JP2020180289A - Non-color shifting multilayer structures and protective coatings on those structures - Google Patents

Non-color shifting multilayer structures and protective coatings on those structures Download PDF

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Abstract

To provide a weather-resistant high-chroma omnidirectional structural color pigment.SOLUTION: An omnidirectional structural color pigment 10 having a first layer 110 of a first material and a second layer 120 of a second material, the second layer extending across the first layer. The pigment reflects a band of electromagnetic radiation having a predetermined full width at half maximum (FWHM) of less than 300 nm and a predetermined color shift of less than 30° when the pigment is exposed to broadband electromagnetic radiation and viewed from angles between 0 and 45°. The pigment has a weather resistant coating, which covers an outer surface of the pigment and reduces a photocatalytic activity of the pigment by at least 50% relative to the pigment not having the weather resistant coating.SELECTED DRAWING: Figure 24

Description

本発明は、保護コーティングを有する多層薄膜構造体、及び特に、広帯域電磁放射に曝され、様々な角度から観察した場合に最小又は認識不能な色ずれを呈し、保護コーティングを有する多層薄膜構造体に関する。 The present invention relates to a multilayer thin film structure having a protective coating, and in particular, a multilayer thin film structure having a protective coating that exhibits minimal or unrecognizable color shift when viewed from various angles when exposed to wideband electromagnetic radiation. ..

<関連出願の相互参照>
本願は、2014年4月1日出願の米国特許出願第14/242,429号の一部継続出願(CIP)であり、これは更に、2013年12月23日出願の米国特許出願第14/138,499号のCIPであり、これは更に、2013年6月8日出願の米国特許出願第13/913,402号のCIPであり、これは更に、2013年2月6日出願の米国特許出願第13/760,699号のCIPであり、これは更に、2012年8月10日出願の米国特許出願第13/572,071号のCIPであり、これは更に、2012年2月5日出願の米国特許出願第13/021,730号のCIPであり、これは更に、2010年6月4日出願の米国特許出願第112/793,772号(米国特許第8,736,959号)のCIPであり、これは更に、2009年2月18日出願の米国特許出願第12/388,395号(米国特許第8,749,881号)のCIPであり、これは更に、2007年8月12日出願の米国特許出願第11/837,529号(米国特許第7,903,339号)のCIPである。2013年6月8日出願の米国特許出願第13/913,402号は、2011年1月26日出願の米国特許第13/014,398号のCIPであり、これは更に2010年6月4日出願の米国特許第12/793,772号のCIPである。2011年1月26日出願の米国特許出願第13/014,398号は、2010年1月13日出願の米国特許第12/686,861のCIPであり、これは更に2009年2月19日出願の米国特許第12/389,256号(米国特許第8,329,247号)のCIPであり、これらのすべては、それらの全体が参照により援用される。
<Cross-reference of related applications>
This application is a partial continuation application (CIP) of U.S. Patent Application No. 14 / 242,429 filed April 1, 2014, which is further U.S. Patent Application No. 14 / filed December 23, 2013. The CIP of No. 138,499, which is further the CIP of U.S. Patent Application No. 13 / 913,402 filed June 8, 2013, which is further the CIP of U.S. Patent Application No. 13/913, 402, filed February 6, 2013. The CIP of Application No. 13 / 760,699, which is further the CIP of U.S. Patent Application No. 13 / 57,071 filed on August 10, 2012, which is further dated February 5, 2012. The CIP of U.S. Patent Application No. 13 / 021,730 of the application, which is also U.S. Patent Application No. 112 / 793,772 filed June 4, 2010 (US Pat. No. 8,736,959). Is the CIP of U.S. Patent Application No. 12 / 388,395 (U.S. Pat. No. 8,749,881) filed February 18, 2009, which is also the CIP of U.S. Pat. No. 8,749,881. This is the CIP of US Patent Application No. 11 / 837,529 (US Pat. No. 7,903,339) filed on 12th May. U.S. Patent Application No. 13 / 913,402, filed June 8, 2013, is the CIP of U.S. Pat. No. 13,014,398 filed January 26, 2011, which is further June 4, 2010. CIP of US Pat. No. 12,793,772 filed in Japan. U.S. Patent Application No. 13/014,398 filed January 26, 2011 is the CIP of U.S. Patent No. 12 / 686,861 filed January 13, 2010, which is further dated February 19, 2009. CIP of US Pat. No. 12 / 389,256 of the application (US Pat. No. 8,329,247), all of which are incorporated by reference in their entirety.

多層積層体から作られる顔料が知られている。さらに、高彩度全方向構造色を呈し、又はもたらす顔料も知られている。しかしながら、これらのような公知技術の顔料は、所望の色特性を得るために、39もの薄膜層を必要としていた。 Pigments made from multi-layer laminates are known. In addition, pigments that exhibit or provide highly saturated omnidirectional structural colors are also known. However, pigments of known art such as these required as many as 39 thin film layers in order to obtain the desired color properties.

薄膜多層顔料の製造に関する費用は、必要とされる層の数に比例すると理解されたい。そのため、誘電体材料の多層積層体を使用した高彩度全方向構造色の製造に関する費用は、非常に高額になりうる。それゆえ、最小限の薄膜層を必要とする高彩度全方向構造色が望ましい。 It should be understood that the cost of producing a thin film multilayer pigment is proportional to the number of layers required. Therefore, the cost of producing a highly saturated omnidirectional structural color using a multilayer laminate of dielectric materials can be very high. Therefore, a highly saturated omnidirectional structural color that requires a minimal thin film layer is desirable.

上記に加えて、太陽光、及び特に紫外光に曝すと、顔料は色あせ、変色などを呈することがあると理解されたい。そのため、耐候性のある高彩度全方向構造色顔料がさらに要求されている。 In addition to the above, it should be understood that pigments may fade, discolor, etc. when exposed to sunlight, and especially ultraviolet light. Therefore, a weather-resistant, high-saturation omnidirectional structural color pigment is further required.

保護コーティングを有する全方向構造色顔料を提供する。この顔料は、第1の材料の第1層と、第2の材料の第2層を有し、第2層は第1層にわたって延在している。加えて、この顔料を広帯域電磁放射に曝し、0°〜45°の間の角度から観察したとき、この顔料は300nmより小さい所与の半値幅(FWHM)、及び30°より小さい所与の色ずれを有する電磁放射の帯域を反射する。さらに、この顔料は、その外表面を被覆し、かつこの顔料の相対的な光触媒活性を少なくとも50%減少させる、耐候性コーティングを有する。 Provided is an omnidirectional structural color pigment having a protective coating. The pigment has a first layer of the first material and a second layer of the second material, the second layer extending over the first layer. In addition, when the pigment is exposed to wideband electromagnetic radiation and observed from an angle between 0 ° and 45 °, the pigment has a given full width at half maximum (FWHM) less than 300 nm and a given color less than 30 °. Reflects the band of electromagnetic radiation with deviation. In addition, the pigment has a weather resistant coating that coats its outer surface and reduces the relative photocatalytic activity of the pigment by at least 50%.

