JP2006138980A - 微粒子構造体、微粒子構造体の形成方法及びスクリーン - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、３次元的に規則正しく配列した微粒子層の配列性を維持したまま、微粒子層の機械的強度、転写性を向上させ、微粒子層の剥がれを防止した微粒子構造体及びその製造方法並びにスクリーンの提供することを目的とする。
【解決手段】
本発明は、高分子を塗布又は噴霧或いは微粒子溶液に混合して３次元的に規則正しく配列した微粒子層に配することで、微粒子層の配列性を保ったまま微粒子を固定化することができる。これにより、微粒子層の機械的強度、転写性が向上し、微粒子層の剥がれを防止することができる。
【選択図】
図１０

Description

本発明は、微粒子構造体及びスクリーンに関するものである。また、その微粒子構造体の形成方法に関するものである。

微粒子を規則的に配列させ、微細形状を有する微粒子構造体は、フォトニック結晶、半導体材料、ディスプレイ用光学散乱体、磁気記録材料、バイオチップ、細胞培養基材等、多様な用途への応用が検討されている。従来から知られているリソグラフィーやレーザーによる微細加工方法では加工に関する材料、時間、工程に制限がある。また、ある種の物理的パターン構造を利用した微細形状の作製法も知られているが、構造体の形状の均一性、精密度、任意性等の課題がある。さらには、これらの物理的パターン構造を利用した技術を用いた場合、やはり上記と同様に制限がある。一方、自己組織化による微細加工を用いた微粒子構造体の形成方法では、溶媒の蒸発等を利用して従来方法よりも簡易に構造を制御できるようになってきた。現在では、ナノメートルから数百マイクロメートル程度の微粒子を用いて、任意に規則的な配列を実現することができ、上記応用への可能性が広がってきた。

微粒子を自己組織化的に集合させて、微粒子が３次元的に規則正しく周期的に配列した微粒子構造体を形成する方法として、種々の方法が報告されている（例えば、非特許文献１及び２参照）。その方法の１つとして引き上げ法が挙げられる。引き上げ法は、例えば微粒子を溶媒に分散させて微粒子溶液とし、ここに微粒子に対して親和性の良い基板を垂直に差し込んだ後、この基板を微粒子溶液から引き上げる。この基板の引き上げ時に、適量の微粒子溶液を基板表面に移し取る。その後、移し取られた微粒子溶液から溶媒が蒸発していく過程で、微粒子の自己組織化が起こり、微粒子が規則的に配列した微粒子構造体が基板上に形成されるという方法である（例えば、非特許文献３、４および５参照）。

他の方法として自然沈降法が挙げられる。自然沈降法は、引き上げ法と同様に微粒子溶液を調製した後、基板を微粒子溶液の下部に静置する。微粒子は、自身の重みによって徐々に基板上に沈降し、微粒子が規則的に配列した微粒子構造体が形成される（例えば、非特許文献６参照）。

さらに別の方法として、微粒子よりも大きなスペーサーを挟んだマイクロセルを、微粒子溶液に垂直に差し込み、静置する。微粒子溶液は、毛管現象によりセル内に充填され、セル内に充填された微粒子溶液から溶媒が蒸発していく過程で、微粒子の自己組織化が起こり、微粒子が規則的に配列した微粒子構造体がセル内に形成される方法がある（例えば、非特許文献７参照）。

図１は、形成される微粒子構造体の基板上の微粒子溶液の乾燥によって自己組織化的に微粒子が集合する過程を示す説明図である。すなわち、シリカ微粒子などの球形の微粒子を水などの溶媒に分散させた後、重力による自然沈降又は蒸発による溶媒の減少によって、微粒子が徐々に基板上に堆積する。粒径が同一である場合、シリカ微粒子のような球形の微粒子は、最も密につまった配列構造である最密充填構造となる。したがって、微粒子を緻密に集合させることによって、少なくとも部分的には最密充填構造をとる微粒子構造体を、自己組織化的に形成させることができる。

このような微粒子構造体は、上述のように多様な用途への応用が検討されている。その一例として、図２のようなスクリーンが挙げられる。このようなスクリーンは微粒子を規則的に配列したフォトニック結晶のブラッグ反射を利用し、プロジェクターの赤、緑、青の３原色光だけを選択的に反射して外光を基板側で吸収させることで黒を沈ませることができる。この微粒子の大きさを変えることで光の波長選択性が可能となる。しかしながら、このようなスクリーンは、例えば巻き取りや通常の使用の範囲において、スクリーンへの圧力や曲げや引っ張りに対して耐えられる強度が必要となる。

また、このようなスクリーンは、図３のように、フォトニック結晶の作製に適した基板９０を用いて作製し、作製されたフォトニック結晶を粘着テープ９３を有する基板９１に転写して形成する方法もある。これにより、高い結晶性をもつフォトニック結晶である赤色反射層９５、緑色反射層９８、青色反射層９７をスクリーン特性として最適な拡散フィルム９２や可視光吸収できる基板９１で挟んだスクリーンを作製することができる。例えば、基板９１にフレキシビリティをもつ素材を用いることで、巻き取り可能なスクリーンを作製することができる。しかしながら、図４のように拡散フィルム９２への転写が完全に行われず、所々フォトニック結晶が基板９０に残ってしまうことがある。これは、図５に示される、転写された基板の表面ＳＥＭ像からもわかる。

さらに、図６のようにフォトニック結晶の層８１、８２、８３と基板８０との間にフォトニック結晶を形成する微粒子の粒径とは大きく異なる微粒子による下地微粒子層８４を設ける方法もある。しかしながら、図７に示されるように転写できない箇所の存在や、基板からのフォトニック結晶の剥がれという問題点がある。このような方法でスクリーンを作製する場合は、フォトニック結晶を基板から転写する際に目的の層を的確に転写することが必要となる。

以上のように、フォトニック結晶の特異な光学特性を利用した光デバイスを製品化する際に、フォトニック結晶の機械的強度の向上、転写などの加工性、異径粒子とのハイブリット構造を実現することは極めて重要となる。例えば、スクリーンとして応用する際には、圧力や曲げや引っ張り応力に対する機械的強度や転写の容易性や赤、緑、青それぞれの光に対する反射特性を有するフォトニック結晶の作製などが必要不可欠になる。

これは、スクリーンに限られたものではなく、フォトニック結晶を用いた光機能素子全般にも同様な問題が生じる。上述のように、フォトニック結晶の光学的特性を利用して、光集積回路、光スイッチ、低閾値レーザー、情報記録媒体などに応用される場合に、外部からの曲げや引っ張り応力などの力に対する機械的強度の向上と、異なる粒径の微粒子が積層したハイブリッド構造の実現、転写等の加工技術等は極めて重要な意義をもつ。

上述のような問題の解決のために、フォトニック結晶の微粒子間の隙間よりも長い又は大きい高分子を用いる方法がある。高分子として微粒子間の隙間よりも長い又は大きい高分子を使用することで、微粒子間の隙間に高分子が多量に入り込むことを防ぐことができる。これにより、微粒子と空気との間の屈折率の差が微粒子と高分子との間の屈折率の差となることを防ぎ、反射特性や回折特性等の光学特性への影響を軽減することができる。

また、微粒子からなる層とその微粒子を高分子で固定化するという従来技術に以下のようなものがある。まず、透明基板上に敷設された微粒子をバインダーにより固着させて微粒子層を形成し、該微粒子層上に低プレチルト性の有機配向膜剤を塗布し、微粒子がなす微粒子層表面の凹凸に基づく祖面を前記有機配向膜剤表面に形成した配向膜がある（例えば、特許文献１参照）。さらに、網目状のシートの網目に、微粒子を保持して微粒子層を形成し、微粒子層を固定化する方法がある（例えば、特許文献２参照）。

その他に、基板上にある高分子層中にフォトニック結晶を埋め込む方法（例えば、特許文献３参照）や、高分子を含有する高分子含有層を形成し、この高分子を膨潤させることができる溶媒に微粒子を分散させた溶液を高分子含有層に接触させる方法（例えば、特許文献４参照）や支持体上の機能性微粒子からなる微粒子層を圧縮して機械的強度を向上させる方法（例えば、特許文献５参照）がある。

Ｐ．Ｊｉａｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．（１９９９），１１，２１３２ Ｙ．Ｘｉａ ｅｔ ａｌ．，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．（２０００），１２（１０），６９３ Ｋ．Ｎａｇａｙａｍａ，Ｊ．Ｓｏｃ．Ｐｏｗｄｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｊａｐａｎ（１９９５），３２，４７６ Ｊ．Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ，Ｎａｔｕｒｅ（２００１），４１４（１５），２５７ Ｙｏｎｇ−Ｈｏｎｇ Ｙｅ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．（２００１），７８（１），５２ Ｈ．Ｍｉｇｕｅｚ ｅｔ ａｌ．，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．（１９９８），１０（６），４８０ Ｂ．Ｇａｔｅｓ，Ｄ．Ｑｉｎ，Ｙ．Ｘｉａ，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．（１９９９），１１，４６６ 特開２００１−０８３５１６号公報 特開平１１−０５８５７４号公報 特開平０７−２２５３０２号公報 特開２００１−１９１０２５号公報 特開２００１−３２８１９５号公報

