メタマテリアルの応用例｜透明マントや完全レンズの原理とは？

これまでの技術では成し得なかったモノ・コトが実現できるとして、近年、研究・開発が進んでいるメタマテリアル。今回はこのメタマテリアルの応用例について、透明マントや完全レンズといった代表的なものから、私たちの身近なところで実用化が進んでいるメタサーフェス反射板、電子・電気機器に欠かせないEMC対策への応用などをご紹介しています。

また記事前半ではメタマテリアルに関する基礎知識にも触れていますので、ぜひ参考にご覧ください。

メタマテリアルの基礎知識

メタマテリアルとは「自然界を超越（メタ）した人工的な材料（マテリアル）」を指します。その名の通り、自然界の物質にはない物理的特性を持たせることで、これまで実現不可能とされていた技術を叶えることがメタマテリアルの目的となります。

メタマテリアルは電磁波や音波などの波長より小さな材料を、その波長よりも小さな間隔で並べる構造ユニット「メタ原子（メタアトム）」によって構成され、例えば可視光を制御したい場合は、可視光の波長（約400〜700nm）よりも小さなサイズ・間隔でメタ原子を設計します。

関連記事：メタマテリアルをわかりやすく解説｜メタ原子や負の屈折率とは？

電磁メタマテリアルの特性

メタマテリアルはとりわけ電子工学分野における発展が期待されており、このような電子的・電磁的な応答のために設計されたメタマテリアルを「電磁メタマテリアル」と呼んでいます。

電磁メタマテリアルは、物質の磁化のしやすさを表す透磁率と、分極のしやすさを表す誘電率を設計次第で自由に制御することができ、例えば、透磁率と誘電率を負とすることで、自然界では通常見ることができない負の屈折率が実現可能となります。

また、透磁率と誘電率のいずれか一方を負にすると、電波を遮断する周波数帯域（EBG／Electromagnetic Band Gap）を作り出すことができます。電子・電気機器では電磁両立性（EMC）を実現するための対策が求められますが、電磁メタマテリアルを応用したEBG構造の登場により、EMC対策の可能性が広がったと研究が進められています。

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その他のメタマテリアルについて

メタマテリアルは電磁波の制御が可能な電磁メタマテリアルの他にも、音波を制御することを目的とした音響メタマテリアルや、触覚の制御を目的とした触覚メタマテリアルなどがあります。

また波や振動の伝播に関する制御以外に、製造分野においても、材料に対して特異な性質や形状を持たせることが可能です。

メタマテリアルの応用例

次にメタマテリアルの応用例について、代表的な事例を3つご紹介します。

応用例①：透明マント

メタマテリアルの応用例として最も注目されているのが、物体を周囲の風景に溶け込ませる「透明マント」です。この技術は光学迷彩といい、光学的に対象を透明化する技術を指します。

自然界にはカメレオンやタコなど周囲の風景に自ら擬態できる生物がいますが、人間が擬態するモノを作りだすことは不可能だとされていました。

というのも、モノを周囲の風景に溶け込ませるには、「①物体が光を反射しないこと」と「②背景からの光が遮られないこと」の2つの条件をクリアする必要があるからです。

透磁率と誘電率が自由に制御できるメタマテリアルを応用すれば、負の屈折率を利用して、物体が光を反射しない状況が実現できるので、1つ目の条件がクリアされます。

また、光は屈折率が高いほど遅くなり、逆に低いほど速くなる性質があるため、メタマテリアルの屈折率を1未満に設計すると必然的に移動速度が速くなります。2つ目の条件である「背景からの光が遮られない状況」を実現するには、物体の背景にある光が物体を迂回する速度と、物体周辺にある物体を迂回しない光の速度が同時に見る人に届く必要があるのですが、メタマテリアルの負の屈折率次第で、理論上は両者の速度を一致させることができるのです。

メタマテリアルを使った透明マントは技術的な課題や制約が多く研究段階ですが、すでに実証実験に成功している事例も挙げられています。

応用例②：完全レンズ

メタマテリアルの応用例の一つに、「完全レンズ」と呼ばれる技術があります。完全レンズは物体の像を完全に再現できるレンズで、メタレンズやスーパーレンズとも呼ばれています。

物体の像を完全に再現するには、レンズの解像度を極限にまで上げなければなりません。

しかし、光の波長よりも細かな情報を得ることはできないため、従来のレンズでは解像度に限界があります。

そこで、波長より小さい構造の観察が可能なエバネッセント波を利用する方法が考えられました。エバネッセント波とは、物体に当てたときにわずかに染み出す電磁場の変動であるエバネッセント場から放出される電磁波です。

ただ、通常の屈折率を持つ媒質中ではエバネッセント波は物体を離れると急速に減衰してしまいレンズとして機能しません。一方、屈折率が負の値を持つ媒質中では、反対に振幅が増大します。

つまり、この負の屈折率の特性とエバネッセント波を駆使すれば、理論上は無限の解像度が実現できるというわけです。

透明マントと同様に、無限の解像度を実現するには技術的な課題が多いものの、同じくメタマテリアルを応用したハイパーレンズやfar-fieldスーパーレンズはすでに成功が報告されています。

応用例③：メタサーフェス反射板

インターネット通信などに使用する5Gミリ波帯は、ミリ波の特性上、指向性が非常に強いため、建物などに遮られて電波が届きにくいエリア（不感地帯）が存在します。そのようなエリアに対して電波が届くようにと開発されたのが、メタマテリアルを二次元構造体にして使用したメタサーフェス反射板です。

メタサーフェス反射板は電波を反射させて電波の方向を変える装置で、開発当初は、設置した際に決めた方向・エリアにしか反射させられないという点がデメリットとして存在しました。

このデメリットを解消したのが、株式会社KDDI総合研究所と株式会社ジャパンディスプレイが共同開発した「液晶メタサーフェス反射板」です。液晶メタサーフェス反射板は、電波環境や人の分布変化に応じて、柔軟に電波が通じにくいエリアをカバーすることに繋がりました。

またメタサーフェス反射板は建物の壁や窓に設置して使用するのが通常で、特に建物が密集する場所などでは景観を損ねてしまう点が課題となっていました。

しかし近年、株式会社NTTドコモとAGC株式会社が建物の窓に直接メタサーフェス反射板を組み込む透明動的メタサーフェスを共同開発したことで、景観に対するハードルを低下させることに貢献しました。

参考：世界初　電波の反射方向が変えられる液晶メタサーフェス反射板の開発に成功～5G本格展開時代に向け、サービスエリアを柔軟に拡張可能～
　　｜株式会社KDDI総合研究所
参考：（お知らせ）世界初、28GHz帯5G電波の透過・反射を動的制御する透明メタサーフェス技術の実証実験に成功-高い透明性で景観を損ねずに柔軟な5Gエリアの拡大を実現-＜2020年1月17日＞
　　｜株式会社NTTドコモ

メタマテリアルは様々な分野で応用されている

今回は電磁メタマテリアルの応用例についてご紹介しましたが、メタマテリアルが活用されている製品やサービスは幅広く、例えば製造・建築・建設業などでは、遮音材や吸音材といった資材への応用も進んでおり、すでに実用化されている例もあります。

なお、株式会社エーイーティーでは、電磁メタマテリアルに関するレポートやセミナーなどを随時公開していますので、ぜひ参考にご覧ください。

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