那麼 小 的 光子 晶體 並且 我們 去 控制 它 的 大小 位置 控制 我們 要 出來 光 的 波長 甚至 光出來 的 方向 然後 並且 去 應用 它 光子 晶體 最 重要 的 意義 是 你 控制 它 的 位置 大小 你 就 能 控制 光 的 行為 大自然 給 我們 的 材料 或許 有 其 限制 可是 光子 晶體 它 排列 的 方式 是 無窮 的 只要 把 相同 的 材料 相 對應 的 位置 調整 一下 我們 就 可以 去 控制 光 的 路徑 透過 蝴蝶 的 翅膀 我們 了 解到 光子 晶體 與 光線 之間 的 奧妙 但是 科學家 們 又 能 用 光子 晶體 來 做 些 什麼 呢 除了 眼鏡 鏡片 上 一 維 光子 晶體 的 應用 外 日本人 也 根據 摩爾佛蝶 的 翅膀 研發出 一 款 特別 的 布料 被 稱為 morphotex 穿 在 身 上 隨著 身體 的 擺動 布料 會 反射出 金屬 般 的 光澤 目前 光子 晶體 的 研究 常見 於 LED 光子 晶體 雷射 與 光子 晶體 光纖 傳統 LED 發出來 光 的 效率 不如 把 光子 晶體 加上去 因為 光子 晶體 會 讓 你 發光出來 的 光 更多 不會 耗 那麼多 能量 並且 增加 亮度 比如說 你 現在 這 個 系統 發 1 燭光 你 加 了 光子 晶體 你 可能 會 增加 到 2 燭光 甚至 3 燭光 更多 應用 在 未來 新一代 的 電視 螢幕 上 預期 可以 達到 增加 螢幕 亮度 與 節省 能源 的 功能 新 的 方式 是 用 LED 去 做 這些 液晶 螢幕 如果 把 LED 加上 一些 光子 晶體 或是 加上 一些 微 結構 光 不會 四面 發散到 不同 角度 只要 讓 光 往 這邊 出來 其他 地方 不 出 光 你 能量 耗損 就 可以 減少 很多 現在 看到 一些 LED 的 面板 就 是 液晶 螢幕 越來越 多 而且 越來越 亮 而且 越來越 省電 目前 LED 電視 是 使用 LED 背光源 還 沒有 真正 將 光子 晶體 應用到 一般 的 顯示器 但是 一 家 手機 晶片 製造 大 廠 則 是 看好 可攜式 電子 閱讀器 的 市場 利用 光線 干涉 的 原理 研發 新一代 的 面板 顯示 技術 IMOD 這樣 的 技術 靈感 當然 也 是 來自 蝴蝶 翅膀 我們 吹 那 個 泡泡 的 時候 看到 泡泡 的 表面 好像 有 很多 的 顏色 也 是 因為 不同 的 這 個 空氣 的 厚度 光線 折干 涉 而 產生 不 一樣 的 這 個 顏色 光線 射到 蝴蝶 翅膀 上面 因為 這 個 薄膜 的 厚度 薄膜 的 間隙 不 一樣 會 產生 不 一樣 的 顏色 主要 也 是 從 這 種 光線 干涉 光線 造成 不同 的 顏色 而 讓 我們 激發 這樣 的 靈感 利用 現有 的 這 個 生產 設備 來 製作 利用 光線 本身 從 外面 反射 進來 而 利用 這 個 不同 的 空氣 間隙 來 製造 不同 的 顏色 基本 上 是 透過 兩 個 膜 那 就 是 上面 一 個 穿透膜 下面 一 個 幾乎 是 全 反射 那 穿透膜 呢 的 光線 透過 最 底部 的 反射膜 它 會 反射 光線 薄膜 的 厚度 比較 厚 的 時候 通常 都 是 比較 接近 紅色 的 波長 比較 薄 的 時候 接近 比較 綠色 的 波長 顏色 是 因為 這 兩 個 薄膜 間 的 這 個 厚度 不 一樣 而 讓 這 個 不同 波長 的 光線 產生 了 