フォトニック結晶の機械的強度を向上させるために、フォトニック結晶の微粒子間の隙間よりも長い又は大きい高分子を用いる方法は、微粒子間の相互作用が弱いために機械的強度が十分でない。また、フォトニック結晶の層の厚さが微粒子の粒径の約３０倍以上になると、図８のように、微粒子を配列させる過程で微粒子層が基板から剥がれてしまう。特に、ゼラチンをフォトニック結晶に塗布すると、乾燥過程でゼラチンの収縮により基板の反りや図９のようなフォトニック結晶の表面のひび割れが生じてしまう。また、ゼラチンは耐湿性が低いため空気中の水分を吸収して膨潤してしまう。

特許文献１記載の配向膜は、２次元に配列した微粒子を高分子を散布して固定化しているものであるが、微粒子間だけでなく基板にも微粒子を固定化している。そのため、微粒子を固定化した基板から取り外し、別の基板に的確に転写することは難しい。また、特許文献２記載の方法は、基板として網目を有するシートを使用し、基板と微粒子とを固定化するものである。したがって、微粒子を固定化したシートから取り外し、別の基板に的確に転写することは難しい。

特許文献３記載の方法は、３次元に配列させた微粒子を固定化するためには、高分子層を有する基板に圧着させなければならない。そのため、この圧着によってこの微粒子の３次元の配列が乱れてしまう可能性がある。特許文献４記載の方法は、高分子を膨潤させて微粒子をその高分子中に分散・充填させる方法であるが、微粒子を３次元的に規則正しく配列させることは難しい。特許文献５記載の方法は、基板上に堆積した微粒子に圧力をかけて基板に押し付ける必要があり、微粒子の配列構造が乱れてしまう恐れがある。

そこで、本発明は、上記実状に鑑み、３次元的に規則正しく配列した微粒子層の配列性を維持したまま、微粒子層の機械的強度、微粒子層の転写性を向上させた微粒子構造体及び微粒子構造体の製造方法の提供を目的とする。また、微粒子層の機械的強度及び微粒子層の転写性を向上させたスクリーンを提供することを目的とする。

本発明の微粒子構造体は、略平板状の基板と、上記基板上に自己組織化により微粒子を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層と上記微粒子の配列した上記微粒子層の表面及び層内に配され、上記微粒子を固定化する高分子とを有することを特徴とする。

本発明の微粒子構造体によれば、フォトニック結晶の微粒子の表面だけではなく、微粒子間にも高分子を入れることで微粒子同士の結合力を高め、全体的に機械的強度を向上させることができる。このような機能を果たす高分子を以下バインダーと呼ぶ。また、高分子により微粒子間の結合力を高めることで、微粒子層を１つの塊のように扱うことが可能になり、目的の層を的確にかつ容易に転写することが可能になる。また、微粒子層の微粒子の配列を維持したまま機械的強度を向上させることができる。

本発明の微粒子構造体の形成方法は、微粒子を分散媒に分散させた微粒子溶液を略平板状の基板に塗布する工程と、上記基板に塗布された上記微粒子溶液を乾燥させて自己組織化により上記微粒子を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層を形成する工程と上記微粒子を固定化する高分子を上記微粒子の配列した上記微粒子層の表面及び層内に配する工程とを有することを特徴とする。

本発明の微粒子構造体の形成方法によれば、微粒子層の層内にも高分子溶液を塗布又は噴霧させることで、微粒子同士の結合力を高め、全体的に機械的強度を向上させた微粒子構造体を形成することができる。また、微粒子層を１つの塊のように扱うことができ、目的の層を的確にかつ容易に転写することが可能な微粒子構造体を形成することができる。

本発明のスクリーンは、略平板状の基板と、上記基板上に自己組織化により微粒子を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層と上記微粒子の配列した上記微粒子層の表面及び層内に配され、上記微粒子を固定化する高分子とを有することを特徴とする。

本発明のスクリーンによれば、微粒子層の表面及び層内に高分子を配することで、微粒子層の機械的強度を向上させることができる。したがって、微粒子構造体は、曲げや引っ張り等の外部からの力に対して強い構造となり、丸めても微粒子層が破損しない。また、微粒子層の間の結合力を強くすることができ、バインダーとして機能する。すなわち、微粒子層の剥がれを防ぐことができる。また、複数の層を１つの塊として取り扱うことができるため、転写を容易に確実に行うことができる。

本発明の別の微粒子構造体は、略平板状の基板と、上記基板上に微粒子を分散媒に分散した微粒子溶液を塗布し、自己組織化により上記微粒子を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層と上微粒子溶液と混合され、上記基板に配列した微粒子を固定化する高分子とを有することを特徴とする。

本発明の別の微粒子構造体によれば、上記微粒子構造体と同様に、フォトニック結晶の微粒子の表面だけではなく、微粒子間にも高分子を入れることで微粒子同士の結合力を高め、全体的に機械的強度を向上させることができる。このような機能を果たす高分子を以下バインダーと呼ぶ。また、高分子により微粒子間の結合力を高めることで、微粒子層を１つの塊のように扱うことが可能になり、目的の層を的確にかつ容易に転写することが可能になる。また、微粒子層の微粒子の配列を維持したまま機械的強度を向上させることができる。

本発明の別の微粒子構造体の形成方法は、微粒子を分散媒に分散させた微粒子溶液を略平板状の基板に塗布する工程と、上記基板に塗布された上記微粒子溶液を乾燥させて自己組織化により上記微粒子を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層を形成する工程と上記微粒子を固定化する高分子を上記微粒子溶液に混合し、上記基板に配列した上記する工程とを有することを特徴とする。

本発明の別の微粒子構造体の形成方法によれば、上記微粒子構造体と同様に、微粒子層の層内にも高分子溶液を塗布又は噴霧させることで、微粒子同士の結合力を高め、全体的に機械的強度を向上させた微粒子構造体を形成することができる。また、微粒子層を１つの塊のように扱うことができ、目的の層を的確にかつ容易に転写することが可能な微粒子構造体を形成することができる。また、微粒子層の微粒子の配列を維持したまま機械的強度の向上した微粒子構造体を形成することができる。

本発明の別のスクリーンは、略平板状の基板と、上記基板上に微粒子を分散媒に分散した微粒子溶液を塗布し、自己組織化により上記微粒子を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層と上微粒子溶液と混合され、上記基板に配列した微粒子を固定化する高分子とを有することを特徴とする。

本発明の別のスクリーンによれば、上記スクリーンと同様に、微粒子層の表面及び層内に高分子を配することで、微粒子層の機械的強度を向上させることができる。したがって、微粒子構造体は、曲げや引っ張り等の外部からの力に対して強い構造となり、丸めても微粒子層が破損しない。また、微粒子層の間の結合力を強くすることができ、バインダーとして機能する。すなわち、微粒子層の剥がれを防ぐことができる。また、複数の層を１つの塊として取り扱うことができるため、転写を容易に確実に行うことができる。

本発明の微粒子構造体は、微粒子層の表面及び層内に高分子を配することで、微粒子層の機械的強度を向上させることができる。また、微粒子層の間の結合力を強くすることができ、バインダーとして機能する。すなわち、微粒子層の剥がれを防ぐことができる。また、複数の層を１つの塊として取り扱うことができるため、転写を容易に確実に行うことができる。

本発明の微粒子構造体の形成方法によれば、本発明の微粒子構造体の形成方法により、微粒子を固定する高分子によって、微粒子が自己組織化により３次元的に規則正しく配列した微粒子層の配列性を保ったまま機械的強度を向上させることができる。したがって、微粒子構造体は、曲げや引っ張り等の外部からの力に対して強い構造となる。また、微粒子層に存在する高分子の量を制御することで、光学特性を低下させずに機械的強度を向上させることができる。また、微粒子層の間の結合力が強くなり、微粒子層の剥がれを防ぐことができる。また、複数の層を１つの塊として取り扱うことができるため、転写を容易に確実に行うことができる。

本発明のスクリーンによれば、微粒子層の表面及び層内に高分子を配することで、微粒子層の機械的強度を向上させることができ、微粒子構造体は、曲げや引っ張り等の外部からの力に対して強い構造となる。また、微粒子層の剥がれや転写を容易に確実に行うことができる。

以下、本発明の微粒子構造体、微粒子構造体の形成方法及びスクリーンについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

