JP2007147827A - 多色表示用光学組成物、光学素子、及び光学素子の表示方法 - Google Patents

多色表示用光学組成物、光学素子、及び光学素子の表示方法 Download PDF

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Abstract

【課題】白色度の高い白色を呈示可能な多色表示用光学組成物、光学素子10、及び光学素子10の表示方法を提供する。
【解決手段】分散媒20と、内部に外部と連通する空隙構造を有する周期構造体18と、分散媒中20に含有され、分散された分散状態における体積平均一次粒径が1nm以上80nm以下であり、刺激によって凝集された光学的凝集状態における凝集粒子の体積平均一次粒径が100nm以上であり且つ分散媒とは0.1以上異なる屈折率を有する移動性粒子20Aと、を備え、移動性粒子20Aは、分散媒20中に分散された分散状態では無色を呈し、凝集された凝集状態では白色度が所定値以上の白色を呈する
【選択図】図3

Description

本発明は、多色表示用光学組成物、光学素子、及び光学素子の表示方法に係り、特に、周期構造体を利用した多色表示用光学組成物、光学素子、及び光学素子の表示方法に関する。

近年、サブマイクロスケールの周期構造体(規則構造体)を利用した「構造色」による発色機構を用いた表示・調色システムが提案されている。現在までにシリカやポリマーの単分散粒子を用いたコロイド結晶、ブロック共重合体のミクロドメイン構造、界面活性剤のラメラ構造等による周期構造体を利用した構造色の発色が報告されている。

なお、上記「構造色」の定義は明確ではないが、光の波長あるいはそれ以下の微細構造による発色現象を示し、一般的に色として多く見られる色素とは異なり、光の波動性に起因した発色を示している。

例えば、特許文献1の技術では、複数の構造単位である球状の粒子を規則的に且つ稠密に配列するように構成してなる周期構造体と、周期構造体を刺激させる外部刺激手段と、を有し、この外部刺激手段により電圧を印加することにより、周期構造体を構成する粒子の径を変化させることによって、周期構造体の周期を変化させることにより、構造色を変化させている。

特許文献2に示される技術では、球状の空間が手記的に配列された球状空間周期配列構造体の各球状空間に、光異性化を起こす化合部とネマチック液晶との混合物を充填して、この化合物を光異性化することによって液晶をネマチック層と当方層との間で相転移させることができるので、紫外光と可視光とを交互に照射することによる反射率のON/OFFスイッチングを実現すると共に、球状空間の径に依存する反射ピークの波長調整を行うことにより、不透明と任意の着色状態のスイッチングを簡単に設計することが可能となる。

特許文献3に示される技術では、屈折率及びエッチング特性の異なる複数の媒質が周期的に積層して成る基体上に、二次元の周期で凹設けされた細孔部を形成することにより、厚み方向に屈折率の異なる三次元の周期構造を作製し、細孔部に液晶を注入すると共に三次元の周期構造を可変にすることにより、多種の光学特性を得ることができる。

また、特許文献4に示される技術では、基板中あるいは基板上に光学媒質を周期的に配列させることによりなる周期性構造物に、磁場や電場等の外場を印加することにより、基板に寸法変化を生じさせて、屈折率の非周期性を任意に変更している。
特開2005―31172号公報 特開2004―46224号公報 特開2002―162653号公報 特開2003―202402号公報

表示素子としては、コントラストの向上等の観点から、白色度の高い白色の呈示が求められるが、上記特許文献1、上記特許文献2、及び上記特許文献4の技術では、周期構造体自体の空隙の大きさや、周期構造体の大きさ、または周期構造体を構成する粒子の粒径を変更することにより、周期構造体の周期を変化させて光学量を制御し、可視光の特定の反射波長及び透過波長の少なくとも1つを変化させることで、表示色を変化させており、複数の異なる色は呈示できるものの可視光波長の範囲全体を反射することができず、つまり白色を呈することが困難であった。そのため、例えば3つの異なった領域から反射される光の三原色をあわせて白色を呈することしかできないことから、高い反射率、つまり白色度の高い白色を呈示することは困難であった。

上記特許文献3の技術のような、周期構造体の孔に液晶を充填し、さらに周期構造体の周期を変化させる方法においても、液晶による光散乱性が低いことや上記と同様の理由から、白色度の高い白色を表現することは困難であった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、白色度の高い白色を呈示可能な多色表示用光学組成物、光学素子、及び光学素子の表示方法を提供することを目的とする。

上記課題は、以下の手段により解決される。
即ち、本発明の多色表示材料組成物は、透光性を有する分散媒と、前記分散媒中に配され、内部に外部と連通する空隙構造を有する周期構造体と、前記分散媒中に移動可能に含有され、該分散媒中に分散された分散状態における体積平均一次粒径が1nm以上80nm以下であり刺激の付与によって凝集された光学的凝集状態における凝集粒子の体積平均粒径が100nm以上であり且つ前記分散媒とは0.1以上異なる屈折率を有する移動性粒子と、を含んでいる。

本発明の多色表示材料組成物に含まれる移動性粒子は、上記構成とされることにより、分散媒中に分散された分散状態では無色を呈し、凝集された凝集状態では白色度が所定値以上の白色を呈する。

ここで、所定値とは、ISO白色度で20%以上である事が好ましく、30%以上であることが更に好ましく、40%以上であることが特に好ましい。
また、上記「光学的凝集状態」とは、複数の移動性粒子間の距離が、光の波長の1/2λ以下である状態を示している。

なお、前記移動性粒子は、前記分散媒中に分散された分散状態では無色を呈し、凝集された凝集状態では光散乱によって白色度が所定値以上の白色を呈する。

また、前記移動性粒子は、前記周期構造体の内部又は外部に選択的に配置されることが好ましい。

また、前記移動性粒子は、電界や磁界等の電場によって移動可能な電場移動性粒子であることが好ましい。

また、本発明の多色表示材料組成物において、前記周期構造体は、多孔質構造体である事が好ましい。

また、本発明の多色表示材料組成物において、前記周期構造体の素材色は有色であってもよく、無色であってもよい。

本発明の多色表示材料組成物では、前記移動性粒子が無色の粒子であることが好適である。また、前記粒子が、酸化チタン、シリカ、及び酸化亜鉛から選択される少なくとも1種の粒子であることが好ましい。

一方、本発明の光学素子は、一対の基板を有し、前記一対の基板間に、透光性を有する分散媒と、前記分散媒中に配され、内部に外部と連通する空隙構造を有する周期構造体と、前記分散媒中に移動可能に含有され、該分散媒中に分散された分散状態における体積平均一次粒径が1nm以上80nm以下であり、刺激の付与によって凝集された光学的凝集状態における凝集粒子の体積平均粒径が100nm以上であり且つ前記分散媒とは0.1以上異なる屈折率を有する移動性粒子と、を備えている。

また、本発明の光学素子は、前記移動性粒子を前記周期構造体の表面に積層させる積層手段を備えることができる。
前記積層手段としては、電荷を付与するための電界付与手段を用いることができる。

積層手段によって、移動性粒子を周期構造体の表面に積層させることにより、移動性粒子は周期構造体の表面において凝集された状態となり、白色度が所定値以上となるような白色を呈することができる。

また、前記積層手段は、前記移動性粒子を前記周期構造体の前記空隙構造の内部または外部に選択的に配置させるための選択配置手段を含むことができる。
移動性粒子を周期構造体の空隙構造の内部または外部に選択的に配置させることで、空隙構造内に含有される移動性粒子の含有率を変化させることにより、周期構造体の構造色を変化させて多色表示を行うことができる。

なお、前記一対の基板のうち一方が有色である、又は有色体を有することが好ましい。

また、本発明の光学素子の表示方法は、上記本発明の多色表示材料組成物を備えた光学素子の表示方法であって、前記移動性粒子を前記周期構造体の少なくとも表面に積層させる積層工程を有している。

すなわち、本発明の光学素子の表示方法は、透光性を有する分散媒と、前記分散媒中に配され、内部に外部と連通する空隙構造を有する周期構造体と、前記分散媒中に移動可能に含有され、該分散媒中に分散された分散状態における体積平均一次粒径が1nm以上80nm以下であり、刺激の付与によって凝集された光学的凝集状態における凝集粒子の体積平均粒径が100nm以上であり且つ前記分散媒とは0.1以上異なる屈折率を有する移動性粒子と、を備えた光学素子の表示方法であって、前記移動性粒子を前記周期構造体の少なくとも表面に積層させる積層工程を有する。

移動性粒子を周期構造体の表面に積層させる工程により、移動性粒子は周期構造体の表面において凝集された状態となり、白色度が所定値以上となるような白色を呈することができる。

また、本発明の光学素子の表示方法は、前記移動性粒子を前記周期構造体の前記空隙構造の内部に移動させる内部粒子移動工程と、前記移動性粒子を前記周期構造体の前記空隙構造の外部に移動させる外部粒子移動工程と、を更に有することができる。
また、前記周期構造体の前記空隙構造の空隙に対する、前記移動性粒子の含有率の変化によって多色表示を行うことができる。