干涉 利用 光學 共振腔 來 干涉 光 的 波長 產生 不同 的 顏色 但是 要 如何 精準 的 控制 螢幕 的 顯色 則 是 另 一 個 大 學問 近年 來 發展 日趨 成熟 的 MEMS 微機電 技術 利用 電流 來 控制 薄膜 的 開關 是 這 個 顯色 技術 的 重要 研發 門檻 基本 上 我們 只有 三 種 間隙 在 控制 有 紅色 的 間隙 藍色 的 間隙 綠色 的 間隙 讓 有的 間隙 開 有的 間隙 不 開 會 形成 不同 的 顏色 就是說 等於 是 混色 在 一 個 簡單 的 這 個 畫素 裡面 做 了 三四十 個 微 機構 來 控制 不同 的 深淺 的 顏色 而 不 是 真的 控制 不同 的 厚度 現在 顯示器 一定 要 打背 光源 要不然 就 看 不 到 那 另外 一 個 最 大 的 問題 液晶 本身 它 只 會 讓 這 個 光 透過 大概 10% 90% 其實 上 都 是 沒辦法 通過 所以 我們 叫做 光 的 使用 效率 很 差 那 我們 不 一樣 我們 利用 環境 光 反射 反射率 通常 都 在 30% __UNDEF__ 40% 比 那 個 10% 好 很多 因為 大家 用 過 現有 的 顯示器 就 知道 拿到 太陽光 底下 基本 上 是 幾乎 很 難 看到 的 我們 是 利用 環境 的 光 做 反射式 的 所以 環境 光 越 強 我們 就 看 得 越 清楚 透過 環境 光 的 反射 螢幕 的 亮度 就 會 增加 相對 也 減少 了 用電量 這樣 的 技術 不但 讓 未來 的 可攜式 電子 閱讀器 更 輕巧節 能 還 多 了 一 個 保護 眼睛 的 功能 因為 一般人 最 舒適 最 常 看到 的 東西 都 是 反射式 的 只有 看 電視 看 螢幕 是 光 直接 會 打到 眼睛 為了 維護 你 的 眼睛 保護 眼睛 要 常常 看 外面 綠色 是 反射 的 而 不要 老是 只 看 螢幕 看 電視 這 都 是 直視 的 依循 大自然 古老 的 原理 結合 新穎 的 科技 所 製造出來 的 反射式 顯示器 顏色 飽和度 還 有待 加強 也 是 目前 還 未 能 大量 普及化 的 原因 地球 繞 著 太陽 運行 地球 上 生生不息 的 生物 也 都 與 太陽 息息相關 那麼 源源不絕 的 太陽 光 能 是 不 是 能夠 被 我們 有效 的 利用 呢 現在 我們 大量 地 使用 太陽能板 來 吸取 太陽 光能 但 還是 問題 重重 其中 之 一 是 太陽能 電池 的 效率 太 低 因為 太陽能 電池 的 抗 反射 塗層 含有 矽 的 成分 而 矽 的 反射率 偏 高 有 高達 1/3 的 陽光 被 反射掉 無法 有效 地 被 吸收 轉化為 電能 __UNDEF__ 生物 奈米 結構 啟發 了 科學家 的 靈感 如果說 具有 光子 晶體 的 蝴蝶 翅膀 是 反射 光線 的 經典 那麼 蛾眼 結構 就 是 不 反光 的 代表 之 作 __UNDEF__ 交通 大學 光電所 的 余沛慈 老師 主要 研究 領域 為 奈米 結構 與 太陽能 電池 的 應用 基本 上 蛾 是 夜間 飛行 的 動物 那 牠 眼睛 不 反光 的話 牠 的 天敵 在 牠 飛行 的 時候 並 不會 感覺到 牠 的 存在 所以 這 是 一 個 自然界 生物 自我 保護 的 一 個 功能 蛾 的 眼睛 的 構造 是 次 波長 的 結構 是 斜率 的 漸 變 就是說 它 的 結構 的 大小 呢 比 光波 的 波長 小 一 