この耐候性コーティングは、酸化物層を含むことができ、またこの酸化物層は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、及び/又は酸化セリウムから選択することができる。加えて、耐候性コーティングは、第一の酸化物層及び第二の酸化物層を含むことができ、第二の酸化物層は第一の酸化物層と異なる。さらに、第二の酸化物層は、少なくとも2つの異なる酸化物の組み合わせである混合酸化物層であってよい。最後に、この顔料そのもの、即ち、保護コーティングを除いたこの顔料は、酸化物層を有しない。 The weather resistant coating can include an oxide layer, which can be selected from silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, and / or cerium oxide. In addition, the weather resistant coating can include a first oxide layer and a second oxide layer, the second oxide layer being different from the first oxide layer. Further, the second oxide layer may be a mixed oxide layer which is a combination of at least two different oxides. Finally, the pigment itself, i.e., except for the protective coating, has no oxide layer.

保護コーティングを有する全方向構造色顔料を製造する方法を、さらに公開する。この方法は、上記の構造と特性を有する複数の顔料粒子を供給すること、及びこの複数の顔料粒子を第一の液体に懸濁して顔料懸濁液を形成することを含む。加えて、第二の液体、及び酸化物構成元素、例えばケイ素、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、又はセリウムを含んでいる酸化物前駆体を供給する。この顔料懸濁液と、酸化物前駆体を混合すると、耐候性のある酸化物コーティングが施された複数の顔料粒子の沈殿物となり、このコーティングは、この顔料の相対的な光触媒活性を少なくとも50%減少させる。 Further disclosure of methods for producing omnidirectional structural color pigments with protective coatings. The method comprises supplying a plurality of pigment particles having the above-mentioned structure and properties, and suspending the plurality of pigment particles in a first liquid to form a pigment suspension. In addition, it supplies a second liquid and oxide precursors containing oxide constituent elements such as silicon, aluminum, zirconium, titanium, or cerium. Mixing this pigment suspension with an oxide precursor results in a precipitate of multiple pigment particles with a weather resistant oxide coating, which gives the pigment a relative photocatalytic activity of at least 50. % Decrease.

いくつかの例において、第一の液体は、第一の有機溶媒であり、第二の液体は第二の有機溶媒である。さらに、第一及び第二の有機溶媒は、有機極性溶媒、例えばn−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、エタノール、n−ブタノール、及びアセトンであってよい。他の例において、第一の有機溶媒及び第二の有機溶媒は極性プロトン性有機溶媒であってよい。 In some examples, the first liquid is the first organic solvent and the second liquid is the second organic solvent. Further, the first and second organic solvents may be organic polar solvents such as n-propyl alcohol, isopropyl alcohol, ethanol, n-butanol, and acetone. In another example, the first organic solvent and the second organic solvent may be polar protonic organic solvents.

酸化物前駆体に関して、この酸化物構成元素であるケイ素は、テトラエトキシシランの形態であってよく、この酸化物構成元素であるアルミニウムは、硫酸アルミニウム、及びアルミニウム−トリ−sec−ブトキシドのうち少なくとも一つの形態であってよく、この酸化物構成元素であるジルコニウムは、ジルコニウムブトキシドの形態であってよく、この酸化物構成元素であるセリウムは、硝酸セリウム六水和物、及び硫酸セリウムのうち少なくとも一つの形態であってよく、かつこの酸化物構成元素であるチタンは、チタンエトキシド、チタンイソプロポキシド、及びチタンブトキシドのうち少なくとも一つの形態であってよい。 With respect to the oxide precursor, the oxide constituent element silicon may be in the form of tetraethoxysilane, and the oxide constituent element aluminum may be at least aluminum sulfate and aluminum-tri-sec-butoxide. It may be in one form, and the oxide constituent element zirconium may be in the form of zirconium butoxide, and the oxide constituent element cerium is at least one of cerium nitrate hexahydrate and cerium sulfate. Titanium, which may be in one form and is an oxide constituent element, may be in at least one form of titanium ethoxydo, titanium isopropoxide, and titanium butoxide.

他の例において、第1の液体は、第1の水性液体であり、第2の液体は第2の水性液体である。さらに、この酸化物構成元素であるケイ素は、ケイ酸ナトリウムの形態であってよく、この酸化物構成元素であるアルミニウムは硫酸アルミニウム、硫酸アルミニウム水和物、アルミン酸ナトリウムのうち少なくとも一つの形態であってよく、この酸化物構成元素であるジルコニウムは、塩化ジルコニウム八水和物の形態であってよく、この酸化物構成元素であるセリウムは、硝酸セリウム六水和物の形態であってよく、この酸化物構成元素であるチタンは、四塩化チタンの形態であってよい。 In another example, the first liquid is the first aqueous liquid and the second liquid is the second aqueous liquid. Further, the oxide constituent element silicon may be in the form of sodium silicate, and the oxide constituent element aluminum may be in the form of at least one of aluminum sulfate, aluminum sulfate hydrate, and sodium aluminate. The oxide constituent element, zirconium, may be in the form of zirconium chloride octahydrate, and the oxide constituent element, cerium, may be in the form of cerium sulfate hexahydrate. The oxide constituent element, titanium, may be in the form of titanium tetrachloride.