移動性粒子を周期構造体の空隙構造の内部へ移動させる内部粒子移動工程を有すると共に、移動性粒子を周期構造体の空隙構造の外部へ移動させる外部粒子移動工程を有することにより、空隙構造内に含有される移動性粒子の含有率を変化させ、周期構造体の構造色を変化させて多色表示を行うことができる。

本発明によれば、白色度の高い白色を呈示可能な多色表示用光学組成物、光学素子、及び光学素子の表示方法を提供することができる、という効果が得られる。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、実質的に同じ機能を有する部材には、全図面同じ符号を付与し、重複する説明は省略する場合がある。

図1は、実施形態に係る光学素子10を示す概略構成図である。本実施形態に係る光学素子10は、図1に示すように、スペーサー22により所定の間隙をもって対向配置された透明基板11及び背面基板12を備え、当該透明基板11及び背面基板12の間隙内に、第1電極14及び第2電極16と、多色表示用光学組成物として周期構造体18及び分散媒20が配置されている。分散媒20には、移動性粒子20Aとして、光学素子10内に形成された電界や磁界等に応じて光学素子10内を移動可能となるように分散媒20中に含有されている。

上記のように電界や磁界等に応じて光学素子10内を移動可能な移動性粒子20Aとしては、所定の電荷を有する電荷移動性粒子や、磁力を有する磁気移動性粒子等がある。

なお、光学素子10が、本発明の光学素子に相当する。また、上記分散媒20、上記周期構造体18、及び上記移動性粒子20Aを含む組成物が、本発明の多色表示材料組成物に相当する。また、分散媒20が本発明の分散媒に相当し、周期構造体18が、本発明の周期構造体に相当する。また、上記第1電極14及び上記第2電極16が、本発明の積層手段及び選択配置手段に相当する。

周期構造体18は、層状に第1電極14に当接して、当該第1電極14と共に背面基板12表面に配設されている。一方、分散媒20は基板の間隙に封入されて周期構造体18と接触すると共に、一方の透明基板11表面に配設された第2電極16と接触されている。

まず、周期構造体18について説明する。光の波長程度の大きさで屈折率の異なる2つ以上の領域がサブマイクロスケール程度で周期的に並べられた周期構造を持つものであり、ある条件下において、当該周期構造によって可視光が干渉され、周期構造体特有の構造色を呈するものが利用できる。無論、周期構造体18はその構造体に由来する構造色が無色、即ち構造色が可視領域に存在せず、周期構造体18単独では素材色を呈しており、後述する移動性粒子によって平均屈折率が変化し、構造色が可視領域に達し所定の構造色を呈するようにしてもよい。
なお、光学素子10用に最適化された周期構造体18は、フォトニック結晶構造体とも呼ばれている。

なお、上記「構造色」の定義は明確ではないが、光の波長あるいはそれ以下の微細構造による発色現象を示し、一般的に色として多く見られる色素とは異なり、光の波動性に起因した発色を示している。

周期構造体18の素材の色は、有色であってもよし、無色であってもよい。周期構造体18の構造色が無色、又は後述する移動性粒子によって平均屈折率が変化することで構造色が無色となる(即ち可視領域外れた)場合には、周期構造体18の素材の色(以下、素材色と称する)を表示することができる。
例えば、周期構造体18の素材色が黒色(有色)であると、構造色が可視領域を外れたときには光学素子10が黒色を表示できるようになる。また、周期構造体18の素材色が透明(無色)であると、構造色が可視領域を外れたときには光学素子10が光を透過させることができるようになる。

周期構造体18は、移動性粒子20A(移動性粒子)が入り込めるように、その内部に外部と連通する空隙構造を有する必要があり、このような空隙構造としては例えば多孔質構造体が挙げられる。

この空隙構造は、立方体状、球状等の各種形状の孔部によって構成され、この孔部は、周期構造体18の、背面基板12と透明基板11との対向方向の一端から他端へ双方向に移動可能となるように連通されていることが好ましい。

周期構造体18として具体的には、コロイド結晶構造体、ミクロドメイン構造体、ラメラ構造体などのポジ型構造体、これらポジ型構造体を鋳型として用いたネガ型構造体が挙げられる。

ポジ型構造体は、単位構造体(例えば粒子等)間の間隙により空隙構造(多孔質構造)を持たせた構造体である。一方、ネガ型構造体は、ポジ型構造体の単位構造体(例えば粒子等)間の間隙に被鋳型物質を充填し当該構造体を除去することで、空隙構造(多孔質構造)を持たせた構造体である。
周期構造体18では、移動性粒子20Aが周期構造体18の空隙構造内へ出入りすることにより、その構造体に由来する構造色を変化させることができる。すなわち、周期構造体18は、周期構造体18の空隙構造による全空隙に対する、移動性粒子20Aの含有率の変化に応じて、周期構造体18に由来する構造色を変化させることができる。

なお、詳細は後述するが、本発明で用いる移動性粒子20Aは、分散媒20中に分散された分散状態では、無色を呈し、凝集された凝集状態では白色度が所定値以上の白色を呈する。
このため、周期構造体18の表面に、本発明で用いられる移動性粒子20Aが積層されて凝集した凝集状態(すなわち凝集粒子)となると、移動性粒子20Aによる光散乱によって、光学素子10は、白色度の高い白色を呈示することが可能となる(詳細後述)。

なお、上記「含有率」とは、周期構造体18の空隙構造の単位体積当たりの、空隙構造内に存在する移動性粒子20Aが占める割合を示している。

ここで、移動性粒子20A(移動性粒子)が周期構造体18の空隙構造の内部又は外部に選択的に配置されるためには、移動性粒子20A(移動性粒子)は空隙構造に容易に出入り可能である必要がある。このため、空隙構造(これが外部と連通する連通路も含む)は所定の大きさ以上である必要である。
また、周期構造体18の構造色を呈示するためには、周期構造体18による反射光の波長が可視光範囲内であることが必須である。
このため、空隙構造を構成する孔の長径は、10nm以上1000nm以下の範囲内であることが必須である。空隙構造を構成する孔の長径が、10nm未満、または1000nmより大きくなると、周期構造体18による反射光の波長が可視光範囲から大きく外れるため、移動性粒子の作用によって得られる色変化に制限が生じるという課題がある。
また、上記した空隙(孔)間あるいは外部との間には連通路(孔)が存在する必要があり、その孔の径はその長径で1nm以上1000nm以下であることが望ましい。この孔が1nm以下であると移動性粒子の周期構造体18内の移動を抑制してしまい、また1000nmよりも大きいと周期構造体18の強度が低下するという問題が生じる。

なお、本発明における光学素子10の色変調の原理は、周期構造体18の内部へ移動する移動性粒子20Aの含有率を変えることで、周期構造体18の屈折率が変り、それによって色(波長)が変化する。しかしなから、変化できる屈折率の値には限界があるので、つまり変化できる波長幅に制限がある。このため、周期構造体18に移動性粒子20Aが含まれない状態(初期状態)の反射波長があまりにも短波長あるいは長波長すぎると、そこから可視光範囲の全てで波長を変化させることが難しくなる。このようなことから、初期状態の反射波長を可視光範囲の外、ぎりぎりに設計することが必要となる。
初期状態の反射波長は、周期構造体18の空隙(孔)の直径と、屈折率と、で決まります。特に直径の影響が大きいため、上記のような規定をする必要がある。なお、空隙の長径が小さくなるほど、初期状態における周期構造体18の反射波長は短波長(紫外域)側へと遷移し、空隙の長径が大きくなるほど、周期構造体18の反射波長は、長波長(近赤外域)へと遷移し、いずれも人の目には無色に映る。

周期構造体18は、絶縁性であっても、導電性であってもよいが、例えば電極を兼ねる場合には少なくとも表面が導電性を有する必要がある。なお、上記ネガ型構造体は自体は一般的に導電性を有していないため、これらの構造体の表面を導電性物質で被覆したポジ型構造体、これらの単位構造体(例えば粒子等)の間隙に導電性物質を充填し当該構造体を除去したネガ型構造体(所謂、中空構造体)が適用される。

コロイド結晶構造体とは、コロイド粒子同士の斥力を利用して充填した非最密充填型構造体、コロイド粒子を密に充填した最密充填型構造体である。コロイド粒子としては、例えば体積平均粒子径10nm〜1000nmの粒子で、シリカ粒子、ポリマー粒子(ポリスチレン、ポリエステル、ポリイミド、ポリオレフィン、ポリ(メタ)アクリル酸メチル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエーテルスルフォン、ナイロン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなど)、その他、酸化チタンなどの無機物粒子)がある。

