JP4731759B2

JP4731759B2 - 発色体

Info

Publication number: JP4731759B2
Application number: JP2001241496A
Authority: JP
Inventors: 彰 ▲さい▼藤; 修一木下
Original assignee: 彰 ▲さい▼藤
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2021-08-09
Also published as: JP2003053875A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発色体、特に構造色を発する発色体に属する。
【０００２】
【従来の技術】
分子や固体そのものの電子的な性質により発色する色素と異なり、それ自体には色が無く光の反射、干渉、回折などの作用で発色する構造体は、紫外線による経時変化が少なく且つ光沢が出やすい等の利点を有することから、自動車の塗装方法や繊維への着色手段として期待されている。
このような発色構造体として、例えば屈折率の異なる２種の高分子物質を交互に積層した構造を有するもの（特開平７−３４３２４、特開２０００−２４６８２９）や、ラメラを備えたもの（特開平９−１５７９５７）が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来提案された発色構造体には、構造色を有する自然物として有名なモルフォチョウに匹敵するほど強く反射したり、きらきらと輝いたりするものは無い。
それ故、この発明の課題は、モルフォチョウのように眺める角度変化によって色が緩やかに変化し、且つ緩やかな波長分散、奥行きのある色合い及び高い反射率を有する発色体を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するために、この発明の発色体は、
垂直方向への反射が最も強められるべき可視光線の波長をλとするとき、高い屈折率ｎ１と所定の厚さｄ１と波長λより小さい幅を有する高屈折率層と、低い屈折率ｎ２と所定の厚さｄ２と波長λより小さい幅を有する低屈折率層とが交互に積層され、λ＝２（ｎ１×ｄ１＋ｎ２×ｄ２）を充足する複数の積層体が、波長λより短い１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の間隔で基材上に平面方向に配列し、且つ前記各積層体が隣の積層体と１／２層〜２層の範囲で乱雑に異なる高さを有していることを特徴とする。
【０００５】
この発明の発色体は、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層された積層体を有するので、入射光が各段の高屈折率層で反射し、その反射光のうち、高屈折率層及び低屈折率層の各屈折率及び厚さとによって定まる前記特定波長λの光が干渉によって強められたり打ち消し合ったりする。
【０００６】
しかも積層体の幅がその波長より小さいので、強められた反射光が回折効果によって空間的に広がるとともに、そのような積層体がその波長より短い１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の間隔で配列しているので、フォトニックバンド効果により高い反射率が得られる。よって、高い反射率を有しつつ、眺める角度によって色が緩やかに変化する。なお、積層体の間隔が１０ｎｍよりも狭くなると近似的に連続体となるので回折効果による光の広がりが得られず、他方３００ｎｍよりも広いとフォトニックバンド効果が得られないので、間隔を上記の通りに限定した。この点、上記従来の発色構造体がいずれも間隔を波長λ以下に限定することをしていないため、高反射率を得る条件に相当しないのと著しく相違する。
【０００７】
更に、各層の厚さから決まる、強めあう波長が可視光線の波長に近似していて例えば波長４８０ｎｍ（青色）の光に対して垂直方向に最も強く反射するとすると、それより短波長、例えば波長４２０ｎｍ（紫色）の光は干渉により打ち消し合うので垂直方向にはあまり反射しないが３０度方向には逆に干渉により強め合うので４８０ｎｍよりも強く反射する。ただし、積層体が平面方向に長く連続しているのではなく、上記の通り光の波長より小さい幅のものが所定の間隔で断続しているので、ゆるやかな波長分散をもつ奥行きのある色合いが発せられる。この点、上記従来の発色構造体がいずれも虹色反射の和算効果しか生じないのと著しく相違する。
【０００８】
このような作用を顕著にするために、積層体の寸法としては、高屈折率層の厚さが３０〜１２０ｎｍ、低屈折率層が６０〜３００ｎｍで、各積層体の幅は１００〜４００ｎｍ以下が好ましく、各層の光学距離を同等にするために高屈折率層よりも低屈折率層を厚くするのが好ましい。尚、基材としては積層体を所定の配列で固定できる物であれば良く、限定されない。例えば各層が後述の無機質誘電体薄膜からなる場合、ガラス基板とすれば発色体を完全に固体無機材料で構成することができる。
【０００９】
この発明の発色体において、前記各積層体が、隣の積層体と１／２層〜２層の範囲で乱雑に異なる高さを有することから、各積層体からの回折光の位相が積層体の高さの不規則性によって乱雑となり、空間内で偶然干渉し合うスペックルとなるので、きらきらと輝いて見える。
【００１０】
前記高屈折率層又は低屈折率層を構成する材質としては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＳｉＯ、ＳｎＯ₂、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＰｂＣｌ₂、ＰｂＯ、ＴｉＯ₂、ＴｉＯ、ＺｒＯ₂、ＣｅＯ₂、ＣｅＦ₃、ＺｎＳ、ＭｇＯ、ＮａＦ、ＭｇＦ₂などの無機質誘電体薄膜のうちから選ばれる１種以上からなるものが挙げられ、このように無機質で構成することで耐熱性及び耐光性が向上し、また屈折率の範囲も広がる。これらのうちで屈折率比を大きくして反射率を高めるために、高屈折率層がＣｅＯ₂、ＰｂＯ、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＰｂＣｌ₂、ＴｉＯ₂、ＺｎＳ、低屈折率層がＳｉＯ₂、ＭｇＦ₂の組み合わせが好ましい。