図1Aは、入射する電磁放射を反射、又は透過している誘電体層(DL)の略図である。FIG. 1A is a schematic diagram of a dielectric layer (DL) that reflects or transmits incident electromagnetic radiation. 図1Bは、入射する電磁放射を反射している反射体層(RL)の略図である。FIG. 1B is a schematic diagram of a reflector layer (RL) reflecting incident electromagnetic radiation. 図1Cは、入射する電磁放射を吸収している吸収体層(AL)の略図である。FIG. 1C is a schematic diagram of an absorber layer (AL) absorbing incident electromagnetic radiation. 図1Dは、入射する電磁放射を反射、吸収、及び透過している選択的吸収体層(SAL)の略図である。FIG. 1D is a schematic representation of a selective absorber layer (SAL) that reflects, absorbs, and transmits incident electromagnetic radiation. 図2は、複数の誘電体層から作られた第1世代の全方向構造色多層薄膜による入射電磁放射の反射及び透過の略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of reflection and transmission of incident electromagnetic radiation by a first generation omnidirectional structural color multilayer thin film made of a plurality of dielectric layers. 図3は、複数の誘電体層から作られた第1世代の全方向構造色多層薄膜の略図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a first generation omnidirectional structural color multilayer thin film made of a plurality of dielectric layers. 図4は、電磁放射のTMモードとTEモードについての0.2%のレンジ対ミッドレンジ百分率の比較を表すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a comparison of 0.2% range vs. midrange percentages for TM and TE modes of electromagnetic radiation. 図5は、図4に示されるケース2についての波長の関数としての反射率グラフである。FIG. 5 is a reflectance graph as a function of wavelength for Case 2 shown in FIG. 図6は、図4に示されるケース1、2、及び3における中心波長の散乱を表すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the scattering of the center wavelengths in cases 1, 2 and 3 shown in FIG. 図7は複数の誘電体層及び一つの吸収体層から作られた第2世代の全方向構造色多層薄膜による入射電磁放射の反射及び吸収の略図である。FIG. 7 is a schematic diagram of reflection and absorption of incident electromagnetic radiation by a second generation omnidirectional structural color multilayer thin film made of a plurality of dielectric layers and one absorber layer. 図8は、複数の誘電体層、一つの吸収体層、及び/又は反射体層から作られた第2世代の全方向構造色多層薄膜の略図である。FIG. 8 is a schematic representation of a second generation omnidirectional structural color multilayer thin film made of a plurality of dielectric layers, an absorber layer, and / or a reflector layer. 図9Aは、彩度(C*)が100であり、かつ反射率(最大反射率)が60%である複数の誘電体層及び吸収体層/反射体層から作られた第2世代の5層全方向構造色多層薄膜の略図である。FIG. 9A shows a second generation 5 made of a plurality of dielectric layers and absorber / reflector layers having a saturation (C *) of 100 and a reflectance (maximum reflectance) of 60%. It is a schematic diagram of a layer omnidirectional structural color multilayer thin film. 図9Bは、0°〜45°の間の角度から観察された、第1世代の11層全方向構造色多層薄膜と比較した、図9Aにおいて示される第2世代の5層全方向構造色多層薄膜の反射率対波長のグラフである。FIG. 9B shows the second generation five-layer omnidirectional structural color multilayer film shown in FIG. 9A as compared with the first generation 11-layer omnidirectional structural color multilayer thin film observed from an angle between 0 ° and 45 °. It is a graph of reflectance vs. wavelength of a thin film. 図10は、誘電体層、選択的吸収体層(SAL)、及び反射体層から作られた第3世代の全方向構造色多層薄膜の略図である。FIG. 10 is a schematic representation of a third generation omnidirectional structural color multilayer thin film made from a dielectric layer, a selective absorber layer (SAL), and a reflector layer. 図11Aは、500nmの波長を有する電磁放射(EMR)に曝されたZnS誘電体層内の、ゼロ又はほぼゼロの電場点の略図である。FIG. 11A is a schematic representation of zero or near zero electric field points in a ZnS dielectric layer exposed to electromagnetic radiation (EMR) having a wavelength of 500 nm. 図11Bは、300nm、400nm、500nm、600nm、及び700nmの波長を有するEMRに曝されたときの、電場の二乗の絶対値(|E|)対図1Aに示されるZnS誘電体層の厚さのグラフである。FIG. 11B shows the absolute value of the square of the electric field (| E | 2 ) vs. the thickness of the ZnS dielectric layer shown in FIG. 1A when exposed to EMR having wavelengths of 300 nm, 400 nm, 500 nm, 600 nm, and 700 nm. It is a graph of. 図12は、基盤又は反射体層にわたって延在しており、かつ誘電体層の外表面の垂直方向から角度θで電磁放射に曝されたときの誘電体層の略図である。FIG. 12 is a schematic view of a dielectric layer that extends over a substrate or reflector layer and is exposed to electromagnetic radiation at an angle θ from the vertical direction of the outer surface of the dielectric layer. 図13は、434nmの波長を有するEMRに対するZnS誘電体層内のゼロ又はほぼゼロの電場点に、Cr吸収体層が配置された、ZnS誘電体層の略図である。FIG. 13 is a schematic diagram of a ZnS dielectric layer in which a Cr absorber layer is arranged at a zero or almost zero electric field point in the ZnS dielectric layer with respect to EMR having a wavelength of 434 nm. 図14は、Cr吸収体層を有しない多層積層体(例えば図1A)、及びCr吸収体層を有する多層積層体(例えば図3A)が白色光に曝されたときの、反射百分率対反射EMR波長のグラフである。FIG. 14 shows a reflection percentage vs. reflection EMR when a multilayer laminate without a Cr absorber layer (eg, FIG. 1A) and a multilayer laminate with a Cr absorber layer (eg, FIG. 3A) are exposed to white light. It is a graph of wavelength. 図15Aは、Al反射体層にわたって延在するZnS誘電体層(例えば図4A)が表す第1の高調波、及び第2の高調波のグラフである。FIG. 15A is a graph of the first harmonic and the second harmonic represented by the ZnS dielectric layer (eg, FIG. 4A) extending over the Al reflector layer. 図15Bは、Al反射体層にわたってZnS誘電体層が延在し、かつ図8Aにおいて示されるこの第2の高調波が吸収されるようにCr吸収体層がZnS誘電体層内に配置されている、多層積層体についての、反射百分率対EMR波長のグラフである。In FIG. 15B, the Cr absorber layer is arranged in the ZnS dielectric layer so that the ZnS dielectric layer extends over the Al reflector layer and the second harmonic shown in FIG. 8A is absorbed. It is a graph of the reflection percentage vs. EMR wavelength for a multilayer laminate. 図15CはAl反射体層にわたってZnS誘電体層が延在し、かつ図8Aにおいて示されるこの第1の高調波が吸収されるようにCr吸収体層がZnS誘電体層内に配置されている、多層積層体についての、反射百分率対EMR波長のグラフである。In FIG. 15C, the ZnS dielectric layer extends over the Al reflector layer, and the Cr absorber layer is arranged in the ZnS dielectric layer so that the first harmonic shown in FIG. 8A is absorbed. , Is a graph of reflection percentage vs. EMR wavelength for a multilayer laminate. 図16Aは0°〜45°の間の角度からの入射光の曝露に対するCr吸収体層の電場の角度依存性を示す、電場の二乗対誘電体層の厚さのグラフである。FIG. 16A is a graph of the thickness of the square-to-dielectric layer of the electric field, showing the angular dependence of the electric field of the Cr absorber layer on exposure to incident light from angles between 0 ° and 45 °. 図16Bは外表面に対する垂線(表面に対する垂線に対して0°)に対して0°〜45°の間の角度から白色光に曝されたときのCr吸収体層による吸収率%対反射EMR波長のグラフである。FIG. 16B shows the% absorption rate vs. reflected EMR wavelength by the Cr absorber layer when exposed to white light from an angle between 0 ° and 45 ° with respect to the perpendicular to the outer surface (0 ° to the perpendicular to the surface). It is a graph of. 図17Aは、本発明の実施形態に基づく、赤色全方向構造色多層積層体の略図である。FIG. 17A is a schematic view of a red omnidirectional structural color multilayer laminate based on an embodiment of the present invention. 図17Bは、図10Aに示されるCu吸収体層の吸収率%対図10Aに示される多層積層体に対する0°〜45°の間の角度からの白色光の曝露についての反射EMR波長のグラフである。FIG. 17B is a graph of reflected EMR wavelengths for exposure to white light from an angle between 0 ° and 45 ° with respect to the% absorption of the Cu absorber layer shown in FIG. 10A versus the multilayer laminate shown in FIG. 10A. is there. 図18は、0°の角度から白色光を曝したときの赤色全方向構造色多層積層体の概念の証明のため計算値/シミュレーション値のデータ及び実験データ間の反射率%対反射EMR波長を比較したグラフである。FIG. 18 shows the reflectance% vs. reflection EMR wavelength between the calculated / simulated data and the experimental data to prove the concept of the red omnidirectional structural color multilayer laminate when exposed to white light from an angle of 0 °. It is a comparison graph. 図19は、本発明の実施形態に基づく全方向構造色多層積層体についての反射率%対波長のグラフである。FIG. 19 is a graph of reflectance% vs. wavelength for an omnidirectional structural color multilayer laminate based on an embodiment of the present invention. 図20は、本発明の実施形態に基づく全方向構造色多層積層体についての反射率%対波長のグラフである。FIG. 20 is a graph of reflectance% vs. wavelength for an omnidirectional structural color multilayer laminate based on the embodiment of the present invention. 図21は、本発明の実施形態に基づく全方向構造色多層積層体についての反射率%対波長のグラフである。FIG. 21 is a graph of reflectance% vs. wavelength for an omnidirectional structural color multilayer laminate based on the embodiment of the present invention. 図22は、本発明の実施形態に基づく全方向構造色多層積層体についての反射率%対波長のグラフである。FIG. 22 is a graph of reflectance% vs. wavelength for an omnidirectional structural color multilayer laminate based on the embodiment of the present invention. 図23は、彩度及び色相シフトを、従来の塗料と本発明の実施形態に基づく顔料から作成された塗料(試料(b))との間で比較した、CIELAB色空間を用いたa*b*カラーマップの一部を示すグラフである。FIG. 23 shows a * b using the CIELAB color space, comparing saturation and hue shifts between conventional paints and paints (sample (b)) made from pigments based on embodiments of the present invention. * It is a graph showing a part of the color map. 図24は、本発明の実施形態に基づく全方向構造色多層積層体の略図である。FIG. 24 is a schematic view of an omnidirectional structural color multilayer laminate based on an embodiment of the present invention. 図25は、本発明の実施形態に基づく全方向構造色多層積層体の略図である。FIG. 25 is a schematic view of an omnidirectional structural color multilayer laminate based on an embodiment of the present invention. 図26は、本発明の実施形態に基づく全方向構造色多層積層体の略図である。FIG. 26 is a schematic view of an omnidirectional structural color multilayer laminate based on an embodiment of the present invention. 図27は、本発明の実施形態に基づく4層全方向構造色顔料の略図である。FIG. 27 is a schematic view of a four-layer omnidirectional structural color pigment based on an embodiment of the present invention. 図28は、本発明の実施形態に基づく7層全方向構造色顔料の略図である。FIG. 28 is a schematic diagram of a 7-layer omnidirectional structural color pigment based on an embodiment of the present invention. 図29は、本発明の実施形態に基づく、保護コーティングを有する11層全方向構造色顔料の略図である。FIG. 29 is a schematic diagram of an 11-layer omnidirectional structural color pigment having a protective coating based on an embodiment of the present invention. 図30は、本発明の実施形態に基づく、2又はそれ以上の層を含む保護コーティングの略図である。FIG. 30 is a schematic representation of a protective coating comprising two or more layers based on an embodiment of the present invention. 図31は、いくつかの保護コーティングを有する全方向構造色顔料の、正常化された相対的な光触媒活性のプロットグラフである。FIG. 31 is a plot graph of the normalized relative photocatalytic activity of omnidirectional structural color pigments with several protective coatings. 図32Aは、保護コーティングを有しない、複数の七層全方向構造色顔料についての、一対の走査型電子顕微鏡(SEM)画像のうちの一つである。FIG. 32A is one of a pair of scanning electron microscope (SEM) images for a plurality of seven-layer omnidirectional structural color pigments without a protective coating. 図32Bは、酸化ケイ素及び酸化ジルコニウム‐酸化アルミニウムの保護コーティングを有する複数の七層全方向構造色顔料についての、一対の走査型電子顕微鏡(SEM)画像のうちの一つである。FIG. 32B is one of a pair of scanning electron microscope (SEM) images of a plurality of seven-layer omnidirectional structural color pigments with a protective coating of silicon oxide and zirconium oxide-aluminum oxide.