このようなコロイド粒子は、例えば、乳化重合、懸濁重合、二段階鋳型重合、化学的気相反応法、電気炉加熱法、熱プラズマ法、レーザ加熱法、ガス中蒸発法、共沈法、均一沈殿法、化合物沈殿法、金属アルコキシド法、水熱合成法、ゾルゲル法、噴霧法、冷凍凍結法、硝酸塩分解法で作製することができる。また、コロイド結晶構造体はコロイド粒子分散媒を用いて基板上にコロイド粒子を重力沈降法や塗布乾燥法によって自己組織的に堆積させる方法、あるいは電場や磁場の作用によって基板上に堆積させる方法、さらにはコロイド粒子の分散媒に基板を浸漬、引き上げて、基板上に形成させる方法によって作製することができる。

コロイド結晶構造体は厚さが100nm〜5mm、好ましくは500nm〜1mmであることがよい。

また、ミクロドメイン構造体は、例えば、二成分以上の異種高分子のブレンド体、異種高分子を化学結合で繋げたブロック共重合体を利用し、当該異種高分子間の反発により、数ナノメートル〜サブマイクロメートルの周期構造を持つものである。高分子ブレンド体としては、既存の多種類の高分子の組み合わせが適用可能であり、また、ブロック共重合体としては、例えば、ポリ(スチレン−co−イソプレン)ブロック共重合体、ポリ(スチレン−co−ブタジエン)ブロック共重合体ポリ(スチレン−co−ビニルピリジン)ブロック共重合体、ポリ(スチレン−co−エチレンプロピレン)ブロック共重合体などがあり、繰り返し単位が複数になってもかまわない。

このようなミクロドメイン構造体は、例えば流動温度以上に上昇させたのちに冷却して固化させたり、溶媒に溶解させた後に溶媒を蒸散させて固化させることで作製することができる。

ミクロドメイン構造体は、それぞれのドメインの屈折率差が0.1〜10であって、ドメインの特長距離が10nm〜1000nmであることがよい。

また、ラメラ構造体は、液晶構造の一つであり、分子膜が層状にスタックし、分子膜間相互の斥力により安定化されているものである。分子膜を構成する材料としては、界面活性剤等がある。

このようなラメラ構造体は、例えば、界面活性剤を用いた多層二分子膜によるラメラ層間を反応場としてアルコキシシランのゾル−ゲル合成より作製することができる。さらにこの手法は界面活性剤が形成するヘキサゴナル相、逆ヘキサゴナル相を反応場に用いても周期構造体を得ることができる。

ラメラ構造体は、それぞれの層の屈折率差が0.1〜10であって、層間距離が10nm〜1000nmであることがよい。

また、蒸着法、スパッタ法、塗布法、引き上げ法など薄膜作製法により異なる屈折率を有する素材を積層することでも周期構造体を得ることができる。
このようにして作製した周期構造を持ったミクロドメインあるいはラメラ構造体から、一部の成分を除去することで周期構造を持った多孔質構造体を作製することができる。

また、周期構造体18としてネガ型構造体を作製するための被鋳型物質としては、熱硬化樹脂、紫外線硬化樹脂、電子線硬化樹脂、ポリエステル、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチルなどのアクリル樹脂、ポリスチレンおよびその誘導体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリカーボネート、ポリエーテルスルフォン、セルロース誘導体、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ゾルゲル材料、シリカ、セラミックス、金属酸化物、などが挙げられる。また、導電性の周期構造体18を得るための導電性物質としては、炭素材料、金属(銅、アルミニウム、銀、金、ニッケル、プラチナなど等)、金属酸化物(酸化スズ、酸化スズ−酸化インジウム(ITO)等)、導電性高分子(ポリピロール類、ポリチオフェン類、ポリアニリン類、ポリフェニレンビニレン類、ポリアセン類、ポリアセチレン類等)、などが挙げられる。

また、周期構造体18としてのネガ型構造体(中空構造体)を構成する被鋳型物質(導電性物質を含む)として高分子を適用すること、光学素子10にフレキシブル性(可とう性、屈曲性)を付与できる。

周期構造体18のうちポジ型構造体に導電性を付与する場合には、上記コロイド結晶構造体、ミクロドメイン構造体、ラメラ構造体などの表面に、例えば、めっき、電解重合などにより導電性物質を被覆して作製することができる。なお、導電性物質前駆体を被覆した後、焼成などの処理を施し、導電性物質としてもよい。

一方、周期構造体18のうちネガ型構造体(中空構造体)は、上記コロイド結晶構造体、ミクロドメイン構造体、ラメラ構造体などの空隙に、例えば、モノマーの重合、金属めっき、ゾルゲル反応や電解重合などにより前記した被被鋳型物質(導電性物質を含む)を充填し、その後、当該ポジ型構造体を除去することで作製することができる。なお、被被鋳型物質(導電性物質を含む)前駆体を被覆・充填した後、焼成などの処理を施し、被被鋳型物質(導電性物質を含む)としてもよい。

具体的には、例えば、図2に示すように、例えばシリカ粒子からなるコロイド結晶構造体30を作製し(図2(A))、その後、コロイド結晶構造体30の表面及び間隙(粒子間隙)に、フルフリルアルコール樹脂などの導電性物質前駆体を被覆・充填し、焼成することで、結果、導電性物質32として難黒鉛化炭素を充填する(図2(B))。そして、コロイド結晶構造体30を、フッ酸などによりエッチングして除去すると、コロイド結晶構造体30と同じ形状の空隙34が形成される(図2(C))。このようにして、導電性物質32からなるネガ型の周期構造体18を作製することができる。

また、周期構造体18は、上記ネガ型構造体(中空構造体)を粉砕した紛体群も適用することができる。ネガ型構造体を粉砕することで、周期構造自体が持つ可視光の干渉がランダム化され、結果、周期構造に由来する構造色の視野角依存性が改善される。ネガ型構造体の粉砕程度は、周期構造に由来する構造色が消えない程度、即ち、周期構造が壊れない程度、且つ粉体間で所定の間隙(多孔質体構造)を持つような程度で行われる。具体的(粉体の大きさの程度を表す特性値)には、例えば、数平均粒径が100nm〜5mm程度となるように粉砕する。

周期構造体18を構成する素材、即ち材料の屈折率は、構造色の変調幅の広さという観点から、屈折率1.3〜4.0の範囲内であることが好ましく、1.4〜3.0の範囲内であることが更に好ましい。

具体的には、周期構造体18と分散媒20との相互間の屈折率差は、例えば、0〜4.0程度とすることがよい。各屈折率はアッベ屈折率計で求めることができる。

また、周期構造体18の細分は、例えば、一辺10μm〜5mm角四方の1画素ごとで行うことができる。また、周期構造体18の厚さは500nm〜5mmとすることがよい。

次に、移動性粒子としての移動性粒子20Aについて説明する。

移動性粒子20Aは、電界や磁界等の作用により分散媒20中を移動可能な粒子である。移動性粒子20Aは、周期構造体18の空隙構造に入り込むことで、周期構造体18の平均屈折率を変化させ、周期構造体18の構造色を変化させることができる。

また、本発明で用いる移動性粒子20Aは、分散媒20中に分散された分散状態では、無色を呈し、凝集された凝集状態では白色度が所定値以上の白色を呈する。
このため、周期構造体18の表面に、本発明で用いられる移動性粒子20Aが積層されて凝集した凝集状態(すなわち凝集粒子)となると、移動性粒子20Aによる光散乱によって、光学素子10は、白色度の高い白色を呈示することが可能となる。

なお、上記「光学的凝集状態」とは、移動性粒子20A間の距離が、光の波長の1/2λ以下である状態を示している。

移動性粒子20Aとして具体的には、例示すれば、シリカ、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、酸化ジルコニウム、硫化バリウム、硫化亜鉛、などの無色の無機粒子、あるいはこれらを分散したポリマー粒子、無色のポリマー粒子が好適に挙げられ、その他、金や銀などの金属ナノ粒子、その他の金属酸化物粒子などが挙げられる。
また、移動性粒子としては電場作用によって液体中で移動する、いわゆる電気泳動粒子が最適である。このような電気泳動性は上記した粒子固有の帯電性を利用する他にも、粒子表面に帯電性物質を結合、吸着、被覆することで付与することができる。例えば、酸基、アミノ基、アンモニウム基を持った低分子化合物や界面活性剤を吸着させる方法、これらの官能基をもった高分子を被覆あるいはグラフトする方法などが可能である。

移動性粒子20Aの、分散媒20中に分散された分散状態における体積平均一次粒径は、1.0nm〜80nmであることが好ましく、より好ましくは1.0nm〜50nmであり、さらに好ましくは1.0nm〜40nmである。

分散媒20中に分散された分散状態における体積平均一次粒径が1.0nmより小さいと、刺激付与による光学的な凝集状態を形成し難いという問題があり、80nmより大きいと、光散乱性によって粒子分散媒の透明性が低下するという問題がある。