［実施の形態１］
図１０は、本発明の微粒子構造体の一例を示す図である。本発明の微粒子構造体１は、 略平板状の基板１０と、上記基板上に自己組織化により微粒子１１を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層１３と、上記基板１０に配列した上記微粒子１１を固定化する高分子１２とを有している。高分子１２は、微粒子１１が配列した微粒子層１３に塗布又は噴霧され、微粒子層１３の表面及び層内に配される。あるいは、高分子１２は、微粒子層１３が微粒子１１を分散させた微粒子溶液を塗布して形成される場合、微粒子溶液に混合されることで微粒子層１３の表面及び層内に配されていてもよい。

基板１０は、微粒子１１を自己組織化により３次元的に規則正しく配列させた微粒子層１３をその基板１０上に備えている。基板１０の形状は、特に限定されるものではないが、微粒子構造体１の用途により適宜変更することができる。例えば、微粒子構造体１をスクリーンとして使用する場合、所定の大きさを有するシート状の部材を使用してもよい。

基板１０の材質としては、微粒子１１を分散させる分散媒に膨潤しないものであれば特に限定するものではなく、適宜変更することができる。例えば、ガラス等の無機酸化物やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の有機材料でもよい。また、基板１０の表面は親水性であっても親油性であってもよく、使用する微粒子１１及び分散媒の性質等により適宜変更することができる。また、微粒子１１の積層を助けるために基板１０をサンドブラスト等により凹凸を設けてもよい。

微粒子１１は、所要の粒径を有している。この微粒子１１を分散媒に分散させた微粒子溶液を基板１０に塗布する。塗布後、乾燥させることで、微粒子溶液の溶媒が徐々に蒸発し、微粒子１１が自己組織化により３次元的に規則正しく配列し、微粒子層１３を形成する。微粒子１１の材質としては、特に限定されるものではなく、例えば、シリカやポリスチレン等が挙げられる。

微粒子１１は、分散媒に分散させた微粒子溶液として基板１０に塗布される。その分散媒としては、大気中に蒸発できるものであれば特に限定されるものではなく、使用する微粒子１１に応じて適宜変更することができる。例えば、水やアルコール等が挙げられ、これらの混合溶液でもよい。水やアルコールは比較的容易に蒸発させることができる。

微粒子溶液は、分散媒に微粒子１１を分散させた溶液である。この溶液を基板１０に塗布し、基板１０に塗布された微粒子溶液の分散媒を蒸発させることで、微粒子１１が基板１０上で自己組織化により３次元的に規則正しく配列し、微粒子層１３が形成される。

微粒子溶液の基板１０への塗布の方法としては、特に限定するものではないが、例えば、微粒子溶液中に基板１０を浸漬させ、微粒子溶液中の基板１０を引き上げ、基板１０上に微粒子溶液を塗布してもよい。また、カーテンコーティング、スクリーンコーティング、ナイフコーティング等の既存のコーティング法を利用して基板１０に微粒子溶液を塗布することもできる。

微粒子層１３は、基板１０上に微粒子溶液を塗布し、基板１０上の微粒子溶液を乾燥させることで、微粒子１１が自己組織化により３次元に規則正しく配列することで形成される。微粒子溶液の乾燥時は、微粒子溶液中の分散媒が徐々に蒸発し、微粒子１１が基板１０に堆積するように集合することで、最も微粒子１１が密に詰まった最密充填構造をとる。このような形状をとることで、この微粒子層１３を所定の波長の光を反射することができるフォトニック結晶とすることもできる。

高分子１２は、微粒子層１３の表面及び層内に配され、基板１０に堆積した微粒子１１を固定化することができる。高分子１２は、微粒子１１と一緒に分散媒に混合されていてもよく、また、高分子１２を溶媒に溶解した高分子溶液を、微粒子層１３の形成後に、微粒子層１３に塗布又は噴霧されてもよい。この溶媒としては、高分子を溶解するものであれば特に限定するものではない。微粒子１１を分散した微粒子溶液に高分子１２を混合させる場合、微粒子層１３の形成と略同時に微粒子１１を固定化することができる。また、高分子溶液を微粒子層１３に塗布又は噴霧する場合、微粒子層１３の位置によって高分子の量を変化させることができる。あるいは、高分子１２を形成するモノマーを微粒子層１３の表面又は層内に配してもよい。このモノマーが液体の場合はそのまま塗布又は噴霧してもよい。また、このモノマーが固体の場合は溶媒に溶解させた状態で塗布又は噴霧してもよい。この塗布又は噴霧は複数回行うことができる。このように塗布又は噴霧によって配されたモノマーは、熱や紫外線などにより高分子を形成することで微粒子１１を固定化することができる。モノマーの固定化は、塗布又は噴霧する毎に行うことができる。高分子より分子の大きさが小さいモノマーを使用することでより微粒子層の内部にまでモノマーを浸透させることができる。これにより、より微粒子層を１つの塊として扱うことができ、転写を容易に行うことができる。

高分子としては、本実験ではポリビニルアルコール系樹脂を用いている。ポリビニルアルコール系樹脂は、通常酢酸ビニルを重合したポリ酢酸ビニルをケン化して製造されるものであるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、少量の不飽和カルボン酸（塩、エステル、アミド、ニトリル等を含む）、オレフィン類、ビニルエーテル類、不飽和スルホン酸塩等、酢酸ビニルと共重合可能な成分を含有していてもよい。また、ポリビニルアルコール系樹脂を酸の存在下でアルデヒド類と反応させたポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルホルマール樹脂などのいわゆるポリビニルアセタール樹脂及びその他ポリビニルアルコール系樹脂誘導体も挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、ポリビニルアルコールに限らず、微粒子と適度な親和性と接合性をもった高分子であればどのような高分子でもよい。例えば、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンやエチレンビニルアルコール系樹脂などでもよい。

また、微粒子１１との親和性が高い高分子１２を用いることにより、微粒子１１をより強く固定化することができ、微粒子層１３の機械的強度を向上させることができる。例えば、微粒子１１としてシリカを用いる場合、親和性の高い親水性のポリビニルアルコール等を用いることで、シリカ微粒子をより強く固定化することができる。

このように、本発明の微粒子構造体１は、基板１０上に自己組織化により微粒子１１を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層１３を有し、この微粒子層１３の微粒子１１の配列性を保ったまま、微粒子層１３の表面及び層内に高分子１２を配することで、微粒子層１３の機械的強度を向上させることができる。したがって、微粒子構造体１は、曲げや引っ張り等の外部からの力に対して強い構造となる。また、微粒子層１３に存在する高分子の量を制御することで、微粒子層１３の光学特性を低下させずに機械的強度を向上させることができる。

また、この微粒子構造体１は、微粒子層１３の微粒子１１が高分子１２によって固定化され、微粒子層１３を１つの塊のようにすることができ、基板１０上に形成された微粒子層１３を別の基板に転写することもできる。図１１は、微粒子層の転写の工程の一例を示す図である。まず、図１１（ａ）のように、基板１０上の微粒子層１３の基板１０と接触していない方の面に粘着剤１４を有する第２の基板１５を粘着剤１４と微粒子層１３が接触するように付着させる。

次に、図１１（ｂ）のように、微粒子層１３を粘着剤１４に付着させた第２の基板１５を基板１０から引き上げる。これにより、基板１０から別の基板である第２の基板１５に微粒子層１３を転写することができる。この基板１５は、特に限定するものではなく、微粒子層１３の用途により適宜変更することができる。

このとき、微粒子層１３は、高分子１２により微粒子１１が固定化されている。したがって、微粒子層１３を１つの塊として扱うことができるため、容易に転写が行える。また、微粒子１１と高分子１２との親和性を高めることで、微粒子１１をより強く固定化することができ、確実に転写を行うことができる。

さらに、本発明の微粒子構造体１は、微粒子層１３の微粒子１１を固定化する高分子１２は、微粒子層１３の表面及び層内に配されている。すなわち、高分子１２がバインダーとして機能し、微粒子層１３の形成中に微粒子層１３の剥がれを防ぐことができる。これは、微粒子層１３が厚くなっても同様の効果を得ることができる。例えば、微粒子層１３を微粒子１１の粒径の約３０倍以上の厚さにしても、微粒子層１３の剥がれを防止することができる。

図１０に示される微粒子構造体１は、以下のように形成することができる。本発明の微粒子構造体１の形成方法は、微粒子１１を分散媒に分散させた微粒子溶液を略平板状の基板１０に塗布する工程と、上記基板１０に塗布された上記微粒子溶液を乾燥させて自己組織化により上記微粒子を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層１３を形成する工程とを有し、上記微粒子１１を固定化する高分子１２を上記微粒子層１３の表面及び層内に配する工程とを有している。このとき、高分子１２は、微粒子１１が配列した微粒子層１３に塗布又は噴霧され、微粒子層１３の表面及び層内に配される。あるいは、高分子１２は、微粒子層１３が微粒子１１を分散させた微粒子溶液を塗布して形成される場合、微粒子溶液に混合されることで微粒子層１３の表面及び層内に配されていてもよい。