全方向構造色を提供する。この全方向構造色は、0°〜45°の間の角度から観察した場合に、可視スペクトルにおいて電磁放射の狭帯域を反射し、かつ小さい又は識別不能な色ずれを有する多層薄膜(また、本明細書において多層積層体とも呼ばれる)の形態を有している。この多層薄膜は、塗料組成中の顔料、構造体上の連続的な薄膜、及びその他同種のものに使用することができる。 Provides omnidirectional structural colors. This omnidirectional structural color reflects a narrow band of electromagnetic radiation in the visible spectrum when observed from an angle between 0 ° and 45 °, and has a small or indistinguishable color shift. It has a form of (also referred to as a multilayer laminate in the specification). This multilayer thin film can be used for pigments in paint compositions, continuous thin films on structures, and the like.

この多層薄膜は、第1の層及び第1の層にわたって延在する第2の層を有する多層積層体含んでいる。ある例において、この多層積層体は、300nmより小さい、より好ましくは200nmより小さい、いくつかの例においては150nmより小さいFWMHを有する電磁放射の狭帯域を反射する。この多層薄膜を広帯域電磁放射、例えば白色光に曝し、かつ0°〜45°の間の角度から観察したときに、この多層薄膜は、50nmより小さく、より好ましくは40nmより小さく、さらに好ましくは30nmより小さい色ずれをさらに有している。さらに、多層積層体はUV領域及び/又はIR領域に電磁放射の個別の反射帯域を有していてよく、有していなくてもよい。 The multilayer thin film includes a multilayer laminate having a first layer and a second layer extending over the first layer. In some examples, the multilayer laminate reflects a narrow band of electromagnetic radiation having a FWMH of less than 300 nm, more preferably less than 200 nm, and in some cases less than 150 nm. When the multilayer thin film is exposed to wideband electromagnetic radiation, for example, white light and observed from an angle between 0 ° and 45 °, the multilayer thin film is smaller than 50 nm, more preferably smaller than 40 nm, still more preferably 30 nm. It also has a smaller color shift. Further, the multilayer laminate may or may not have separate reflection bands of electromagnetic radiation in the UV and / or IR regions.

この多層積層体の全厚は、2μmより小さく、好ましくは1.5μmより小さく、さらにより好ましくは1.0μmより小さい。したがって、多層積層体は薄層塗料コーティングの塗料顔料として利用することができる。 The total thickness of this multilayer laminate is smaller than 2 μm, preferably smaller than 1.5 μm, and even more preferably smaller than 1.0 μm. Therefore, the multilayer laminate can be used as a paint pigment for a thin layer paint coating.