また、移動性粒子20Aの屈折率は、構造色の変調幅の広さという観点から、好ましい屈折率の範囲は、0.01〜3であり、更に好ましくは、0.1〜3であり、特に好ましくは、0.1〜2.5である。

屈折率が0.01未満である場合や、屈折率が3より大きいものは材料的に限定されるため、自由度が低下するという問題がある。

一方、分散媒20中に移動性粒子20Aが凝集された凝集状態、すなわち移動性粒子20Aの凝集粒子の体積平均一次粒径は、100nm以上であることが好ましく、100nm以上10μm以下であることが更に好ましく、100nm以上1μm以下であることが特に好ましい。

移動性粒子20Aの凝集粒子の体積平均一次粒径が100nmより小さいと、光散乱性が低下して白色度が低下するという問題があり、10μmより大きいと、同様に白色度が低下すると言う問題がある。

また、移動性粒子20Aの凝集粒子の屈折率は、分散媒20の屈折率と0.1以上異なる事が必須であり、0.15以上異なる事が好ましく、0.2以上異なる事が特に好ましい。

移動性粒子20Aが凝集した凝集粒子の屈折率が分散媒20の屈折率と同一であると、白色度が低いという問題がある。

本発明で用いられる移動性粒子20Aは、上記構成とされることにより、分散媒20中に分散された分散状態では無色を呈し、凝集された凝集状態では白色度が所定値以上の白色を呈する。

なお、上記白色度とは、ISO白色度を意味する。
また、上記白色度が所定値以上とは、白色度20%以上である事が好ましく、白色度30%以上であることが更に好ましく、40%以上であることが特に好ましい。
この白色度は、移動性粒子20Aの構成や、凝集した凝集粒子の平均体積一次粒径等によって定まる。

ここで、体積平均粒子径の測定方法としては、粒子群にレーザ光を照射し、そこから発せられる回折、散乱光の強度分布パターンから平均粒径を測定する、レーザ回折散乱法を採用する。なお、このレーザ回折散乱法の条件としては、測定は動的光散乱式粒径分布測定装置(LB−550、(株)堀場製作所)を用い、25℃で測定を行った。また、金属ナノ粒子の場合は透過型電子顕微鏡(HD−2300、(株)日立ハイテクノロジーズ)により測定した。

また、ISO白色度の測定方法としては、JIS P 8148に準拠し、株式会社マツボー製のISO白色度計(TB-1)等によって測定することができる。

移動性粒子20A(移動性粒子も含む)の濃度(重量比)は、周期構造体18の空隙構造の体積に応じて変わるが、分散媒20に対して0.01〜70が好ましく、より好ましくは0.05〜50であり、より好ましくは、0.1〜20である。移動性粒子20A(移動性粒子も含む)の濃度が小さすぎると、周期構造体18の構造色変化に寄与しにくくなることがあり、多すぎると周期構造体18の空隙構造に入り込めなくなる粒子が出てくる。

なお、本実施形態では、移動性粒子20Aとして電場移動性粒子を用いた形態を説明しているが、磁気の作用(磁気泳動法)により移動する磁気移動性粒子であってもよい。
具体的には、マグネタイト、マグヘマイト、フェライト等の酸化鉄、及び他の金属酸化物を含む酸化鉄;:Fe、Co、Niのような金属あるいはこれらの金属とAl、Co、Cu、Pb、Mg、Ni、Sn、Zn、Sb、Be、Bi、Cd、Ca、Mn、Se、Ti、W、Vのような金属との合金;及びこれらの混合物等が挙げられる。具体的には、四三酸化鉄(Fe34)、三二酸化鉄(γ−Fe23)、酸化鉄亜鉛(ZnFe24)、酸化鉄イットリウム(Y3Fe512)、酸化鉄カドミニウム(CdFe24)、酸化鉄ガドリニウム(Gd3Fe512)、酸化鉄銅(CuFe24)、酸化鉄鉛(PbFe1219)、酸化鉄ニッケル(NiFe24)、酸化鉄ネオジム(NdFe23)、酸化鉄バリウム(BaFe1219)、酸化鉄マグネシウム(MgFe24)、酸化鉄マンガン(MnFe24)、酸化鉄ランタン(LaFeO3)、鉄粉(Fe)、コバルト粉(Co)、ニッケル粉(Ni)等やこれらの磁性材料を所定量含有した高分子粒子等が挙げられる。

磁気移動性粒子は、好ましい特性を得るために表面に官能基を修飾してもかまわない。また、界面活性剤を添加し表面への界面活性剤の吸着によるものでもかまわない。このとき表面に修飾させる官能基としてはアミノ基、アンモニウム基、ハロゲン基、水酸基、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、アミド基、チオール基などが挙げられる。また、他の素材でコア−シェル構造を形成させてもかまわない。

また、移動性粒子として磁気移動性粒子を適用する場合、選択配置手段としては磁気発生手段(例えば電磁石、フェライト磁石、ネオジウム磁石、サマコバ磁石、アルニコ磁石、ラバー磁石、キャップ磁石等)が適用される。

次に、分散媒20について説明する。
分散媒20は、移動性粒子20A(移動性粒子)を分散させるための媒体であり、透光性を有することが必須であり、無色透明であることがより好ましい。
分散媒20としては、水、有機溶媒(例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのアルコール類;アセトンやメチルエチルケトンなどのケトン類;エーテル類;エステル類;等の他、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホオキシド、アセトニトリル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、テトラヒドロフラン、ピロリドン誘導体、)、アイソパーなどの高沸点の石油溜分、油類(例えば、脂肪族、は芳香族系有機溶媒、シリコーンオイル)、イオン液体(例えば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムブロマイド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムラクテート、ヘキサフルオロリン酸−1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムブロマイドテトラフルオロボレート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムブロマイド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、ヘキサフルオロリン酸−1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、−1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、−1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムラクテート、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムブロマイド、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムラクテート、ヘキサフルオロリン酸−1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウム、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムブロマイドテトラフルオロボレート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、1−オクチル−3−メチルイミダゾリウムブロマイド、1−オクチル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−オクチル−3−メチルイミダゾリウムラクテート、ヘキサフルオロリン酸−1−オクチル−3−メチルイミダゾリウム、1−オクチル−3−メチルイミダゾリウムブロマイドテトラフルオロボレート、1−オクチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、1−デシル−3−メチルイミダゾリウムブロマイド、1−デシル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−デシル−3−メチルイミダゾリウムラクテート、ヘキサフルオロリン酸−1−デシル−3−メチルイミダゾリウム、1−デシル−3−メチルイミダゾリウムブロマイドテトラフルオロボレート、1−デシル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムブロマイド、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムクロライド、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムラクテート、ヘキサフルオロリン酸−1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウム、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムブロマイドテトラフルオロボレート、1−ドデシル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムブロマイド、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムクロライド、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムラクテート、ヘキサフルオロリン酸−1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムブロマイドテトラフルオロボレート、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムブロマイド、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムクロライド、ヘキサフルオロリン酸−1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、−1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、−1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムラクテート、1−ヘキシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムブロマイド、1−ヘキシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムクロライド、1−ヘキシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムラクテート、ヘキサフルオロリン酸−1−ヘキシル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−ヘキシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムブロマイドテトラフルオロボレート、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、1−オクチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムブロマイド、1−オクチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムクロライド、1−オクチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムラクテート、ヘキサフルオロリン酸−1−オクチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−オクチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムブロマイドテトラフルオロボレート、1−オクチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、1−デシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムブロマイド、1−デシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムクロライド、1−デシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムラクテート、ヘキサフルオロリン酸−1−デシル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−デシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムブロマイドテトラフルオロボレート、1−デシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、1−ドデシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムブロマイド、1−ドデシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムクロライド、1−ドデシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムラクテート、ヘキサフルオロリン酸−1−ドデシル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−ドデシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムブロマイドテトラフルオロボレート、1−ドデシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、1-エチルピリジニウムブロマイド、1-エチルピリジニウムクロライド、1-エチルピリジニウムラクテート、ヘキサフルオロリン酸-1-エチルピリジニウム、1-エチルピリジニウムテトラフルオロボレート、1-エチルピリジニウムトリフルオロメタンスルホネート、1-ブチルピリジニウムブロマイド、1-ブチルピリジニウムクロライド、1-ブチルピリジニウムラクテート、ヘキサフルオロリン酸-1-ブチルピリジニウム、1-ブチルピリジニウムテトラフルオロボレート、1-ブチルピリジニウムトリフルオロメタンスルホネート、1-ヘキシルピリジニウムブロマイド、1-ヘキシルピリジニウムクロライド、1-ヘキシルピリジニウムラクテート、ヘキサフルオロリン酸-1-ヘキシルピリジニウム、1-ヘキシルピリジニウムテトラフルオロボレート、1-ヘキシルピリジニウムトリフルオロメタンスルホネート)が挙げられる。特に、分散媒20の溶媒としてイオン液体を適用することがよい。イオン液体は他の溶媒に比べ特に揮発性が低いので、素子の長期安定化が図れる。