ここでは、基板１０への微粒子溶液の塗布方法として上述した引き上げ法を例にとって説明する。基板１０への微粒子溶液の塗布方法は、これに限られるものではなく、カーテンコーティング、スクリーンコーティング、ナイフコーティング等の既存のコーティング法を利用して基板１０に微粒子溶液を塗布することもできる。

まず、微粒子１１を分散媒に分散させた微粒子溶液を調製し、この微粒子溶液に略平板状の基板１０を浸漬させる。これにより、基板１０に微粒子１１を有する微粒子溶液を付着させることができる。

次に、微粒子溶液に基板１０を充分に浸漬させた後、基板１０を微粒子溶液から引き上げる。引き上げることで、基板１０に微粒子溶液を塗布することができる。この工程は、１回に限られるものではなく、複数回繰り返し行ってもよい。また、複数回行う場合、１回の塗布毎に乾燥工程を加えてもよい。これにより、微粒子層の内部の微粒子も固定化することができ、より微粒子層を１つの塊として扱うことができ、転写を容易に行うことができる。

そして、基板１０に塗布された微粒子溶液を乾燥させる。微粒子溶液を乾燥させることで、微粒子溶液中の分散媒が徐々に蒸発し、微粒子１１が基板１０に堆積するように集合する。このとき、微粒子１１が自己組織化により３次元に規則的に配列し、微粒子層１３を基板１０上に形成する。

次に、微粒子層１３の微粒子１１を固定化する高分子１３を微粒子層１３に配する。微粒子層１３に配された高分子１２により、微粒子１１を固定化し、微粒子層１３の機械的強度を向上させることができる。この方法としては、先の工程で示した微粒子１１を分散媒に分散させた微粒子溶液に微粒子１１と一緒に高分子１２を混合させる方法がある。微粒子１１を分散した微粒子溶液に高分子１２を混合させる場合、微粒子層１３の形成と略同時に微粒子１１を固定化することができる。

別の方法としては、高分子１２を溶媒に溶解した高分子溶液を調製し、この高分子溶液を微粒子層１３に塗布又は噴霧する方法が挙げられる。高分子溶液の塗布又は噴霧は、１回だけでも複数回行ってもよい。また、複数回行う場合、塗布又は噴霧毎に高分子溶液を完全に乾燥させてから行ってもよい。これにより、微粒子層１３の位置によって高分子の量を変化させることができる。

微粒子層１３中に高分子１２が存在する量は、多すぎるとフォトニック結晶となる微粒子層１３の反射率等の光学特性が低下してしまう。そのため、高分子１２の量を適度に制御することで、微粒子層１２の光学特性を劣化させることなく機械的強度を向上させることができる。この制御は、高分子１２を塗布又は噴霧する場合、高分子溶液の濃度で制御することができる。また、高分子１２を微粒子溶液に混合する場合、微粒子溶液中の高分子の濃度によって制御することができる。光の反射を妨げない高分子１２の濃度としては、１．３ｗｔ％以下で、さらに、高分子の存在しない微粒子層と同等の反射率を持たせるためには、０．３３ｗｔ％以下の濃度であることが好ましい。

本発明の微粒子構造体１の形成方法により、微粒子１１を固定する高分子１２によって、微粒子１１が自己組織化により３次元的に規則正しく配列した微粒子層１３の配列性を保ったまま機械的強度を向上させることができる。したがって、微粒子構造体１は、曲げや引っ張り等の外部からの力に対して強い構造となる。また、微粒子層１３に存在する高分子の量を制御することで、光学特性を低下させずに機械的強度を向上させることができる。

また、高分子１２を微粒子層１３の表面及び層内に配することで、微粒子層１３を１つの塊として扱うことができるため、容易に転写が行え、従来のような転写が行われない箇所を少なくすることができる。また、微粒子１１と高分子１２との親和性を高めることで、微粒子１１をより強く固定化することができ、確実に転写を行うことができる。

さらに、本発明の微粒子構造体１の形成方法は、微粒子層１３の微粒子１１を固定化する高分子１２は、微粒子層１３の表面及び層内に配されている。すなわち、高分子１２がバインダーとして機能し、微粒子層１３の形成中に微粒子層１３の剥がれを防ぐことができる。

［実施の形態２］
本発明の微粒子構造体は、基板上に複数の微粒子層を積層することもできる。本実施の形態では、基板上に微粒子層を積層させた微粒子構造体について説明する。図１２のように、本発明の微粒子構造体２は、基板２０上に微粒子層２３と微粒子層２６と微粒子層２９とを有している。これら微粒子層を形成する微粒子２１、２４、２７は、層毎に粒径が異なるもので、それぞれ微粒子２１、２４、２７は高分子２２によって固定化されている。

本発明の微粒子構造体２は、実施の形態１で説明した微粒子構造体の形成方法を繰り返すことで形成することができる。引き上げ法を例にとると、微粒子２１を分散媒に分散させた微粒子溶液に基板２０を浸漬させた後、微粒子溶液から基板２０を引き上げる。引き上げられた基板２０上に塗布された微粒子溶液を乾燥させることで、微粒子２１が自己組織化により３次元に規則正しく配列し、微粒子層２３を形成する。基板２０に形成された微粒子層２３は、高分子２２を溶媒に溶解した高分子溶液を塗布又は噴霧することで、微粒子層２３の表面及び層内に高分子２２を配し、微粒子層２３を固定化することができる。

この微粒子層２３を高分子２２によって固定化した後、微粒子２３を分散した微粒子溶液に基板２０を浸漬させ、その後、微粒子溶液から基板２０を引き上げ、基板２０上の微粒子溶液を乾燥させて微粒子２３の層上に微粒子層２６を形成する。微粒子層２６の形成後、再び高分子溶液を塗布又は噴霧し、微粒子層２６の表面及び層内に配することで微粒子層２６を固定化することができる。さらに、この微粒子層２６の層上に同様の方法で、微粒子２７を分散した微粒子溶液を使って微粒子層２９を形成し、高分子溶液を塗布又は噴霧することで微粒子層２９の表面及び層内に配し、微粒子層２９を固定化することができる。また、この高分子２２は、微粒子層２３、２６、２９の形成時にそれぞれの微粒子溶液に混合され、その微粒子溶液を基板２０に塗布することで微粒子層２３、２６、２９の表面及び層内に配されていてもよい。

このとき、使用する微粒子及び高分子は、上述の実施の形態１で説明したものと同じものを使用することができる。微粒子として、シリカのような親水性の微粒子を使用する場合、高分子もポリビニルアルコールのような親水性の高分子で、粘度の大きいものの方が、微粒子の結合力を高めることができる。また、疎水性の微粒子を使用する場合は、高分子も疎水性の高分子とすることで、微粒子の結合力を高めることができる。

高分子を微粒子層の表面及び層内に配する方法としては、上述のように、高分子を溶媒に溶解して塗布又は噴霧してもよいが、高分子を微粒子溶液に混合させ、微粒子層の形成とともに微粒子層の表面及び層内に配してもよい。

この３つの微粒子層２３、２６、２９は、高分子により固定化されていることで、機械的強度を向上させることができ、曲げや引っ張り等の外部からの力に対して強い構造となる。この高分子２２は、機械的強度を向上させるだけでなく、微粒子層間の界面及びその近傍にも存在することで、微粒子層同士を繋ぎ止めるバインダーとしても機能する。すなわち、微粒子層を剥がれにくくすることができる。

本発明の微粒子構造体２は、実施の形態１で説明した微粒子構造体と同様に別の基板に転写することもできる。このとき、高分子は、微粒子層の機械的強度の向上だけでなく、微粒子層間のバインダーとしての効果もある。したがって、複数の微粒子層が１つの塊として扱うことができ、転写を容易に確実に行うことができる。

この転写は、微粒子層に配する高分子の量を変えることで結合力を変化させ、所望の微粒子層のみを転写することもできる。例えば、３つの微粒子層のうち厚さ方向上方の２つの微粒子層のみを転写する際は、最下層の微粒子層の形成後、微粒子層に塗布又は噴霧する高分子の量を少なくすることで、最下層とその上の層の結合力が弱くなり、上方の２つの層のみを別の基板に転写することができる。

このように、本発明の微粒子構造体２も高分子を微粒子層２３、２６、２９の表面及び層内に配することで、微粒子層２３、２６、２９の機械的強度を向上させることができる。また、層間の結合力を強くすることができ、バインダーとして機能する。すなわち、微粒子層２３、２６、２９の剥がれを防ぐことができる。また、複数の層を１つの塊として取り扱うことができるため、転写を容易に確実に行うことができる。上述の微粒子構造体は異なる粒径の微粒子からなる微粒子層を積層させたものであるが、微粒子は全て同じ粒径としてもよい。