第1、及び第2の層は誘電体材料から作ることができ、代替的に、第1及び/又は第2の層は吸収体材料から作ることができる。吸収体材料は、選択的吸収体材料、例えばCu、Au、Zn、Sn、これらの合金、及び同種のもの、又は代替的に、有色誘電体材料、例えばFe、CuO、これらの組み合わせ、及び同種のものを含んでいる。この吸収体材料は、さらに、非選択吸収材料、例えばCr、Ta、W、Mo、Ti、窒化Ti、Nb、Co、Si、Ge、Ni、Pd、V、酸化第二鉄、これらの組み合わせ又は合金、並びに同種のものであってよい。選択的吸収体材料から作られるこの吸収体層の厚さが20〜80nmの間であるのに対して、非選択的吸収体材料から作られる吸収体層の厚さは5〜30nmである。 The first and second layers can be made from a dielectric material, and alternatives the first and / or second layers can be made from an absorber material. Absorbent materials include selective absorber materials such as Cu, Au, Zn, Sn, alloys thereof, and the like, or alternative, colored dielectric materials such as Fe 2 O 3 , Cu 2 O, these. Combinations of, and similar ones are included. The absorber material further comprises a non-selective absorbent material such as Cr, Ta, W, Mo, Ti, Ti nitride, Nb, Co, Si, Ge, Ni, Pd, V, ferric oxide, a combination thereof or It may be an alloy and the same kind. The thickness of this absorber layer made from the selective absorber material is between 20-80 nm, whereas the thickness of the absorber layer made from the non-selective absorber material is 5-30 nm.

この多層積層体はさらに、第1の層及びそれにわたって第2の層が延在する反射体層を含んでおり、この反射体層は、例えばAl、Ag、Pt、Cr、Cu、Zn、Au、Sn、これらの合金及び同種のもののような材料から作られる。この反射体層は通常30〜200nmの間の厚さを有している。 The multilayer laminate further includes a reflector layer in which a first layer and a second layer extend over the first layer, and the reflector layer is, for example, Al, Ag, Pt, Cr, Cu, Zn, Au. , Sn, made from materials such as these alloys and the like. This reflector layer usually has a thickness between 30 and 200 nm.

この多層積層体は、可視スペクトルにおいて対称的なピークの形態を有する電磁放射の反射狭帯域を有していてよい。代替的に、可視スペクトルにおける電磁放射の反射狭帯域は、UV領域に隣接していることができ、これにより、電磁放射の反射帯域の一部、即ちUV部分は、人の目には見えない。代替的に、電磁放射の反射帯域は、IR領域にその一部を有していることができ、これにより、IR部分は、同様に人の目には見えない。 The multilayer stack may have a narrow reflection band of electromagnetic radiation having a symmetric peak morphology in the visible spectrum. Alternatively, the reflection narrow band of electromagnetic radiation in the visible spectrum can be adjacent to the UV region, so that part of the reflection band of electromagnetic radiation, the UV portion, is invisible to the human eye. .. Alternatively, the reflection band of electromagnetic radiation can have a portion thereof in the IR region, whereby the IR portion is also invisible to the human eye.

可視スペクトルにおけるこの電磁放射の反射帯域がUV領域、IR領域に隣接していようと、可視スペクトルにおいて対称的なピークを有していようとを問わず、本明細書により開示される多層薄膜は、低く、小さい又は認識できない色ずれを有する、可視スペクトル内の電磁放射の反射狭帯域を有する。この低い又は認識できない色ずれは、電磁放射の反射狭帯域の中心波長の小さいシフトの形態であってよい。代替的に、低い又は認識不能な色ずれは、それぞれ、IR領域又はUV領域に隣接する電磁放射の反射帯域のUV側端又はIR側端の小さいシフトの形態であってよい。0°〜45°の間の角度から多層薄膜を観察したとき、中心波長、UV側端、及び/又はIR側端のこのような小さいシフトは、通常は50nm未満であり、いくつかの例においては40nmより小さく、また他の例においては30nmより小さい。 Regardless of whether the reflection band of this electromagnetic radiation in the visible spectrum is adjacent to the UV and IR regions or has a symmetric peak in the visible spectrum, the multilayer thin films disclosed herein are: It has a narrow reflection band of electromagnetic radiation in the visible spectrum, with low, small or unrecognizable color shifts. This low or unrecognizable color shift may be in the form of a small shift in the central wavelength of the reflection narrow band of electromagnetic radiation. Alternatively, the low or unrecognizable color shift may be in the form of a small shift at the UV or IR side of the reflection band of electromagnetic radiation adjacent to the IR or UV region, respectively. When observing the multilayer thin film from an angle between 0 ° and 45 °, such small shifts at the center wavelength, UV side edges, and / or IR side edges are usually less than 50 nm, and in some examples. Is less than 40 nm, and in other examples less than 30 nm.

上記に加えて、多層薄膜の形態であるこの全方向構造色は、保護コーティングが施された複数の顔料粒子の形態であってよい。これにより、耐候性のある顔料を提供できる。保護コーティングは、顔料粒子の相対的な光触媒活性を減少させる、一つ又はそれ以上の酸化物層を含んでいることができる。この酸化物層は、当業者にとって公知であるいかなる酸化物層であってよく、実例として酸化ケイ素層、酸化アルミニウム層、酸化ジルコニウム層、酸化チタン層、酸化セリウム層、これらの組み合わせ、及び同種のものを含んでいることができる。いくつかの例において、保護コーティングは第1の酸化物層及び第2の酸化物層を含んでいる。さらに、第1の酸化物層及び/又は第2の酸化物層は、混合酸化物層、即ち2種類の酸化物の組み合わせである酸化物層であってよい。さらに、また上述のとおり、顔料そのものは酸化物層を含まない多層薄膜の形態であってよい。 In addition to the above, this omnidirectional structural color in the form of a multilayer thin film may be in the form of a plurality of pigment particles with a protective coating. Thereby, a weather resistant pigment can be provided. The protective coating can include one or more oxide layers that reduce the relative photocatalytic activity of the pigment particles. The oxide layer may be any oxide layer known to those skilled in the art, and examples thereof include a silicon oxide layer, an aluminum oxide layer, a zirconium oxide layer, a titanium oxide layer, a cerium oxide layer, a combination thereof, and the same kind. Can contain things. In some examples, the protective coating comprises a first oxide layer and a second oxide layer. Further, the first oxide layer and / or the second oxide layer may be a mixed oxide layer, that is, an oxide layer which is a combination of two kinds of oxides. Furthermore, as described above, the pigment itself may be in the form of a multilayer thin film containing no oxide layer.

全方向構造色顔料を製造する方法は、酸、酸性化合物、酸性溶媒、及び同種のものを利用することを含んでいてよく、含んでいなくてもよい。言い換えると、複数の全方向構造色顔料粒子は、酸性溶媒による処理がされることもされないこともできる。全方向構造色顔料及び、この顔料の製造方法のさらなる教示および詳細を本明細書において後述する。 Methods for producing omnidirectional structural color pigments may or may not include the use of acids, acidic compounds, acidic solvents, and the like. In other words, the plurality of omnidirectional structural color pigment particles may or may not be treated with an acidic solvent. Further teaching and details of the omnidirectional structural color pigment and the method for producing the pigment will be described later in the present specification.