分散媒20の屈折率は、移動性粒子20Aの屈折率とは異なることが必須であり、好ましい屈折率の範囲は、1.3〜2であり、更に好ましくは、1.33〜1.9であり、特に好ましくは、1.33〜1.8である。

分散媒20の屈折率が1.3未満である場合、または2より大きい場合には、液体材料は材料選択の自由度が低いという問題がある。

なお、屈折率は、一般的な屈折率計により測定することができる。

分散媒20の粘度は、移動性粒子20Aの移動速度の観点から0.1mPa・s〜1Pa・sであることが好ましく、0.5mPa・s〜500mPa・sであることが更に好ましく、1mPa・s〜100mPa・sであることが特に好ましい。
分散媒20の粘度が0.1mPa・s未満であると、材料選択の自由度が少ないという問題があり、1Pa・sより高いと、移動速度が遅いという問題がある。

なお、ここに示す粘度は25℃における値である。

また、分散媒20の比誘電率は、電場により移動速度の観点から1.0〜100であることが好ましく、2〜50であることが更に好ましく、3〜20であることが特に好ましい。
分散媒20の比誘電率が1未満であると、移動性粒子20Aの移動速度が低下するという問題があり、100より高いと、材料選択の自由度が少ないという問題がある。

次に電極について説明する。本発明の光学素子及び多色表示材料組成物における積層手段、選択配置手段、及び電界付与手段としての第1電極14及び第2電極16の構成材料としては、炭素材料、金属(銅、アルミニウム、銀、金、ニッケル、プラチナなど等)、金属酸化物(酸化スズ、酸化スズ−酸化インジウム(ITO)等)、導電性高分子(ポリピロール類、ポリチオフェン類、ポリアニリン類、ポリフェニレンビニレン類、ポリアセン類、ポリアセチレン類等)、導電性高分子と前述の金属や金属酸化物の粒子との複合材料からなる電極などが好ましく用いられる。

なお、選択配置手段(電界付与手段、積層手段)としては、電極に限られず、導電性材料で構成されていればよく、例えば、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、銀、カドニウム、インジウムなどの金属、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリメチルチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフェニレンビニレンなどの導電性高分子、高分子マトリックスに金属粒子あるいは炭素粒子などを混練して導電性を持たせた樹脂、炭素材料などが挙げられる。

透明基板11及び背面基板12の構成材料としては、ポリエステル、ポリイミド、ポリオレフィン、ポリ(メタ)アクリル酸メチル等のアクリル樹脂、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエーテルスルフォン、ナイロン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のフイルムや板状基板、ガラス基板、金属、金属フイルム、セラミックス等が使用可能である。特に、透明基板11及び背面基板12として屈曲性のあるフイルム基板を用いた場合はフレキシブル性(可とう性、屈曲性)を有する素子となる。

また、背面基板12は、有色であってもよし、有色体を有していてもよい(例えば、着色フィルムを基板面に貼り付ける)。例えば、周期構造体18の素材色が透明(無色)であると、構造色が可視領域を外れたときには、周期構造体18が光を透過させるため、背面基板12の色又は有色体の色を光学素子10の色として表示することができる。これにより、例えば、背面基板12を黒色、又は有色体を黒色とすると、周期構造体18の構造色の変化のみでは表現しにくい、黒色を表示することができるようになる。なお、本実施形態の場合、有色体は電極14を兼ねることもできる。

スペーサー22としては、例えば、樹脂、金属酸化物、ガラスなどで構成することができる。また、スペーサー22は、特に制限はないが、基板間の間隙が、電気絶縁性液体と、周期構造体18及び分散媒20の配置領域が確保するために十分に均一な間隙が確保されるように配置する。

スペーサー22の形状は安定して間隙を維持できるものであれば特に限定されないが、例えば、球、立方体、柱状のものなどの独立した形状のものが好ましく用いられる。

その他、本実施形態に係る光学素子10には、上記した構成要素の他にも、表面保護層、カラーフィルター層、UV吸収層、反射防止層、配線、電気回路、IC、LSI、電源等の要素を備えていてもかまわない。

なお、各構成要素は、電界を付与する電圧においても、分解しない材料や不活性な材料で構成することがよい。

このような構成の本実施形態に係る光学素子10の表示方法を説明する。

光学素子10の表示方法としては、周期構造体18では、周期構造体18の空隙構造に対する移動性粒子20Aの含有率に応じて構造色が変化すると共に、周期構造体18表面に移動性粒子20Aが積層されることによって周期構造体18の表面に凝集した凝集状態(凝集粒子)となることにより、高いISO白色度の白色を呈示することが可能である。

本発明の光学素子10において、ISO白色度が所定値より大きい白色を呈示するためには、本発明の光学素子10の表示方法として2通りの方法が挙げられる。

まず、第1の方法では、周期構造体18の空隙構造の全体積(以下、適宜空隙構造と称する場合がある)より、同一の光学素子10内に含有される移動性粒子20Aの体積の総和の方が大きくなるように、分散媒20中に含有させる移動性粒子20Aの量を調整する。
この方法では、移動性粒子20Aが分散媒20中を周期構造体18の方向へと移動されて、周期構造体18の空隙構造が移動性粒子20Aによって略占有された状態となることで、空隙構造内に入る事の出来なかった移動性粒子20Aが周期構造体18の表面に積層されることで、所定値以上の白色度の白色を呈示する。

移動性粒子20Aが周期構造体18の表面に積層された状態とは、移動性粒子20Aが周期構造体18の表面において凝集された光学的凝集状態であることから、周期構造体18の表面に移動性粒子20Aが積層されると、上記所定値より高い白色度の白色を呈示することができる。

第2の方法では、分散媒20中に分散されている移動性粒子20Aを予め定めた基準移動度以上の移動度で分散媒20中を移動させるように、光学素子10中に電界または磁界を形成する。
この方法では、周期構造体18の表面に到達した移動性粒子20Aどうしの相互作用を強め、周期構造体18の表面に積層(すなわち凝集)させることにより、所定値より高い白色度の白色を呈示することができる。

なお、上記移動度とは、移動性粒子20Aが単位電界強度辺り、単位時間内に分散媒20中を移動可能な距離を示している。すなわち、移動度とは、単位電界当りの移動性粒子20Aの平均移動速度を示している。

なお、上記「基準移動度」は、移動性粒子20Aの体積平均一次粒径、移動性粒子20Aの帯電量、分散媒20の粘度や誘電率、及び周期構造体18の空隙構造の短辺の長さ等により定まり、移動性粒子20Aが透明基板11側から背面基板12側に移動される移動速度としての基準移動度が、移動性粒子20Aが周期構造体18の空隙構造内を移動する移動速度より早くなるように定められていればよい。

まず、第1の方法について詳細に説明する。

電界付与手段としての第1電極14及び第2電極16に電圧が印加されず、図3(A)に示すように、分散媒20中に略全ての移動性粒子20Aが分散されている状態では、周期構造体18の空隙構造内への移動性粒子20Aの移動は無いことから、周期構造体18の光反射は可視光領域外にある(周期構造体18を構成する材料の屈折率が可視光領域外にあるため)。
このため、図3(A)に示されるような、分散媒20中に略全ての移動性粒子20Aが分散されている状態では、透明基板11側から視認されると、周期構造体18の構造色(反射光の波長が可視領域外、例えば黒色)が、光学素子10の色として呈示される。

次に、第1電極14及び第2電極16に電圧が印加されて、背面基板12側に設けられた第1電極14側に移動性粒子20Aが上記基準移動度未満の移動度で分散媒20中を移動するように、光学素子10内への電界形成が開始されると、図3(B)に示すように、周期構造体18の空隙構造18Aに移動性粒子20Aが入り込む。
移動性粒子20Aの全てが空隙構造18A内に入り込んでおらず分散媒20中に分散された状態から、移動性粒子20Aの空隙構造への入り込みが開始されるにより、周期構造体18の反射光の波長が可視領域に遷移することで、青色が光学素子10の色として呈示される(図3(B)参照)。

さらに、第1電極14及び第2電極16への電圧印加を継続すると、移動性粒子20Aの空隙構造への入り込みが進行し、図3(B)に示す状態に比べて空隙構造に対する移動性粒子20Aの含有率が増加すると(図3(C)参照)、周期構造体18の反射光は青色から緑色へと遷移する。

さらに、第1電極14及び第2電極16への電圧印加を継続すると、移動性粒子20Aの空隙構造への入り込みが進行し、図3(C)に示す状態に比べて空隙構造に対する移動性粒子20Aの含有率が増加すると(図3(D)及び図4(A)参照)、周期構造体18の反射光は緑色から赤色へと遷移する。