更に前記積層体と基材との間に光吸収体が形成されていると、特定波長の光のみを吸収するので、色合いを変化させることができる。更に、その光吸収体をアルミニウム、金、銅、クロムなどからなる金属薄膜とすると、反射光に光沢が加わる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明の発色体の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、実施形態の発色体を示す断面図である。
発色体１は、表面が３０ｎｍ〜４００ｎｍ程度のランダムな粗さとなるように研磨されたガラス基板２と、ガラス基板２の表面上に形成された金属薄膜３と、その上に溝７を隔てて配列した多数（図示は４個）の積層体４とからなる。積層体４は、５段の高屈折率層５及び４段の低屈折率層６を交互に積層して形成されたもので、高屈折率層の厚さＤは３０〜１２０ｎｍ、低屈折率層の厚さｄは６０〜３００ｎｍ、各層の幅Ｗは１００〜４００ｎｍ以下である。１つの積層体とその隣の積層体の間隔Ｇは３００ｎｍ以下である。
【００１２】
発色体１は、以下のような工程を経て製造される。先ず上記の研磨されたガラス基板２を準備し、その上に電子ビーム加熱蒸着、ヒータ加熱蒸着などの蒸着手段で金属薄膜３を蒸着する。その後、高屈折率層５、次いで低屈折率層６を電子ビーム加熱蒸着、ヒータ加熱蒸着、酸素雰囲気中の反応蒸着などの蒸着手段で蒸着することを繰り返し、最上面を高屈折率層５とする。次に、電子ビームパターニング装置、集束イオンビーム装置又はリソグラフィー技術によって、最上面より少なくとも金属薄膜３の表面に達する溝７を加工することによって発色体１が完成する。
得られた発色体１は、その積層体４の高さがガラス基板２の表面粗さに倣って３０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の高さ方向の乱雑さを有するものとなる。
【００１３】
【実施例】
−実施例１−
図１において、金属薄膜を取り除いた構造の発色体で、幅Ｗを４００ｎｍ、高屈折率層の段数を６、屈折率を２．３、厚さを６０ｎｍ、低屈折率層の屈折率を１．４６、厚さを１４５ｎｍとし、光の垂直入射による反射強度の角度依存性を計算した。このような層の組み合わせは、高屈折率層をＳｂ₂Ｏ₃、ＰｂＣｌ₂、ＴｉＯ₂、ＺｎＳのうちから選ばれる１種、低屈折率層をＳｉＯ₂とすることにより可能である。計算しやすくするために、（１）入射光は各段において損失すること無しに考えている段にまで到達する、（２）回折光が他の段により再び回折することも無いと仮定した。その結果、図２のようになった。
【００１４】
図２に見られるように、垂直方向への反射は７００ｎｍが最も強く、それより短波長になるに連れて反射が弱くなる一方、６５０ｎｍの光は垂直に対して３０度方向、６００ｎｍの光は４０度方向への反射が垂直方向よりも強くなった。従って、真っ正面から眺めると赤色、垂直に対して４０度方向から眺めると橙色に見えると考えられる。
【００１５】
−実施例２−
高屈折率層の厚さを４０ｎｍ、低屈折率層の厚さを１００ｎｍとする以外は実施例１と同一条件で光の垂直入射による反射強度の角度依存性を計算した。その結果、図３のようになった。
【００１６】
図３に見られるように、垂直方向への反射は４８０ｎｍが最も強く、それより短波長になるに連れて反射が弱くなる一方、４２０ｎｍの光は垂直に対して３０度方向への反射が垂直方向よりも強くなった。従って、真っ正面から眺めると青色、垂直に対して３０度方向から眺めると緑色に見えると考えられる。ちなみに。この角度分布はモルフォチョウから実験的に得られたものと極めて類似している。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように、この発明の発色体によれば、モルフォチョウのごとくある波長領域の色を主体としつつバンド幅を有する、奥行きのある色合いを発し、高い反射率を有するのでデザイン性に優れ、各種デザイン分野で有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の発色体を示す断面図である。
【図２】実施例１の発色体による反射強度の角度依存性を示すグラフである。
【図３】実施例２の発色体による反射強度の角度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１発色体
２ガラス基板
３金属薄膜
４積層体
５高屈折率層
６低屈折率層

Claims

垂直方向への反射が最も強められるべき可視光線の波長をλとするとき、高い屈折率ｎ１と所定の厚さｄ１と波長λより小さい幅を有する高屈折率層と、低い屈折率ｎ２と所定の厚さｄ２と波長λより小さい幅を有する低屈折率層とが交互に積層され、λ＝２（ｎ１×ｄ１＋ｎ２×ｄ２）を充足する複数の積層体が、波長λより短い１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の間隔で基材上に平面方向に配列し、且つ前記各積層体が隣の積層体と１／２層〜２層の範囲で乱雑に異なる高さを有していることを特徴とする発色体。
前記高屈折率層及び低屈折率層は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ、ＳｎＯ_２、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＰｂＣｌ_２、ＰｂＯ、ＴｉＯ_２、ＴｉＯ、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２、ＣｅＦ_３、ＺｎＳ、ＭｇＯ、ＮａＦ、ＭｇＦ_２などの無機質誘電体薄膜のうちから選ばれる１種以上からなる請求項１に記載の発色体。
更に前記積層体と基材との間に光吸収体が形成されている請求項１又は２に記載の発色体。