個 尺度 所以 對 光 來 說 光 就 不會 感覺到 這 個 改變 就 沒有 反射 的 發生 蛾 眼 角膜 上 的 奈米級 小 突起 上面 有 斜率 的 漸 變 讓 入射 的 光線 漸漸 被 吸收 不會 反射 回去 科學家 發現 蛾眼 結構 的 特性 可以 有效 改善 太陽能 電池 因為 矽晶 反射率 過 高 的 問題 只要 在 表面 上 加 一 層 模仿 蛾眼 結構 的 抗 反射層 就 可以 有效 降低 光 反射 比例 光 在 入射 到 蛾眼 結構 的 時候 不管 是 任何 波長 的 光 它 的 反射 的 損失 都 可以 減少 所以 應用 在 太陽能 電池 上 可以 有效 的 增加 對 太陽 光寬 頻譜 的 光源 的 吸收 如果 沒有 抗 反射層 的話 這 個 光 的 反射率 是 35% 但是 如果 我 有 很 好 的 抗 反射層 的話 這 個 反射率 可以 降到 3% 以下 這 個 聰明 有 效率 的 蛾眼 結構 目前 生產 的 成本 還是 太 高 無法 大量 使用 未來 呢 是 希望 這 種 蛾眼 結構 呢 可以 用 便宜 的 半導體 製程 的 方法 做成 特別 是 大 面積 的 製程 那 這樣子 它 應用 在 太陽能 電池 上 呢 就 不會 只 限制於 單一 波長 而是 它 可以 用 在 更 寬 頻譜 的 應用 應該 是 在 二 三 年 內 我們 就 可以 看到 奈米 結構 應用 在 太陽能 電池 上 蛾眼 因為 吸收 了 光線 可以 隱身 在 黑暗 中 有 些 生物 則 是 藉由 改變 身 上 的 顏色 來 達到 隱形 的 效果 烏賊 和 變色龍 藉由 改變 身 上 的 顏色 成為 自然界 中 的 偽裝 高手 特別 是 烏賊 變色 的 速度 遠遠 勝過 變色龍 烏賊 呢 本來 在 這 個 黑色 環境 牠 比較 暗 身體 表面 比較 暗 可是 牠 可以 在 瞬間 到 白 的 環境 呢 牠 身體 就 變 白 跟 環境 可以 融合 在一起 烏賊 的 神經 系統 可以 調控 色素 細胞 的 分布 和 收縮 讓 自己 在 短 時間 內 迅速 改變 體色 達到 偽裝 的 目的 當 牠 要 變成 深色 的 時候 牠 的 色素胞 就 開始 分散 白色 的 環境 牠 色素 細胞 全部 集中 所以 這 個 是 牠 一 個 很 迅速 能夠 變裝 的 能力 了解 動物 如何 隱身 後 我們 也 可 透過 類似 的 原理 達到 隱形 的 效果 嗎 電影 情節 中 哈利波特 擁有 一 件 神奇 的 隱形 斗蓬 只要 披 在 身 上 就 可以 完全 隱身 這 是 許多 科學家 們 現在 正 致力 研發 的 材料 我們 普通 說 一 個 折射 就 是 一 道 光 入射 到 某 一 個 表面 之後 折射光 呢 跟 入射光 呢 它 會 在 法線 的 兩 邊 負 折射 的 介質 就 是 變成 折射光 會 回到 法線 的 同 一 邊 負 折射 介質 後來 改 了 一 個 名字 就 叫做 超穎 材料 假設 我 做 一 個 圓形 的 殼 安排 它 不同 的 介電 常數 跟 不同 的 磁導率 從 外面 射進來 的 光 會 沿著 這 個 球殼 繞 繞出去 之後 它 所 走 的 方向 就 像 是 沒有 這 個 球殼 的 時候 直接 過來 的 那 個 方向 真正 的 光線 有 繞過 這 個 球殼 但是 這 部分 就 沒有 被 看到 就 像是 隱形 了 我們 人 眼 會 看到 東西 其實 是 你 身 上 的 光 反射到 人 眼 對 隱形 材料