そして、周期構造体18の空隙構造に対する移動性粒子20Aの占有率が略100%となると、周期構造体18表面には、図3(E)に示すように、移動性粒子20Aが凝集されて積層される。このように、周期構造体18の表面に移動性粒子20Aが積層されると、移動性粒子20Aの凝集による光散乱により、高い白色度の白色が呈示される。

一方、上記電圧とは逆の電圧を第1電極14及び第2電極16に印加すると、上記電界とは逆の電界が周期構造体18に付与される。この逆の電界により、図4(B)に示すように、周期構造体18の空隙構造18Aから移動性粒子20Aが順次出て行く。周期構造体18の空隙構造18Aから移動性粒子20Aが無くなることで、周期構造体18の平均屈折率は変化し、上記白色、赤色、緑色、及び青色が順次呈示された後に、周期構造体18に由来する構造色である黒色へと色が変化する。

このように、移動性粒子20Aにより、周期構造体18の平均屈折率を変化させることで、構造色を変化させることができるが、この移動性粒子20Aの空隙構造に対する含有率によって平均屈折率の変化量が異なるため、この含有率によって調色することが可能である。
この含有率の調整は、付与する電界強度(印加電圧、電流量)や時間により適宜行うことができる。

次に、第2の方法について説明する。なお、説明を簡略化するために、上記第1の方法で用いた図3を用いて説明する。

電界付与手段としての第1電極14及び第2電極16に電圧が印加されず、図3(A)に示すように、分散媒20中に略全ての移動性粒子20Aが分散されている状態では、周期構造体18の空隙構造内への移動性粒子20Aの移動は無いことから、周期構造体18の光反射は可視光領域外にある。
このため、図3(A)に示されるような、分散媒20中に略全ての移動性粒子20Aが分散されている状態では、透明基板11側から視認されると、周期構造体18の構造色(反射光の波長が可視領域外、例えば黒色)が、光学素子10の色として呈示される。

次に、第1電極14及び第2電極16に電圧が印加されて、背面基板12側に設けられた第1電極14側に移動性粒子20Aが上記基準移動度以上の移動度で分散媒20中を移動するように、光学素子10内への電界形成が開始されると、図3(E)に示すように、周期構造体18の空隙構造18A内に移動性粒子20Aが入り込んで空隙構造内を移動する速度より高速に、各移動性粒子20Aが分散媒20中を移動して周期構造体18表面に到達し、周期構造体18上に積層される。このため、移動性粒子20Aの凝集による白色度の高い白色が、光学素子10の色として呈示される。

ここで、周期構造体18が構造色を呈するメカニズム、及び周期構造体の空隙構造に移動性粒子20A(移動性粒子)が入り込むことによる調色のメカニズムを、コロイド結晶構造体を例にして説明する。

まず、図5に示すように、周期構造体18としてのコロイド結晶構造体による可視光の干渉のメカニズムはX線回折による結晶構造解析に用いられるブラッグの法則(下記式(1))を適用することができる。

式(1)中、mは定数、λは光の波長、lは格子定数、θは入射角である。ここではしかしX線回折による手法コロイド結晶構造体の干渉は波長と対象物のスケールの比率が大きく異なるためそのままは用いることはできない。つまり、コロイド結晶構造体は可視光の波長と同程度であるので屈折率の影響を考慮しなければならない。

そこで、図6に示すように、αの角度で進入した光の波長(λair)とコロイド結晶構造体によりθの角度に屈折した光の波長(λcry)との関係は、nair、ncryをそれぞれ空気及びコロイド結晶構造体の屈折率としたとき、式(2)で表される(スネルの法則)。

さらに、図7に示すように、コロイド結晶構造体はエネルギー的に最も安定な面心立方結晶の(111)面を表層にしていることから(図7中ACF面、hfda面)、コロイド粒子の粒径(体積平均粒径)をDで表すと格子定数lは式(2’)となり、式(1)、式(2)をまとめることで式(3)を得る。

ここで、式(3)nair、ncryはそれぞれ空気、コロイド粒子の屈折率、φair、φcolloidはそれぞれ空気、コロイド粒子の体積分率である。また、naveは、コロイド結晶構造体を構成する材料の屈折率の平均値である。このλが可視光領域(400nm〜800nm)に収まったとき構造色として認識できることになる。

このようなコロイド結晶構造体にナノオーダーの構造を制御し、光の波長程度の周期構造を創り込むことで構造色を調製することができる。そして、最密充填型コロイド結晶構造体から得られる反射波長は式(3)に移動性粒子20Aの屈折率を加え、式(4)で表される。



式(4)中、nsolution、nPC、nparticleはそれぞれ分散媒、コロイド結晶構造体及び移動性粒子の屈折率、φparticleは移動性粒子の体積分率である。また、φcry=φcolloidである。ここで、コロイド結晶構造体の視野角を無視した場合(例えば、上記手法で視野角依存性を改善すると視野角を無視することができる)、式(4)は式(5)と書き直すことができる。



つまり、式(5)から、移動性粒子による屈折率変化によってコロイド結晶構造体の構造色が変化することが示される。また、移動性粒子の量(存在率)によって調色されることも示される。

このように、本実施形態に係る光学素子10は、多色表示が可能となると共に、粒子移動を利用するためメモリ性を有する表示が可能となる。また、多色表示の際、多色表示用光学組成物の大きさの変化は伴わないので、1画素ごとの表示が簡易に行える。また、カラーフィルターのような第3手段を必要とすることもない。

なお、本実施形態に係る光学素子10では、本発明の光学素子の積層手段及び選択配置手段としての第1電極14及び第2電極16を多色表示用光学組成物としての周期構造体18及び分散媒20に接触配置させた形態を説明したが、第1電極14及び第2電極16は周期構造体18に電界を付与できれば、非接触配置してもよく、例えば、図8に示すように、第1電極14及び第2電極16を透明基板11及び背面基板12の外面(非対向面)に配置した形態であってもよい。

また、本実施形態に係る光学素子10では、電界付与手段としての第1電極14を別途設けた形態を説明したが、図9に示すように、第1電極14を周期構造体18が兼ねることもできる。これにより、省スペース化が図れる。

また、本実施形態に係る光学素子10は、最小単位(1画素単位)の構成について説明したが、当該最小単位をマットリック状に配列させて、表示したときの各画素に対応して1または複数の上記光学素子10の構成を設けることで、容易にカラー表示が行えるようになる。

以下、本発明を、実施例を挙げてさらに具体的に説明する。ただし、これら各実施例は、本発明を制限するものではない。なお、本実施例は、図1に示す光学素子10と同様な構成のものを作製し、評価した。

(実施例1)
体積平均一次粒径が300nmの単分散ポリスチレン粒子(商品名: エスタポールES−K030、メルク)を所定量含むエタノール懸濁液に、平滑なITO電極付ガラス基板(3cmx5cm、厚み2mm)を部分マスキング(基板面の露出部分は2cmx2cm)したものを浸漬し、ディップコート法を用いて基板上(ITO面上)にポリスチレン粒子が約10層で規則正しく積層された最密充填型コロイド結晶を2cmx2cmの面積で形成した。
なお、ここでは基板の引き上げ速度を0.5μm/sとし、最密充填型コロイド結晶を厚さ約2.7μmで作製した。得られた最密充填型周期構造体は空気中で構造色(薄青色)を呈しており、走査電子顕微鏡(SEM)により表層を(1,1,1)面とした面心立方格子を形成していることが確認できた。

次に、このコロイド結晶構造体を鋳型として、当該構造体の粒子間隙に紫外線硬化型樹脂前駆体(東亞合成製:アロニックスUV)を滴下して含浸させ、その後、紫外線を照射して硬化させた(硬化樹脂の屈折率は約1.5)。硬化後、表面を研磨してポリスチレン粒子を露出させ、その後、有機溶媒を用いたエッチング処理によってポリスチレン粒子を溶出させてポリスチレン粒子を鋳型として形成された空隙を有する多孔質構造体(周期構造体)を得た。得られた多孔質構造体は厚みが約2.6μmの空気中で薄青色の構造色を示すものであった。
また、この多孔質構造体をSEMにより観察したところ、ポリスチレン粒子からなる周期的な構造体をほぼ反転させた構造の多孔質構造体(本発明の周期構造体に相当)であり、その空隙の径は約280nmであった。また各孔は互いに繋がっており、孔による連続相(本発明の空隙構造に相当)をもっていることが観察された。この空隙構造の大きさは、最大約90nmであった。また、最表面の空隙の開口部(連通路)の大きさは最大で約150nmであった。
また、測定の結果、空隙構造の体積は周期構造体の約75%を占めていた。

一方、分散状態の体積平均一次粒径が約10nmの酸化チタン粒子(酸化チタンの比重:約4、屈折率:約2.7)を、分散媒としてのエタノールに濃度20重量%に分散したエタノール分散媒を調製した(エタノールの屈折率:1.36)。分散媒はほぼ透明であった。