本発明のスクリーン５は、図１３のように、略平板状の基板５０と、上記基板上に自己組織化により微粒子５１１、５１２、５１３を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層５３１、５３２、５３３と、上記基板５０に配列した上記微粒子５１１、５１２、５１３をそれぞれ固定化する高分子５２１、５２２、５２３とを有している。高分子５２１、５２２、５２３は、微粒子５１１、５１２、５１３が配列した微粒子層５３１、５３２、５３３に塗布又は噴霧され、微粒子層５３１、５３２、５３３の表面及び層内に配される。あるいは、高分子５２１、５２２、５２３は、微粒子層５３１、５３２、５３３が微粒子５１１、５１２、５１３をそれぞれ分散させた微粒子溶液を塗布して形成される場合、それぞれの微粒子溶液に混合されることで微粒子層５３１、５３２、５３３に配されていてもよい。

微粒子５１１、５１２、５１３は、それぞれ異なる粒径を有している。また、微粒子１１は、３次元的に規則正しく配列させることで微粒子層５３１を形成する。この微粒子層５３１は、赤色の光５４１を反射することができる。また、微粒子５１１と粒径の異なる微粒子５１２は、３次元的に規則正しく配列させることで微粒子層５３２を形成する。この微粒子層５３２は、緑色の光５４２を反射することができる。さらに、微粒子５１１及び微粒子５１２と粒径の異なる微粒子５１３は、３次元的に規則正しく配列させることで、微粒子層５３３を形成する。微粒子層５３３は、青色の光５４３を反射することができる。そして、この基板５０は、外部光５４４を吸収することができる可視光吸収層を兼ねている。

微粒子層５３１は、微粒子５１１を分散媒に分散した微粒子溶液を基板５０に塗布し、基板５０に塗布された微粒子溶液を乾燥させることで形成される。形成された微粒子層５３１は、表面及び層内に配される高分子５２１によって固定化されている。そして、微粒子層５３１は、赤色の光５４１を選択的に反射することができる。また、微粒子層５３２は、微粒子５１２を分散媒に分散した微粒子溶液を微粒子層５３１が形成された基板５０に塗布し、基板５０に塗布された微粒子溶液を乾燥させることで形成される。形成された微粒子層５３２は、表面及び層内に配される高分子５２２によって固定化されている。そして、微粒子層５３２は、緑色の光５４２を選択的に反射することができる。

さらに、微粒子層５３３は、微粒子５１３を分散媒に分散した微粒子溶液を微粒子層５３２が形成された基板５０に塗布し、基板５０に塗布された微粒子溶液を乾燥させることで形成される。形成された微粒子層５３３は、表面及び層内に配される高分子５２３によって固定化されている。そして、微粒子層５３３は、青色の光５４３を選択的に反射することができる。

これにより、本発明のスクリーン５は、微粒子層５３１、５３２、５３３がそれぞれ選択的に赤色の光５４１、緑色の光５４２、青色の光５４３を反射し、外部光５４４を基板５０によって吸収することができる。そのため、赤色の光５４１、緑色の光５４２、青色の光５４３のみを選択的に反射することができる。したがって、外部光による画質の低下を防ぎ、高コントラストで鮮明な画像を表示することができる。

また、微粒子層５３１、５３２、５３３は、それぞれの表面及び層内に配される高分子５２１、５２２、５２３によって固定化されている。したがって、微粒子層５３１、５３２、５３３の機械的強度を向上させ、曲げや引っ張り等の外部からの力に対して強くすることができる。例えば、本発明のスクリーン５は、フレキシブルな基板５０を使用することで丸めることもできる。

さらに、本発明のスクリーン５の高分子５２１、５２２、５２３は、微粒子層５３１、５３２、５３３をつなぎとめるバインダーとしても機能する。したがって、微粒子層５３１、５３２、５３３の剥がれを防止することができる。特に、より鮮明な画像を表示するためには、赤色の光５４１、緑色の光５４２及び青色の光５４３の反射率を高くすることが必要である。そのためには、微粒子層５３１、５３２、５３３の厚さを厚くすることで、反射率を向上させることができる。しかしながら、微粒子層５３１、５３２、５３３の厚さを厚くすると、微粒子の配列及び微粒子層の積層時に既に形成された微粒子層が剥がれてしまうという問題がある。本発明のスクリーン５は、高分子５２１、５２２、５２３を配することで、微粒子層の剥がれを防止することができるため、微粒子層５３１、５３２、５３３の厚さを厚くすることができる。したがって、微粒子層５３１、５３２、５３３の反射率を向上させることができ、より鮮明な画像を表示することができるスクリーン５となる。

本発明のスクリーン５は、基板５０から別の基板５５に転写することができる。これは、高分子５２１、５２２、５２３が微粒子層５３１、５３２、５３３の機械的強度の向上だけでなく、微粒子層間のバインダーとしての効果もあるためである。したがって、複数の微粒子層が１つの塊として扱うことができ、転写を容易に確実に行うことができる。

図１４は、スクリーンの転写の工程の一例を示す図である。この転写の方法は、図１４（ａ）のように、スクリーン５の基板５０に積層された微粒子層５３１、５３２、５３３の基板５０と接触していない方の面に粘着剤５４を有する別の基板５５を粘着剤５４と微粒子層５３３が接触するように付着させる。

次に、図１４（ｂ）のように、微粒子層５３３を粘着剤５４に付着させた別の基板５５を基板５０から引き上げる。これにより、基板５０から別の基板である別の基板５５に微粒子層５３１、５３２、５３３を転写することができる。

このとき、高分子５２１、５２２、５２３は、微粒子層５３１、５３２、５３３を固定化するだけでなくの層間のバインダーとしての機能も有している。したがって、積層された微粒子層５３１、５３２、５３３を１つの塊として扱うことができるため、容易に転写が行える。また、微粒子５１１、５１２、５１３と高分子５２１、５２２、５２３との親和性を高めることで、より強く固定化することができ、より確実に転写を行うことができる。

この転写は、微粒子層に配する高分子の量を変えることで結合力を変化させ、所望の微粒子層のみを転写することもできる。例えば、３つの微粒子層のうち厚さ方向上方の２つの微粒子層のみを転写する際は、最下層の微粒子層の形成後、微粒子層に塗布又は噴霧する高分子の量を少なくすることで、最下層とその上の層の結合力が弱くなり、上方の２つの層のみを別の基板に転写することができる。

このように、本発明の微粒子構造体２も高分子５２１、５２２、５２３を微粒子層５３１、５３２、５３３の表面及び層内にそれぞれ配することで、微粒子層５３１、５３２、５３３の機械的強度を向上させることができる。また、層間の結合力を強くすることができ、バインダーとして機能する。すなわち、微粒子層５３１、５３２、５３３の剥がれを防ぐことができる。また、複数の層を１つの塊として取り扱うことができるため、転写を容易に確実に行うことができる。

本発明のスクリーン５の形成方法は、上述の微粒子構造体の形成方法を利用することで形成することができる。微粒子５１１を分散媒に分散させた微粒子溶液に可視光吸収層を有する基板５０を浸漬させる。浸漬した基板５０をこの微粒子溶液から引き上げ、微粒子溶液を基板５０に塗布する。引き上げられた基板５０は、基板５０の微粒子溶液を乾燥させる。この乾燥により、基板５０上で微粒子溶液の分散媒が徐々に蒸発し、微粒子５１１が自己組織化により基板５０上で３次元的に規則正しく配列する。したがって、微粒子５１１が自己組織化により３次元的に規則正しく配列した微粒子層５３１が形成される。この微粒子層５３１に高分子５２１を溶媒に溶解した高分子溶液を塗布又は噴霧する。これにより、微粒子層５３１の表面及び層内に高分子５２１が配され、微粒子５１１を固定化する。これにより微粒子層５３１が高分子５２１によって固定化することができる。

次に、微粒子層５３１が形成された基板５０を微粒子５１２を分散媒に分散させた微粒子溶液に浸漬させる。浸漬した基板５０をこの微粒子溶液から引き上げ、微粒子溶液を微粒子層５３１の層上に塗布する。引き上げられた基板５０は、微粒子層５３１の層上に塗布された微粒子溶液を乾燥させる。この乾燥により、微粒子層５３１の層上で微粒子溶液の分散媒が徐々に蒸発し、微粒子５１２が自己組織化により微粒子層５３１上で３次元的に規則正しく配列する。したがって、微粒子５１２が自己組織化により３次元的に規則正しく配列した微粒子層５３２が形成される。この微粒子層５３２に高分子５２２を溶媒に溶解した高分子溶液を塗布又は噴霧する。これにより、微粒子層５３２の表面及び層内に高分子５２２が配され、微粒子５１２を固定化する。これにより微粒子層５３２が高分子５２２によって固定化することができる。