図1を参照すると、図1A〜Dは全方向構造色設計の基本的な構成要素を表している。特に、図1Aは入射電磁放射に曝された誘電体層を示している。さらに、誘電体層(DL)は入射電磁放射の一部を反射し、その他の部分を透過する。加えて、入射電磁放射は、透過した部分及び反射された部分に等しく、通常、透過した部分は反射された部分よりも十分に大きい。誘電体層は誘電体材料、例えばSiO,TiO、ZnS、MgF、及び同種のものから作られる。 Referring to FIG. 1, FIGS. 1A-D represent the basic components of an omnidirectional structural color design. In particular, FIG. 1A shows a dielectric layer exposed to incident electromagnetic radiation. Further, the dielectric layer (DL) reflects a part of the incident electromagnetic radiation and transmits the other part. In addition, the incident electromagnetic radiation is equal to the transmitted and reflected parts, and the transmitted parts are usually sufficiently larger than the reflected parts. The dielectric layer is made of a dielectric material such as SiO 2 , TiO 2 , ZnS, MgF 2 , and the like.

明確な対称として、図1Bは、全ての入射電磁放射が反射され、本質的に透過率がゼロである反射体層(RL)を表している。反射体層は通常、アルミニウム、金、及びその他同種のもののような材料から作られる。 As a clear symmetry, FIG. 1B represents a reflector layer (RL) in which all incident electromagnetic radiation is reflected and the transmittance is essentially zero. The reflector layer is usually made of materials such as aluminum, gold, and the like.

図1Cは、入射電磁放射がこの層によって吸収され、かつ反射又は透過しない、吸収体層(AL)を示している。このような吸収体層は、例えばグラファイトから作られる。さらに、全入射電磁放射が吸収され、そして透過及び反射は約ゼロである。
図1Dは、入射電磁放射の一部がこの層により吸収され、一部が透過し、一部が反射される、選択的吸収体層(SAL)を表している。したがって、透過し、吸収され、及び反射される電磁放射の量は、入射電磁放射の量と等しい。加えて、このような選択的吸収体層は、クロムの薄層、銅、真鍮、及び青銅の層、並びに同種のもののような材料から作ることができる。
FIG. 1C shows an absorber layer (AL) in which incident electromagnetic radiation is absorbed by this layer and is not reflected or transmitted. Such an absorber layer is made, for example, from graphite. In addition, all incident electromagnetic radiation is absorbed, and transmission and reflection are about zero.
FIG. 1D represents a selective absorber layer (SAL) in which some of the incident electromagnetic radiation is absorbed by this layer, some is transmitted, and some is reflected. Therefore, the amount of electromagnetic radiation that is transmitted, absorbed, and reflected is equal to the amount of incident electromagnetic radiation. In addition, such selective absorber layers can be made from thin layers of chromium, layers of copper, brass, and bronze, as well as materials such as the like.

本発明について、全方向構造色の薄層の3つの世代の設計及び製造を開示する。 The present invention discloses the design and manufacture of three generations of omnidirectional structural color thin layers.

<第1世代>
図2を参照すると、複数の誘電体層を有する多層薄膜の略図が示されている。加えて、入射電磁放射の反射及び透過が模式的に示されている。上記のとおり、入射電磁放射の通常の透過は、それについての反射よりも非常に大きく、したがって多くの層が要求される。
<1st generation>
With reference to FIG. 2, a schematic diagram of a multilayer thin film having a plurality of dielectric layers is shown. In addition, the reflection and transmission of incident electromagnetic radiation is schematically shown. As mentioned above, the normal transmission of incident electromagnetic radiation is much greater than the reflection on it, thus requiring more layers.

図3は、第1の屈折率(DL)及び第2の屈折率(DL)を有する誘電体層から作られている多層薄膜の一部分を示している。層間の二重線は、異なる層間の境界を単に示しているに過ぎないと理解されたい。 FIG. 3 shows a portion of a multilayer thin film made of a dielectric layer having a first refractive index (DL 1 ) and a second refractive index (DL 2 ). It should be understood that the double lines between layers merely indicate the boundaries between different layers.

原理によって限定されるものではないが、所望の多層積層体を得るための、ある設計及び製造方法又は手段は下記のとおりである。 Some design and manufacturing methods or means for obtaining the desired multilayer laminate, but not limited by principle, are as follows.

電磁放射が材料の表面に衝突したとき、この放射の波は材料から反射され、又は透過される。さらに、電磁放射が多層積層体10の第1の終端12に、角度θで衝突したとき、この電磁波が屈折率の高い層及び低い層の表面に対する反射角は、それぞれθ及びθである。スネルの法則を利用して、
屈折率n及びnが既知であれば、この角度θ及びθを決めることができる。
When electromagnetic radiation hits the surface of a material, the waves of this radiation are reflected or transmitted from the material. Further, when the electromagnetic wave collides with the first terminal 12 of the multilayer laminate 10 at an angle θ 0 , the reflection angles of the electromagnetic wave to the surfaces of the layer having a high refractive index and the surface of the layer having a low refractive index are θ H and θ L , respectively. is there. Using Snell's law,
If the refractive indexes n H and n L are known, the angles θ H and θ L can be determined.

全方向性反射率について、電磁放射のTEモード及びTMモードの必要であるが不十分である条件として、第1層内の最大屈折角度(θH,Max)が、第1の層及び第2の層の間の境界面のブルースター角(θ)よりも小さいことが必要である。この条件が満たされない場合、電磁放射のTMモードは第2及びそれに引き続く境界面で反射せず、したがってこの構造体を透過する。
この考察を用いると、
及び
それゆえに、次のことが必要である:
For omnidirectional reflectance, the maximum refraction angle (θ H, Max ) in the first layer is the first layer and the second layer as a necessary but insufficient condition of the TE mode and TM mode of electromagnetic radiation. Must be less than the Blue Star angle (θ B ) of the interface between the layers of. If this condition is not met, the TM mode of electromagnetic radiation will not reflect at the second and subsequent interface and will therefore pass through this structure.
Using this consideration,
as well as
Therefore, the following is required:

式4により表現される必要条件に加えて、波長λの電磁波が角度θ0で多層構造に向かい、かつ多層構造の個々の二重層が、それぞれ屈折率n及びnを伴う厚さd及びdを有する場合、特性変換マトリクス(F)は、以下のように表現される。
これは次のようにも表現可能であり:
ここで:
及び
である。
さらに、
ここで、
及び
である。
TE及びTMについて明確にρを解くと:
及び
In addition to the requirements expressed by Equation 4, the electromagnetic waves of wavelength λ are directed towards the multi-layer structure at an angle θ0, and the individual bilayers of the multi-layer structure have a thickness d H and n L with refractive indexes n H and n L , respectively. When having d L , the characteristic conversion matrix ( FT ) is expressed as follows.
This can also be expressed as:
here:
as well as
Is.
further,
here,
as well as
Is.
Clearly solving ρ T for TE and TM:
as well as

観測角度に依存する帯域構造は、全反射領域の、帯域端としても知られている、端部についての境界条件から得ることが可能である。本発明の目的のため、帯域端は、所与の帯域構造について全反射領域と透過領域とを分ける線(ライン)の方程式として定義される。 The viewing angle-dependent band structure can be obtained from the boundary conditions for the ends of the total internal reflection region, also known as the band ends. For the purposes of the present invention, the band edge is defined as a line equation that separates the total reflection region from the transmission region for a given band structure.