なお、エタノールの粘度は、約1.2mPa・sであり、比誘電率は、約23であった。

上記得られた多孔質構造体(周期構造体)を形成した上記ガラス基板の、多孔質構造体による層(2cmx2cm)の外周部に沿って高さ100μmの樹脂スペーサー層を形成し、別のITO電極付ガラス基板と電極面が対向するように重ねあわせ、部分的に設けた開口部から上記酸化チタン粒子のエタノール分散媒を0.04ml注入した。

上記多孔質構造体(周期構造体)の空隙構造の体積総和と、エタノール分散媒中に含まれる酸化チタン粒子の体積総和と、の比は1:1.28となり、空隙構造の空隙の体積総和に対して過剰の酸化チタン粒子を存在させた。
以上により、光学素子10を作製した。

作製した光学素子10は、ほぼ無色であり、黒色フイルム(光吸収層)上に、この光学素子10を配置したところ、黒色を呈した。

この光学素子10の背面に黒色フイルム(光吸収層)を配置した状態で、多孔質構造体を形成したガラス基板上の電極を、マイナス電極とし、このガラス基板に対して多孔質構造体及びエタノール分散媒を介して対向して設けられたガラス基板上の電極をプラス電極として、−3Vの電圧を印加したところ、時間経過に伴って、多孔質構造体(周期構造体)の構造色は連続的に黒色、青色、緑色、赤色へと順に変化し、最終的に白色となった。また、逆極性の電圧を印加すると、白色から再び順次黒色まで色変化し可逆的であった。

色変化時におけるセル内部を光学顕微鏡観察した結果、白色が呈示された時には多孔質構造体の表面に酸化チタン粒子が凝集状態となるように積層されており、この酸化チタン粒子の凝集により、光散乱させていることがわかった。また、凝集状態の酸化チタンは0.2μm以上の凝集粒径を持っていた。一方、黒色から、青色、緑色、赤色への色変化においては、酸化チタン粒子の多孔質構造体の表面への凝集状態となるような積層は観察されなかった。

また、白色が呈示され、酸化チタン粒子が積層された状態となり、酸化チタン粒子が凝集状態、すなわち光学的凝集状態となったときの凝集粒子の体積平均粒径は、SEMにより観察したところ、200nm以上であった。
また、白色が呈示されたときの、光学素子10のISO白色度を、株式会社マツボー製のISO白色度計(TB-1)を用いて測定したところ、約50%であり、高い白色度の白色を呈示することができた。

以上から、本発明の構成においては、空隙構造を有する周期構造体の空隙構造へ移動性粒子を移動させて、周期構造体の空隙構造に対する移動性粒子の含有量を調整することで、周期構造体の屈折率を変化させることにより、周期構造体の構造色を3原色に変化させることができると共に、空隙構造が略全て移動性粒子により占有され、周期構造体の表面に移動性粒子が一時的に凝集した状態となることにより、白色度の高い白色を呈示することができることを確認することができた。

(実施例2)
実施例1と同一の酸化チタン粒子を用い、この酸化チタン粒子を、分散媒としてのエタノール(実施例1と同一)に濃度10重量%に分散したエタノール分散媒を調製した以外は、実施例1と同様にして光学素子10を作製した。
酸化チタン粒子の分散媒中の濃度が10重量%の場合、多孔質構造体(周期構造体)の空隙構造としての空隙の体積総和と、エタノール分散媒中に含まれる酸化チタン粒子の体積総和と、の比は1:0.64となり、空隙構造の空隙の体積総和に対して少ない量の酸化チタン粒子が存在する状態であった。

作製した光学素子10は、ほぼ無色であり、黒色フイルム(光吸収層)上に、この光学素子10を配置したところ、黒色を呈した。

この光学素子10の背面に黒色フイルム(光吸収層)を配置した状態で、実施例1と同様にして、多孔質構造体を形成したガラス基板上の電極を、マイナス電極とし、このガラス基板に対して多孔質構造体及びエタノール分散媒を介して対向して設けられたガラス基板上の電極をプラス電極として、−3Vの電圧を印加したところ、時間経過に伴って、多孔質構造体(周期構造体)の構造色は連続的に黒色、青色、緑色、赤色へと順に変化したが、白色にはならなかった。

次に、光学素子10が黒色を呈するように、上記とは逆に、多孔質構造体を形成したガラス基板上の電極をプラス電極とし、このガラス基板に対して多孔質構造体及びエタノール分散媒を介して対向して設けられたガラス基板上の電極をマイナス電極として、−3Vの電圧を印加したところ、光学素子10は、赤色から、緑色、及び青色を介して、黒色へと連続的に変化した。このため、可逆的に色変化可能であることが分かった。

この黒色を呈した状態の光学素子10について、多孔質構造体を形成したガラス基板上の電極を、マイナス電極とし、このガラス基板に対して多孔質構造体及びエタノール分散媒を介して対向して設けられたガラス基板上の電極をプラス電極として、−30Vの電圧を印加したところ、電圧印加と同時に、黒色から白色に変化した。また、この変化も可逆的であった。

白色変化時におけるセル内部を光学顕微鏡観察した結果、白色が呈示された時には多孔質構造体の表面に酸化チタン粒子が凝集した状態で積層されており、この酸化チタン粒子の凝集により、光散乱させていることがわかった。

また、白色が呈示され、酸化チタン粒子が積層された状態となり、酸化チタン粒子が凝集状態、すなわち光学的凝集状態となったときの凝集粒子の体積平均粒径は、SEMにより観察したところ、200nm以上であった。

また、白色が呈示されたときの、光学素子10のISO白色度を、実施例1と同様にして測定したところ、40%であり、高い白色度の白色を呈示することができた。

以上から、印加電圧の強度を変更させることにより、周期構造体の連続的な調色が可能であると共に、白色度の高い白色を呈示することができることを確認することができた。

(実施例3)
体積平均一次粒径が300nmの単分散シリカ粒子(商品名:シーホスターKE−W30、(株)日本触媒)を所定量含むエタノール懸濁液に、平滑なシリコン基板(3cmx5cm、厚み2mm)を浸透し、ディップコート法を用いて基板上にシリカ粒子が約10層で積層された最密充填型コロイド結晶を形成した。
なお、ここでは基板の引き上げ速度を0.5μm/sとし、最密充填型コロイド結晶を厚さ2.7μmで作製した。得られた最密充填型コロイド結晶は構造色(薄青色)を呈しており、走査電子顕微鏡(SEM)により表層を(1,1,1)面とした面心立方格子を形成していることが確認できた。

次に、このコロイド結晶構造体を鋳型として、当該構造体の粒子間隙にフルフリルアルコール樹脂を充填した後、温度1000℃で焼成し、フッ酸によりシリカコロイド結晶構造体をエッチングして、厚さ5μmの炭素からなる炭素構造体(周期構造体:ネガ型構造体)を得た。得られた炭素構造体は構造色(薄青色)を発色していた。その空隙の径は約280nmであった。また、SEMにより観察したところ、シリカコロイド結晶構造体と同形状の空隙構造が形成された多孔質体で、全ての孔が繋がっていることが観察された。
この貫通空隙構造の大きさは、最大で約90nmであった。また、最表面の空隙の開口部(連通路)の大きさは最大で約150nmであった。
また、測定の結果、空隙構造の体積は周期構造体の約75%を占めていた。

一方、実施例1と同様に、体積平均一次粒径が約10nmの酸化チタン粒子(酸化チタンの比重:約4、屈折率:約2.7)を、分散媒としてのエタノールに濃度20重量%に分散したエタノール分散媒を調製した(エタノールの屈折率:1.36)。分散媒はほぼ透明であった。

上記得られた炭素構造体(周期構造体)を形成した上記シリコン基板の、炭素構造体による層(2cmx2cm)の外周部に沿って高さ100μmの樹脂スペーサー層を形成し、別のITO電極付ガラス基板と電極面が対向するように重ねあわせ、部分的に設けた開口部から上記酸化チタン粒子のエタノール分散媒を0.04ml注入した。
なお、上記炭素構造体(周期構造体)を第1電極とし、上記ITO電極を第2電極とした。

上記炭素構造体(周期構造体)の空隙構造としての空隙の体積総和と、エタノール分散媒中に含まれる酸化チタン粒子の体積総和と、の比は1:1.28となり、空隙構造の空隙の体積総和に対して過剰の酸化チタン粒子を存在させた。
以上により、光学素子10を作製した。

作製した光学素子10は、略黒色であった。この光学素子10に電気的配線を施し、炭素構造体をマイナス極(第1電極)とし、ITO電極(第2電極)をプラス極として、-3Vの直流電圧を印加すると、時間経過にともなって、炭素構造体(周期構造体)の構造色は連続的に黒色、青色、緑色、赤色へと順に変化し、最終的に白色となった。
この炭素構造体(第1電極)をプラス極とし、このITO電極(第2電極)をマイナス極として、同様に−3Vの直流電圧を印加すると、反対に、連続的に、白色、赤色、緑色、青色、黒色へと順に変化し可逆的であった。