そして、微粒子層５３２が形成された基板５０を微粒子５１３を分散媒に分散させた微粒子溶液に浸漬させる。浸漬した基板５０をこの微粒子溶液から引き上げ、微粒子溶液を微粒子層５３２の層上に塗布する。引き上げられた基板５０は、微粒子層５３２の層上に塗布された微粒子溶液を乾燥させる。この乾燥により、微粒子層５３２の層上で微粒子溶液の分散媒が徐々に蒸発し、微粒子５１３が自己組織化により微粒子層５３２上で３次元的に規則正しく配列する。したがって、微粒子５１３が自己組織化により３次元的に規則正しく配列した微粒子層５３３が形成される。この微粒子層５３３に高分子５２３を溶媒に溶解した高分子溶液を塗布又は噴霧する。これにより、微粒子層５３３の表面及び層内に高分子５２３が配され、微粒子５１３を固定化する。これにより微粒子層５３３が高分子５２３によって固定化することができる。このように本発明のスクリーン５を形成することができる。

ここで、微粒子溶液の塗布方法は、上述のように引き上げ法により基板に塗布してもよいが、カーテンコーティング、スクリーンコーティング、ナイフコーティング等の既存のコーティング法を利用してもよい。また、高分子の微粒子層の表面及び層内へに配する方法としては、上述のように、高分子を溶媒に溶解させた高分子溶液を噴霧又は塗布する方法でもよいが、微粒子を分散媒に分散させた微粒子分散溶液に高分子を溶解させ、微粒子溶液の塗布とともに微粒子層の表面及び層内に配してもよい。

このように、本発明のスクリーンは、それぞれの層を高分子で固定化することで、機械的強度を向上させることができる。また、層間の結合力を強くすることができ、バインダーとして機能する。すなわち、層の剥がれを防ぐことができる。さらに、複数の層を１つの塊として取り扱うことができるため、転写を容易に確実に行うことができる。

以下、本発明に関する実施例を示す。なお、本発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

［実施例１］光学特性の変わらない高分子の塗布条件の探索
基板として、サンドブラスト加工により表面の濡れ性を高めたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）基板（帝人デュポンフィルム製）を用いた。この基板上に後に形成する微粒子層の下地となり、微粒子層を形成する微粒子よりも粒径小さい下地微粒子を基板に堆積させたバッファー層を形成した。このバッファー層は、粒径１００ｎｍ（日本触媒製 ＫＥ−Ｗ１０）の下地微粒子を分散媒に分散させた下地微粒子溶液を基板に塗布して乾燥させることで、基板上にバッファー層を形成することができる。このときの下地微粒子溶液は、濃度が１５．６ｗｔ％となるように調製された。この下地微粒子溶液にＰＥＴ基板を浸漬させ、ＰＥＴ基板を５ｃｍ／ｓｅｃの速さで引き上げ、この浸漬工程及び引き上げ工程を２回繰り返した。このとき、サンドンブラストの凹凸にバッファー層が敷き詰められている状態になった。

その後、粒径２２０ｎｍのシリカ微粒子（日本触媒製 ＫＥ−Ｗ２２）を分散媒に分散させ、濃度が２０ｗｔ％となるように微粒子溶液を調製した。この微粒子溶液にＰＥＴ基板を浸漬させ、引き上げ速度が１ｃｍ／ｓｅｃで引き上げた。そして、ＰＥＴ基板上の微粒子溶液を乾燥させた。乾燥後、分光反射率を測定すると、４６５ｎｍ付近におよそ２０％程度の反射ピークが検出された。

上述のように形成された微粒子層の表面にポリビニルアルコール（ＰＶＡ）（日本合成化学製 ＮＭ−１１）を溶解したＰＶＡ溶液をスプレー（タミヤ模型製 スプレーワークＨＧ）により噴霧した。このときのスプレーの液滴の大きさは１ｍｍ以下で、スプレー特性は２．１×１０^−４ｃｃ／ｓｅｃ・ｃｍ^２で、サンプルより３０ｃｍ離して１０秒間噴霧した。ＰＶＡ溶液の噴霧後、乾燥させた。このＰＶＡ溶液噴霧工程及び乾燥工程を３回繰り返した。ＰＶＡ溶液は、濃度が３．０ｗｔ％、１．３ｗｔ％、０．３３ｗｔ％となる溶液を使用した。各濃度における微粒子層の分光反射率を測定し、その結果を図１５、図１６、図１７に示す。

その結果、図１５のように、ＰＶＡ濃度が３．０ｗｔ％の場合、反射率が低下し、反射ピークが長波長側にシフトしていることが分かった。また、図１６のように、ＰＶＡ濃度が１．３ｗｔ％の場合、反射率の低下は見られるものの３．０ｗｔ％の場合に比べてよい反射特性を示した。さらに、図１７のように、０．３３ｗｔ％の場合、反射率の低下はほとんど見られず、光学特性の劣化を確認できなかった。すなわち、光の反射を妨げない高分子１２の濃度としては、１．３ｗｔ％以下で、さらに、高分子の存在しない微粒子層と同等の反射率を持たせるためには、０．３３ｗｔ％以下の濃度であることが好ましいことがわかった。このように、光学特性を劣化させずに微粒子層にＰＶＡを配することで機械的強度を向上させることができることができた。

［実施例２］巻き付けに対する耐性
実施例１の方法で作製したサンプルのうち、サンプルの一部に濃度０．３３ｗｔ％のＰＶＡ溶液を塗布した。そのサンプルを１０ｍｍの筒に巻きつけ、そのサンプルの表面を観察した。その結果を図１６に示す。

図１８のように、ＰＶＡ溶液を塗布していない領域は、フォトニック結晶が剥がれていた。それに対し、ＰＶＡを塗布した領域は、フォトニック結晶の剥がれがほとんど見られなかった。また、このフォトニック結晶の分光反射特性を測定したが、実施例１の図１８と同様に分光反射特性は変化しなかった。すなわち、ＰＶＡの濃度と塗布条件を制御することで、光学特性を損なうことなく、機械的強度を向上させることができることがわかった。

［実施例３］ バインダーの塗布
まず、実施例１と同様に、サンドブラストしたＰＥＴ基板に１００ｎｍのシリカ微粒子を使ってバッファー層を形成した。バッファー層を形成したＰＥＴ基板に、実施例１と同様に、２２０ｎｍのシリカ微粒子を使用し、１ｃｍ／ｓｅｃの速さで引き上げ法により微粒子層を形成した。この微粒子層の厚さは約２μｍであった。微粒子層の乾燥後、微粒子層の表面に実施例１と同様の条件でＰＶＡ溶液を塗布した。さらに、微粒子層に引き上げ法により同じ粒径の微粒子層を積層させるという工程を全部で３回繰り返した。

形成された微粒子層をＰＶＡを塗布しないで同様に形成された微粒子層と比較した。ＰＶＡ溶液を噴霧しなかった微粒子層は、図１９（ａ）のように微粒子層が剥がれてしまった。一方ＰＶＡ溶液を噴霧した微粒子層は、図１９（ｂ）のように微粒子層が剥がれなかった。以上のように、基板から微粒子層が剥がれることなく厚い微粒子層を形成することができた。このときの微粒子層全体の厚さは、約６μｍ以上であった。また、このＰＶＡ溶液を噴霧した基板にさらに３層の微粒子層を積層させることもできた。このときの微粒子層全体の厚さは、約１２μｍであった。したがって、微粒子の粒径の約３０倍以上の厚さの微粒子層を有する微粒子構造体を形成することができた。

［実施例４］スクリーンの形成
図２０は、本実施例３の各工程を示す図である。まず、図２０（ａ）のように、実施例１と同様に、１００ｎｍのシリカ微粒子を使ってバッファー層を有するサンドブラストしたＰＥＴ基板７０を形成した。続いて、図２０（ｂ）のように赤色の光を反射することができる微粒子層７５を作製するために粒径が３００ｎｍのシリカ微粒子（日本触媒製 ＫＥ−ＷＥ３２）を分散媒に分散させ、濃度が２０ｗｔ％となるように調製した。この微粒子溶液を基板７０に引き上げ法により塗布した。このときの引き上げ速度は、１ｃｍ／ｓｅｃであった。微粒子溶液の乾燥後、図２０（ｃ）のように、０．３３ｗｔ％のＰＶＡ水溶液を実施例１と同様に塗布した。