高反射バンドのバンド周波数を決定する境界条件は、以下の条件によって与えられる。
したがって、式3から:
又は別の表現で:
式15及び7を結合すると、以下のバンド端の式が得られる:
ここで:
及び:
上記のバンド端の式の+の記号は、長波長(λlong)の場合のバンド端を表し、及び−の記号は、短波長(λshort)の場合のバンド端を表す。
式20及び21を再編すると:
TEモードについて:
及び、
TMモードについて:
である。
The boundary conditions that determine the band frequency of the high reflection band are given by the following conditions.
Therefore, from Equation 3:
Or in another way:
Combining equations 15 and 7 gives the following band-end equation:
here:
as well as:
The + symbol in the above band end equation represents the band end for long wavelengths (λ long ), and the-symbol represents the band end for short wavelengths (λ short ).
Reorganizing equations 20 and 21:
About TE mode:
as well as,
About TM mode:
Is.

バンド端の近似解は、以下の表現により確定することができる:
4分の1波長の設計(以下でより詳細に記載される)、及び互いに等しくなるように選択された交互の層の光学的な厚さを考慮すれば、この近似解は妥当である。さらに、交互の層の光学的な厚さが比較的小さいと、コサインは1に近づく。このようにして、式23及び24は近似的なバンド端の式をもたらす:
TEモードについて:
及び、TMモードについて:
The approximate solution of the band edge can be determined by the following expression:
Given the quarter-wavelength design (described in more detail below) and the optical thickness of the alternating layers selected to be equal to each other, this approximation is valid. Moreover, if the optical thickness of the alternating layers is relatively small, the cosine approaches 1. In this way, equations 23 and 24 result in an approximate band-end equation:
About TE mode:
And about TM mode:

入射角の関数としてのL+及びpTMの値は、式7,8,14,15,20、及び21から得ることができ、それによって入射角の関数としてのTE及びTMモードにおけるλlong及びλshortについての計算が可能となる。 The values of L + and pTM as a function of the angle of incidence can be obtained from equations 7, 8, 14, 15, 20, and 21 thereby for λlong and λshort in TE and TM modes as a function of the angle of incidence. Calculation is possible.

全方向反射体の中心波長(λc)は:
の関係式により確定することができる。
中心波長は重要なパラメーターとなる場合があり、というはその値が反射される電磁波長い及び/又は色スペクトルの近似範囲を示唆するからである。反射帯域の幅に関する示唆をもたらすことのできる、もう一つの重要なパラメーターは、全方向性反射帯域内の波長のレンジ対全方向性反射帯域内の波長のミッドレンジ比として定義される。この「レンジ対ミッドレンジ比」(η)は数学的に以下のように表現される:
TEモードについて、
TMモードについて:
レンジ対ミッドレンジ比は百分率として表現することができ、本発明の目的に関して、この用語「レンジ対ミッドレンジ比」と「レンジ対ミッドレンジ比百分率」は同義的に使用されると理解されたい。さらに、「%」記号を伴って提示される「レンジ対ミッドレンジ比」の値は、「レンジ対ミッドレンジ比」の百分率の値であると理解されたい。TMモード及びTEモードの「レンジ対ミッドレンジ比」の値は、式28及び29から数値的に計算可能であり、高屈折率及び低屈折率の関数としてプロットすることができる。
The center wavelength (λc) of the omnidirectional reflector is:
It can be determined by the relational expression of.
The center wavelength can be an important parameter because its value suggests a long and / or approximate range of the reflected electromagnetic wave spectrum. Another important parameter that can provide implications for the width of the reflection band is defined as the range of wavelengths within the omnidirectional reflection band to the midrange ratio of wavelengths within the omnidirectional reflection band. This "range to midrange ratio" (η) is mathematically expressed as:
About TE mode
About TM mode:
The range to midrange ratio can be expressed as a percentage, and it should be understood that the terms "range to midrange ratio" and "range to midrange ratio percentage" are used synonymously for the purposes of the present invention. Further, it should be understood that the value of "range to midrange ratio" presented with the "%" symbol is the value of the percentage of "range to midrange ratio". The values of the "range to midrange ratio" in TM mode and TE mode can be calculated numerically from equations 28 and 29 and can be plotted as a function of high index and low index.

狭い全方向性バンドを得るためには、中心波長の分散を最小限にしなければならないと理解されたい。 It should be understood that the dispersion of the central wavelength must be minimized in order to obtain a narrow omnidirectional band.

したがって、式27から、中心波長の分散は:
と表現することができ:
ここで:
中心波長分散ファクターFは、次のように表現可能である:
Therefore, from Equation 27, the variance of the center wavelength is:
Can be expressed as:
here:
The central wavelength dispersion factor F c can be expressed as:

上記から、所望の低中心波長シフト(Δλ)を有する多層積層体は、nの屈折率を有し、かつ一又は複数の層が厚さdを有する低屈折率材料、及びnの屈折率を有し、かつ一又は複数の層が厚さdを有する高屈折率材料から設計することができる。 From the above, the multilayer laminate having the desired low center wavelength shift (Δλ c ) has a refractive index of n L , and one or more layers have a thickness d L, and a low refractive index material and n H. It has a refractive index of, and can be designed from the high refractive index material one or a plurality of layers have a thickness d H.

特に、図4は電磁放射のTMモードとTEモードについての0.2%のレンジ対ミッドレンジ比を、高屈折率対低屈折率の関数としてプロットしたものを比較したグラフである。図において示されるとおり、3つのケースが示されており、ケースIはTMモードとTEモード間の大きな違いに関しており、ケースIIはTMモードとTEモード間の差が小さい場合に関しており、ケースIIIはTMモードとTEモード間の差が非常に小さい場合に関している。さらに、図5は、ケースIIの類似ケースについての反射された電磁放射の反射率パーセント対波長を表している。 In particular, FIG. 4 is a graph comparing the 0.2% range-to-midrange ratios of electromagnetic radiation in TM mode and TE mode plotted as a function of high refractive index vs. low refractive index. As shown in the figure, three cases are shown, Case I relates to a large difference between TM mode and TE mode, Case II relates to a case where the difference between TM mode and TE mode is small, and Case III relates to a case. It relates to the case where the difference between the TM mode and the TE mode is very small. In addition, FIG. 5 represents the reflectance percent vs. wavelength of the reflected electromagnetic radiation for a similar case in Case II.

