JP2003053875A - 発色体 - Google Patents
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- G02B5/1809—Diffraction gratings with pitch less than or comparable to the wavelength
Abstract
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。 【解決手段】高い屈折率と所定の厚さと可視光線の波長
より小さい幅を有する高屈折率層5と、低い屈折率と所
定の厚さと可視光線の波長より小さい幅を有する低屈折
率層6とが交互に積層された複数の積層体4が、波長よ
り短い10nm以上300nm以下の間隔で基材2上に
平面方向に配列していることを特徴とする。
Description
造色を発する発色体に属する。
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20
00−246829)や、ラメラを備えたもの(特開平
9−157957)が提案されている。
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。
に、この発明の発色体は、高い屈折率と所定の厚さと可
視光線の波長より小さい幅を有する高屈折率層と、低い
屈折率と所定の厚さと可視光線の波長より小さい幅を有
する低屈折率層とが交互に積層された複数の積層体が、
波長より短い10nm以上300nm以下の間隔で基材
上に平面方向に配列していることを特徴とする。
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
まる特定波長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。即ち、高屈折率層の屈折率をn1、厚さを
d1、低屈折率層の屈折率をn2、厚さをd2とするとき、波
長λ=2(n1*d1+n2*d2)で定まる波長の光が選択的に強め
られる。
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。
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(緑色)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50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。
体の寸法としては、高屈折率層の厚さが30〜120n
m、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。
が、隣の積層体と1/2層〜2層程度乱雑に異なる高さ
を有すると、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。
材質としては、Al2O3、SiO2、SiO、SnO2、
Sb2O3、PbCl2、PbO、TiO2、TiO、Zr
O2、CeO2、CeF3、ZnS、MgO、NaF、M
gF2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、S
b2O3、PbCl2、TiO2、ZnS、低屈折率層がS
iO2、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。
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〜400
nm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。
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30
nm以上400nm以下の高さ方向の乱雑さを有するも
のとなる。
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1.4
6、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、Zn
S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。
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。
0nm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。
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。
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。
性を示すグラフである。
性を示すグラフである。
Claims (4)
- 【請求項1】高い屈折率と所定の厚さと可視光線の波長
より小さい幅を有する高屈折率層と、低い屈折率と所定
の厚さと可視光線の波長より小さい幅を有する低屈折率
層とが交互に積層された複数の積層体が、波長より短い
10nm以上300nm以下の間隔で基材上に平面方向
に配列していることを特徴とする発色体。 - 【請求項2】前記積層体は、隣の積層体と1/2層〜2
層程度乱雑に異なる高さを有する請求項1に記載の発色
体。 - 【請求項3】前記高屈折率層及び低屈折率層は、Al2
O3、SiO2、SiO、SnO2、Sb2O3、PbC
l2、PbO、TiO2、TiO、ZrO2、CeO2、C
eF3、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種以上からなる請求項
1又は2に記載の発色体。 - 【請求項4】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1〜3のいずれかに記載の発色
体。
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