次に、図２０（ｄ）のように、赤色の光を反射することができる微粒子層７５を形成した基板７０に、緑色の光を反射することができる微粒子層７６を作製するために、粒径が２５０ｎｍのシリカ微粒子（日本触媒製 ＫＥ−Ｗ２５）を分散媒に分散させ、濃度が２０ｗｔ％となるように調製した。この微粒子溶液を基板７０に引き上げ法により塗布した。このときの引き上げ速度は、１ｃｍ／ｓｅｃであった。微粒子溶液の乾燥後、図２０（ｅ）のように、０．３３ｗｔ％のＰＶＡ水溶液を実施例１と同様に塗布した。

その後、図２０（ｆ）のように、緑色の光を反射することができる微粒子層７６を形成した基板７０に、青色の光を反射することができる微粒子層７７を作製するために、粒系が２２０ｎｍのシリカ微粒子（日本触媒製 ＫＥ−Ｗ２２）を分散媒に分散させ、濃度が２０ｗｔ％となるように調製した。この微粒子溶液を基板７０に引き上げ法により塗布した。このときの引き上げ速度は１ｃｍ／ｓｅｃであった。微粒子溶液の乾燥後、図２０（ｇ）のように、０．３３ｗｔ％のＰＶＡ水溶液を実施例１と同様に塗布した。

次に、サンドブラスト加工していないＰＥＴ基板７１（帝人デュポン製）に粘着テープ７２（日東電工製 ＣＳ−９６１１）の弱粘着側を貼り付けたものを使用した。そして、図２０（ｈ）のように、この基板７１の強粘着側を基板７０の微粒子層７７に貼り付けた。十分に貼り付けたことを確認してから、図２０（ｉ）のように、微粒子層を持上げ、基板７０から微粒子層を剥がし、基板７０から基板７１に微粒子層の転写を行った。

形成されたサンプルの概観を図に示す。図２１に示されるように、微粒子層は略綺麗に転写されることがわかった。所々転写されていない箇所があるが、これはゴミ等の付着により、微粒子層の表面が平坦にならず、粘着テープ７２が十分に接着されてなかったためである。また、図２２に示すように、形成されたスクリーンは、波長選択性を有していることがわかった。これは、粒径の異なるフォトニック結晶層を堆積させると、その界面近傍で応力がかかってしまうことが原因であると考えられる。このような場合でも、ＰＶＡを塗布することで応力が緩和されて剥がれる問題を解決することができた。ここで、基板７１をＰＥＴ基板ではなく、透明なポリカーボネートを用いると、転写後も微粒子層は波長選択性をもっていることも確認された。

次に、このスクリーンの微粒子層の剥がれについて検討した。図２３には、ＰＶＡ溶液を塗布していないスクリーンの表面とその構造を示す図を示し、図２４には、ＰＶＡ溶液を塗布したスクリーンの表面とその構造を示す図を示した。図２３のように、ＰＶＡを用いていないサンプルでは、基板から微粒子層が剥がれてしまっていた。一方、図２４のように、ＰＶＡを用いたサンプルでは基板から粒子層が剥がれなかった。これはＰＶＡがバインダーとして機能したためと考えられる。

［実施例５］
異径粒子間にＰＶＡを塗布することで、粒子層の形成に及ぼす影響を調べた。サンプルの作製過程を図２５及び図２６に示す。サンプル１は、図２５のように、基板に１００ｎｎｍのシリカを使って下地微粒子層を形成し、その上に３２０ｎｍのシリカを使って微粒子層を形成し、その上にＰＶＡ溶液を使用せずに２５０ｎｍのシリカを使用して微粒子層を積層させた。微粒子層の形成方法は、実施例４に示した方法と同様である。サンプル２は、サンプル１と同様に３２０ｎｍのシリカを使用して微粒子層を形成した後に、ＰＶＡ溶液を塗布し、２５０ｎｍのシリカを使用して微粒子層を積層させた。この２つのサンプルを乾燥させた後、２つのサンプルの分光反射率を測定した。その結果を図２７に示す。

図２７に示されるとおり、６５０ｎｍ付近に粒径３２０ｎｍのシリカ微粒子層由来のピークが観察された。また、５３０ｎｍ付近に粒径２５０ｎｍのシリカ微粒子層由来のピークが観察された。したがって、ＰＶＡの有無によって分光反射率分布が変化することはなかった。別の点でも反射率を測定したがＰＶＡの有無によって大きく分光反射率分布が変化することはなかった。以上の結果から、ＰＶＡがフォトニック結晶の成長に影響を及ぼすことなく、粒子間の結合力を高め、機械的強度を向上させられることが示された。

［実施例６］微粒子層の転写
基板として黒いＰＥＴ基板を使用し、２つのサンプルを作製した。サンプル３は、基板に１００ｎｍのシリカを使用して下地微粒子層を形成し、そのシリカ微粒子層にＰＶＡ溶液を塗布した。その後、３２０ｎｍのシリカを使用して微粒子層を形成し、ＰＶＡ溶液を塗布せずに２５０ｎｍのシリカを使用して微粒子層を形成した。２５０ｎｍの微粒子層の形成後、ＰＶＡ溶液を塗布し、その上に２２０ｎｍのシリカを使用して微粒子層を形成した。

一方、サンプル４は、基板に１００ｎｍのシリカを使用して下地微粒子層を形成した。その後、３２０ｎｍのシリカを使用して微粒子層を形成し、ＰＶＡ溶液を塗布して２５０ｎｍのシリカを使用して微粒子層を形成した。２５０ｎｍの微粒子層の形成後、ＰＶＡ溶液を塗布し、その上に２２０ｎｍのシリカを使用して微粒子層を形成した。

この２つのサンプルを図２８及び図２９のように転写を行った。サンプル３は、図２８（ａ）のように、まず、２２０ｎｍの微粒子層の層上に粘着材を有する基板を接着させた。そして、図２８（ｂ）のように引き上げた。転写後のサンプル３の表面の状態を図３０に示す。また、サンプル４もサンプル３と同様に、図２９（ａ）のように、まず、２２０ｎｍの微粒子層の層上に粘着材を有する基板を接着させた。そして、図２９（ｂ）のように引き上げた。転写後のサンプル４の表面の状態を図３１に示す。

図３１のとおり、サンプル４は、極めて綺麗に転写され、黒いＰＥＴ基板を観察することができる。所々転写されていない箇所はあるが、これは、ゴミ等の要因で粘着剤が綺麗に貼れなかったためと考えられる。サンプル４のように、微粒子間にＰＶＡ溶液を塗布することで、ＰＶＡがバインダーとして機能し、転写性を向上させることができた。一方、サンプル３は、図３０のとおり、転写が不完全であった。

このサンプル３及びサンプル４の転写後の黒いＰＥＴ基板の分光反射率を測定した。この測定は、サンプル３及びサンプル４のそれぞれ異なる２点について測定した。このとき、光源とデテクターをサンプルに接触させることで感度を高めた。その結果を図３２に示す。

サンプル３では粒径３２０ｎｍシリカ由来の赤色の反射ピークが観察された。ただし、図３２（ａ）と図３２（ｂ）のように、測定点によってピークの大きさが大きく異なっていた。一方、図３２（ｃ）及び図３２（ｄ）の示すサンプル４は、赤色のピークは観察されず、また、測定点によってピークの大きさの違いはあまり見られなかった。

これは、サンプル３では、３２０ｎｍと２５０ｎｍの微粒子層の間にはＰＶＡ溶液を塗布していないため、３２０ｎｍの粒子は黒いＰＥＴ基板との相互作用が強くなり、転写されにくくなった。ところが、サンプル４では３２０ｎｍの微粒子層と下地微粒子層との間にＰＶＡ溶液を塗布していない。このため、３２０ｎｍ、２５０ｎｍ、２２０ｎｍの微粒子層が１つの塊となったため、転写されやすくなり、３２０ｎｍの微粒子層と下地微粒子層との界面がはがれやすくなったためと考えられる。以上のように、異径粒子間にＰＶＡ溶液を塗布することでバインダーとして働き、転写性が向上させることができた。