色変化時における光学素子10内部を光学顕微鏡観察した結果、白色が呈示された時には炭素構造体の表面に酸化チタン粒子が凝集した状態で積層されており、この酸化チタン粒子の凝集により、光散乱させていることがわかった。一方、黒色から、青色、緑色、赤色への色変化においては、酸化チタン粒子の炭素構造体の表面への凝集した状態での積層は観察されなかった。

なお、白色が呈示され、酸化チタン粒子が積層された状態となり、酸化チタン粒子が凝集状態、すなわち光学的凝集状態となったときの凝集粒子の体積平均粒径は、SEMにより観察したところ、200nm以上であった。

また、白色が呈示されたときの、光学素子10のISO白色度を、実施例1と同様にして測定したところ、40%であり、高い白色度の白色を呈示することができた。

以上から、本発明の構成においては、空隙構造を有する炭素構造体の空隙構造へ移動性粒子を移動させて、炭素構造体の空隙構造に対する移動性粒子の含有量を調整することで、炭素構造体の屈折率を変化させることにより、炭素構造体の構造色を3原色に変化させることができると共に、炭素構造体の表面に移動性粒子が一時的に凝集した状態となることにより、白色度の高い白色を呈示することができることを確認することができた。

(実施例4)
−磁気移動性粒子を用いた例−
移動性粒子として常磁性金属酸化物(フェライト)粒子と酸化チタン粒子を含有した磁性をもった架橋ポリスチレン系高分子粒子(磁性粒子)を乳化重合法によって作製した。体積平均粒径は50nmであった。また、この磁性粒子の比重は約2.5であった。また、屈折率は、1.8であった。

磁性粒子を12.5%の濃度で分散媒としてのエタノール(実施例1と同一)中に分散したエタノール分散媒を調製した。

実施例1で使用した多孔質構造体と同じものを用いて、実施例1と同様にして、上記の分散媒を0.04ml封入した光学素子を作製した。
上記多孔質構造体(周期構造体)の空隙構造の体積総和と、エタノール分散媒中に含まれる磁性粒子の体積総和と、の比は1:1.28となり、空隙構造の空隙の体積総和に対して過剰の磁性粒子を存在させた。
作製した光学素子は、ほぼ無色であり、黒色フイルム(光吸収層)上に、この光学素子を配置したところ、黒色を呈した。
この光学素子の背面に黒色フイルム(光吸収層)を配置した状態で、電磁石を用いて素子外部から磁界を付与したところ、時間経過に伴って、多孔質構造体(周期構造体)の構造色は連続的に黒色から青色、緑色、赤色、最終的に白色となった。また、磁性を反転することで、白色から黒色に順次変化し可逆的であった。

色変化時におけるセル内部を光学顕微鏡観察した結果、白色が呈示された時には多孔質構造体の表面に磁性粒子が凝集状態となるように積層されており、この磁性粒子の凝集により、光散乱させていることがわかった。また、凝集状態の磁性粒子は0.2μm以上の凝集粒径を持っていた。
また、白色が呈示されたときの、光学素子10のISO白色度を、株式会社マツボー製のISO白色度計(TB-1)を用いて測定したところ、約40%であり、高い白色度の白色を呈示することができた。

以上から、本発明の構成においては、空隙構造を有する周期構造体の空隙構造へ移動性粒子を磁気的に移動させて、周期構造体の空隙構造に対する移動性粒子の含有量を調整することで、周期構造体の屈折率を変化させることにより、周期構造体の構造色を3原色に変化させることができると共に、空隙構造が略全て移動性粒子により占有され、周期構造体の表面に移動性粒子が一時的に凝集した状態となることにより、白色度の高い白色を呈示することができることを確認することができた。

実施形態に係る光学素子10を示す概略構成図である。 実施形態に係る光学素子10における周期構造体の製造例を説明する模式的な図である。 実施形態に係る光学素子10における周期構造体の空隙構造に対する移動性粒子の含有率の変化を示す模式図であり、(A)は、周期構造体に移動性粒子が入り込んでいない状態を示し、(B)は、周期構造体に移動性粒子の入り込みが開始された状態示し、(C)は、前記(B)に比べて周期構造体の空隙構造に含有される移動性粒子の含有量が多い状態を示し、(D)は、前記(C)に比べて周期構造体の空隙構造に含有される移動性粒子の含有量が多い状態を示し、(E)は、周期構造体の空隙構造の略全てが移動性粒子によって占有あされ、周期構造体表面に移動性粒子が凝集した状態で積層された状態を示す模式図である。 実施形態に係る光学素子10における周期構造体の空隙構造に移動性粒子が入り込んだ状態を示す模式図であり、(A)が空隙構造に移動性粒子が入り込んだ例であり、(B)が空隙構造から移動性粒子が出て行った例を示す。 ブラッグの法則を説明するための図である。 スネルの法則を説明するための図である。 面心立法結晶の結晶構造を示す概略図である。 他の実施形態に係る光学素子10を示す概略構成図である。 他の実施形態に係る光学素子10を示す概略構成図である。

符号の説明

10 光学素子10
14 第1電極
16 第2電極
18A 空隙構造
18 周期構造体
20A 移動性粒子
20 分散媒

Claims (16)

  1. 透光性を有する分散媒と、
    前記分散媒中に配され、内部に外部と連通する空隙構造を有する周期構造体と、
    前記分散媒中に移動可能に含有され、該分散媒中に分散された分散状態における体積平均一次粒径が1nm以上80nm以下であり刺激の付与によって凝集された光学的凝集状態における凝集粒子の体積平均粒径が100nm以上であり且つ前記分散媒とは0.1以上異なる屈折率を有する移動性粒子と、
    を含む多色表示材料組成物。
  2. 前記移動性粒子は、前記分散媒中に分散された分散状態では無色を呈し、凝集された凝集状態では光散乱によって白色度が所定値以上の白色を呈する請求項1に記載の多色表示材料組成物。
  3. 前記移動性粒子は、前記周期構造体の内部又は外部に選択的に配置される請求項1に記載の多色表示材料組成物。
  4. 前記移動性粒子は、電場移動性粒子である、請求項1に記載の多色表示材料組成物。
  5. 前記周期構造体が多孔質構造体である、請求項1に記載の多色表示材料組成物。
  6. 前記周期構造体の素材色が有色である、請求項1に記載の多色表示材料組成物。
  7. 前記周期構造体の素材色が無色である、請求項1に記載の多色表示材料組成物。
  8. 前記移動性粒子が、酸化チタン、シリカ、及び酸化亜鉛から選択される少なくとも1種の粒子である、請求項1に記載の多色表示材料組成物。
  9. 一対の基板を有し、前記一対の基板間に、透光性を有する分散媒と、
    前記分散媒中に配され、内部に外部と連通する空隙構造を有する周期構造体と、
    前記分散媒中に移動可能に含有され、該分散媒中に分散された分散状態における体積平均一次粒径が1nm以上80nm以下であり、刺激の付与によって凝集された光学的凝集状態における凝集粒子の体積平均粒径が100nm以上であり且つ前記分散媒とは0.1以上異なる屈折率を有する移動性粒子と、を備えた光学素子。
  10. 前記移動性粒子を前記周期構造体の表面に積層させる積層手段を備えた請求項9に記載の光学素子。
  11. 前記積層手段は、前記移動性粒子を前記周期構造体の前記空隙構造の内部または外部に選択的に配置させるための選択配置手段を含む請求項10に記載の光学素子。
  12. 前記積層手段は電界付与手段である、請求項10に記載の光学素子。
  13. 前記一対の基板のうち一方が有色である、又は有色体を有する、請求項9に記載の光学素子。
  14. 一対の基板を有し、前記一対の基板間に、透光性を有する分散媒と、
    前記分散媒中に配され、内部に外部と連通する空隙構造を有する周期構造体と、
    前記分散媒中に移動可能に含有され、該分散媒中に分散された分散状態における体積平均一次粒径が1nm以上80nm以下であり、刺激の付与によって凝集された光学的凝集状態における凝集粒子の体積平均粒径が100nm以上であり且つ前記分散媒とは0.1以上異なる屈折率を有する移動性粒子と、を備えた光学素子の表示方法であって、
    前記移動性粒子を前記周期構造体の少なくとも表面に積層させる積層工程を有する光学素子の表示方法。
  15. 前記移動性粒子を前記周期構造体の前記空隙構造の内部に移動させる内部粒子移動工程と、
    前記移動性粒子を前記周期構造体の前記空隙構造の外部に移動させる外部粒子移動工程と、
    を更に有する、請求項14に記載の光学素子の表示方法。
  16. 前記周期構造体の前記空隙構造の空隙に対する、前記移動性粒子の含有率の変化によって多色表示を行う、請求項14に記載の光学素子の表示方法。
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