形成される微粒子構造体の基板上の微粒子溶液の乾燥によって自己組織化的に微粒子が集合する過程を示す説明図である。 微粒子を規則的に配列させた従来のスクリーンの拡大断面図である。 基板上に形成されたスクリーンを別の基板に転写する工程を示す図である。 従来のスクリーンを転写する際の状況を示す図である。 従来のスクリーンを転写した際の基板の表面のＳＥＭ像を示す図である。 基板と微粒子層との間に下地微粒子層を形成した従来のスクリーンの拡大断面図である。 図６に示された従来のスクリーンの転写後の基板の表面を示す図である。 微粒子の配列の過程で微粒子層が剥がれた従来の微粒子構造体の基板の表面を示す図である。 従来のゼラチンを塗布したフォトニック結晶の乾燥過程によって生じた表面のひび割れを示す図である。 本発明の微粒子構造体の一例を示す図である。 本発明の微粒子構造体の転写の工程を示す図である。（ａ）は、本発明の微粒子構造体に接着剤を介して別の基板を貼り付ける工程を示し、（ｂ）は、本発明の微粒子構造体に貼り付けた別の基板を引き上げて基板から引き剥がす工程を示す図である。 本発明の微粒子層を積層した微粒子構造体の一例を示す図である。 本発明のスクリーンの一例を示す図である。 本発明のスクリーンの転写の工程を示す図である。（ａ）は、本発明のスクリーンに接着剤を介して別の基板を貼り付ける工程を示し、（ｂ）は、本発明のスクリーンに貼り付けた別の基板を引き上げて基板から引き剥がす工程を示す図である。 ３ｗｔ％のＰＶＡ溶液の噴霧前後の微粒子層の分光反射率の変化を示す図である。 １．３ｗｔ％のＰＶＡ溶液の噴霧前後の微粒子層の分光反射率の変化を示す図である。 ０．３３ｗｔ％のＰＶＡ溶液の噴霧前後の微粒子層の分光反射率の変化を示す図である。 形成されたフォトニック結晶の一部にＰＶＡ溶液を塗布し、フォトニック結晶の剥がれの様子を示す図である。 形成された微粒子層の表面を示す図である。（ａ）は、ＰＶＡ溶液を塗布しないで形成された微粒子層の表面を示し、（ｂ）は、ＰＶＡ溶液を塗布して形成された微粒子層の表面を示す図である。 本発明のスクリーンの形成及び転写の工程を示す図である。（ａ）は、サンドブラストしたＰＥＴ基板に下地微粒子層を形成した工程を示し、（ｂ）は、３００ｎｍのシリカ微粒子を配列してなる微粒子層を形成した工程を示し、（ｃ）は、形成した微粒子層にＰＶＡ溶液を塗布した工程を示し、（ｄ）は、２５０ｎｍのシリカ微粒子を配列してなる微粒子層を形成した工程を示し、（ｅ）は、形成した微粒子層にＰＶＡ溶液を塗布した工程を示し、（ｆ）は、２２０ｎｍのシリカ微粒子を配列してなる微粒子層を形成した工程を示し、（ｇ）は、形成した微粒子層にＰＶＡ溶液を塗布した工程を示し、（ｈ）は、微粒子層に粘着テープを有する別の基板を貼り付ける工程を示し、（ｉ）は、微粒子層に貼り付けた別の基板を引き上げて基板から引き剥がす工程を示す図である 図２０に示される工程で転写されたスクリーンの表面を示す図である。 実施例４により形成されたスクリーンの分光反射率を測定した結果を示す図である。 ＰＶＡ溶液を塗布しないで形成されたスクリーンの表面を示す図である。 ＰＶＡ溶液を塗布して形成されたスクリーンの表面を示す図である。 ＰＶＡ溶液を塗布しないで２５０ｎｍの微粒子層を形成したサンプル１の構造図である。 ＰＶＡ溶液を塗布して２５０ｎｍの微粒子層を形成したサンプル２の構造図である。 ＰＶＡ溶液を塗布しないで形成されたサンプルとＰＶＡ溶液を塗布して形成されたサンプルとの分光反射率を測定した結果を示す図である。 下地微粒子層にＰＶＡ溶液を塗布したサンプルの転写の様子を示す図である。（ａ）は、粘着材を有する別の基板をサンプル３に貼り付ける工程を示し、（ｂ）は、貼り付けた別の基板を引き上げ、基板から引き剥がした工程を示す図である。 ３２０ｎｍの微粒子層にＰＶＡ溶液を塗布したサンプル４の転写の様子を示す図である。（ａ）は、粘着材を有する別の基板をサンプルに貼り付ける工程を示し、（ｂ）は、貼り付けた別の基板を引き上げ、基板から引き剥がした工程を示す図である。 サンプル３の転写後の表面の状態を示す図である。 サンプル４の転写後の表面の状態を示す図である。 サンプル３及び４の分光反射率を測定した結果を示す図である。（ａ）は、サンプル３の任意の点の測定結果を示し、（ｂ）は、サンプル３の（ａ）とは異なる点での測定結果を示す図である。（ｃ）は、サンプル４の任意の点の測定結果を示し、（ｄ）は、表面に表れた下地微粒子層だけとなっている点の測定結果を示す。

符号の説明

１、２ 微粒子構造体
１０、２０、５０ 基板
１１、２１、５１１、５１２、５１３ 微粒子
１２、２２、５２１、５２２、５２３ 高分子
１３、２３、２６、２９、５３１、５３２、５３３ 微粒子層
１４、５４ 粘着材
１５、５５ 別の基板
５ スクリーン

Claims (18)

1. 略平板状の基板と、
   上記基板上に自己組織化により微粒子を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層と、
   上記微粒子の配列した上記微粒子層に塗布又は噴霧され、上記基板に配列した上記微粒子を固定化する高分子とを有することを特徴とする微粒子構造体。
2. 上記微粒子層は、フォトニック結晶であることを特徴する請求項１記載の微粒子構造体。
3. 上記微粒子層は、上記微粒子を分散媒に分散した微粒子溶液に上記基板を浸漬し、上記微粒子溶液から上記基板を引き上げることにより形成されることを特徴とする請求項１記載の微粒子構造体。
4. 上記微粒子層の厚さは、上記微粒子の粒径の３０倍以上であることを特徴とする請求項１記載の微粒子構造体。
5. 上記微粒子層は、上記微粒子とは異なる粒径の第２微粒子を自己組織化により３次元的に規則正しく配列させた第２微粒子層を上記微粒子層の厚さ方向上方に積層することを特徴とする請求項１記載の微粒子構造体。
6. 上記高分子は、上記微粒子層の表面に塗布される高分子の量と上記微粒子層の層内に塗布される高分子の量とに差があることを特徴とする請求項１記載の微粒子構造体。
7. 上記高分子は、上記微粒子層と上記第２微粒子層との界面又はその近傍に多く配されることを特徴とする請求項５記載の微粒子構造体。
8. 微粒子を分散媒に分散させた微粒子溶液を略平板状の基板に塗布する工程と、
   上記基板に塗布された上記微粒子溶液を乾燥させて自己組織化により上記微粒子を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層を形成する工程と、
   上記微粒子を固定化する高分子を上記微粒子の配列した上記微粒子層の表面及び層内に配する工程とを有することを特徴とする微粒子構造体の形成方法。
9. 上記高分子は、該高分子を溶媒に溶解させた高分子溶液を上記微粒子層の表面及び層内に複数回塗布又は噴霧するとともに塗布又は噴霧毎に乾燥させる、或いは、上記高分子を形成するモノマーを上記微粒子層の表面及び層内に複数回配するとともに上記モノマーを配する毎に上記モノマーを高分子化させることを特徴とする請求項８記載の微粒子構造体の形成方法。
10. 上記高分子溶液の濃度は、１ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項８記載の微粒子構造体の形成方法。
11. 上記高分子溶液の濃度は、０．３３ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項８記載の微粒子構造体の形成方法。
12. 上記高分子は、上記微粒子と親和性の高い高分子であることを特徴とする請求項８記載の微粒子構造体の形成方法。
13. 上記微粒子は、シリカであることを特徴とする請求項８記載の微粒子構造体の形成方法。
14. 上記高分子は、ポリビニルアルコール又はポリビニルアルコールを有する共重合体であることを特徴とする請求項８記載の微粒子構造体の形成方法。
15. 略平板状の基板と、
    上記基板上に自己組織化により微粒子を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層と、
    上記微粒子の配列した上記微粒子層に塗布又は噴霧され、上記基板に配列した上記微粒子を固定化する高分子とを有することを特徴とするスクリーン。
16. 略平板状の基板と、
    上記基板上に微粒子を分散媒に分散した微粒子溶液を塗布し、自己組織化により上記微粒子を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層と
    上微粒子溶液と混合され、上記基板に配列した微粒子を固定化する高分子とを有することを特徴とする微粒子構造体。
17. 微粒子を分散媒に分散させた微粒子溶液を略平板状の基板に塗布する工程と、
    上記基板に塗布された上記微粒子溶液を乾燥させて自己組織化により上記微粒子を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層を形成する工程と、
    上記微粒子を固定化する高分子を上記微粒子溶液に混合し、上記基板に配列した上記する工程とを有することを特徴とする微粒子構造体の形成方法。
18. 略平板状の基板と、
    上記基板上に微粒子を分散媒に分散した微粒子溶液を塗布し、自己組織化により上記微粒子を３次元的に規則正しく配列させた微粒子層と、
    上微粒子溶液と混合され、上記基板に配列した微粒子を固定化する高分子とを有することを特徴とするスクリーン。