図5において示されるとおり、ケースIIIに対応する多層薄膜についての中心波長の小さい散乱が示されている。加えて、図6についての参照と合わせて、多層薄膜を0°〜45°の間の角度から観察したときに、ケース2は中心波長の50nm(ケースII)より小さい色ずれをもたらし、かつ多層薄膜を0°〜45°の間の角度から観察したときに、ケースIIIは中心波長の25nm(ケースIII)より小さい色ずれをもたらす。 As shown in FIG. 5, scattering with a small center wavelength is shown for the multilayer thin film corresponding to Case III. In addition, when the multilayer thin film is observed from an angle between 0 ° and 45 ° in combination with the reference with respect to FIG. 6, Case 2 causes a color shift smaller than the center wavelength of 50 nm (Case II), and the multilayer is multilayer. When the thin film is observed from an angle between 0 ° and 45 °, Case III results in a color shift smaller than the center wavelength of 25 nm (Case III).

<第2世代>
図7を参照すると、第2世代に基づく、例示的な構造/設計が示されている。図7に示されている多層積層体は、複数の誘電体層及び、その下にある吸収体層を有している。加えて、入射電磁放射のうち、この構造体を透過するものはなく、即ち、全ての入射電磁放射は反射又は吸収される。図7に示されるようなこのような構造体は、十分な量の反射を得るために必要な誘電体層の数を減少することを可能にする。
<2nd generation>
With reference to FIG. 7, an exemplary structure / design based on the second generation is shown. The multilayer laminate shown in FIG. 7 has a plurality of dielectric layers and an absorber layer under the dielectric layer. In addition, none of the incident electromagnetic radiation is transmitted through this structure, that is, all incident electromagnetic radiation is reflected or absorbed. Such a structure, as shown in FIG. 7, makes it possible to reduce the number of dielectric layers required to obtain a sufficient amount of reflection.

例えば、図8は、多層積層体が、Crから作られている中央の吸収体層、Cr吸収体層にわたって延在する第1の誘電体材料層(DL)、DL層にわたって延在する第2の誘電体材料層(DL)、及びそしてDL層にわたって延在するDL層を有する、このような構造の略図をもたらしている。このような設計において、第1の誘電体層第3の誘電体層の厚さは同じ又は異なっていてよい。 For example, FIG. 8 shows a multilayer laminate extending over a central absorber layer made of Cr, a first dielectric material layer (DL 1 ) extending over a Cr absorber layer, and a DL 1 layer. It provides a schematic representation of such a structure with a second dielectric material layer (DL 2 ) and a DL 1 layer extending over the DL 2 layers. In such a design, the thickness of the first dielectric layer and the third dielectric layer may be the same or different.

特に、図9Aは、中心のCr層が2つのTiO層に結合され、これが更に2つのSiO層によって結合されている構造のグラフ表示を示している。プロットによって示されるとおり、TiO及びSiOの層の厚さは互いに等しくない。さらに、図9Bは、図9Aに示される5層構造及び第1世代の設計に基づく13層構造体を比較した、反射率対波長スペクトルを示している。図9Bに示されるとおり、この構造を0°〜45°の間の角度から観察したときに、50nmより小さく、好ましくは25nmより小さい中心波長のシフトがもたらされる。第2世代に基づく5層構造が第1世代の13層構造と基本的に同等にふるまうという事実が、図9Bにおいて、さらに示されている。 In particular, FIG. 9A shows a graphical representation of the structure in which the central Cr layer is coupled to two TiO 2 layers, which are further coupled by two SiO 2 layers. As shown by the plot, the layers of TiO 2 and SiO 2 are not equal in thickness. In addition, FIG. 9B shows a reflectance vs. wavelength spectrum comparing the 5-layer structure shown in FIG. 9A with the 13-layer structure based on the first generation design. As shown in FIG. 9B, when this structure is observed from an angle between 0 ° and 45 °, it results in a shift of the center wavelength less than 50 nm, preferably less than 25 nm. The fact that the 5-layer structure based on the 2nd generation behaves essentially the same as the 13-layer structure of the 1st generation is further shown in FIG. 9B.

<第3世代>
図10を参照すると、下部の反射体層(RL)が、これにわたって延在する第1の誘電体材料層DL、及びDL層にわたって延在する選択的吸収体層SALを有している、第3世代の設計が示されている。加えて、もう一つのDL1層は提供されても、されなくてもよく、かつ選択的吸収体層にわたって延在していても、していなくてもよい。入射する全ての電磁放射が多層積層体によって反射され、又は選択的に吸収されている図が、さらに図において示されている。
<3rd generation>
Referring to FIG. 10, the lower reflector layer (RL) has a first dielectric material layer DL 1 extending over it and a selective absorber layer SAL extending over DL 1 layer. , 3rd generation design is shown. In addition, another DL1 layer may or may not be provided and may or may not extend over the selective absorber layer. A diagram in which all incident electromagnetic radiation is reflected or selectively absorbed by the multilayer stack is further shown in the figure.

図10に示されるようなこのような設計は、所望の多層積層体を設計及び製造するために利用される、異なる方式に対応している。特に、誘電体層の、ゼロ又はほぼゼロの電場点の厚さを下記において利用し、論じる。 Such a design, as shown in FIG. 10, corresponds to different schemes used to design and manufacture the desired multilayer laminate. In particular, the thickness of the zero or near zero electric field points of the dielectric layer is utilized and discussed below.

例えば、図11Aは、Al反射体層にわたって延在するZnS誘電体層の略図である。このZnS誘電体層は、143nmの全厚を有し、かつ500nmの波長を有する入射電磁放射について、77nmの位置にゼロ又はほぼゼロの電場点を有する。言い換えると、ZnS誘電体層は500nmの波長を有する入射EMRについて、Al反射体層から77nmの距離にゼロ又はほぼゼロの電場点を有する。加えて、図11Bは、異なるEMR波長について、ZnS誘電体層にわたる電場のグラフを提供している。グラフにおいて示されるように、誘電体層は500nmの波長を有する入射EMRについて、77nmの厚さにおいてゼロ又はほぼゼロの電場点を有するが、しかし400nm、600nm、及び700nmの波長を有する入射EMRについて、ゼロ又はほぼゼロの電場点を有しない。 For example, FIG. 11A is a schematic diagram of a ZnS dielectric layer extending over the Al reflector layer. The ZnS dielectric layer has a zero or near zero electric field point at 77 nm for incident electromagnetic radiation having a total thickness of 143 nm and a wavelength of 500 nm. In other words, the ZnS dielectric layer has a zero or near zero electric field point at a distance of 77 nm from the Al reflector layer for an incident EMR having a wavelength of 500 nm. In addition, FIG. 11B provides a graph of the electric field over the ZnS dielectric layer for different EMR wavelengths. As shown in the graph, the dielectric layer has zero or near zero electric field points at a thickness of 77 nm for incident EMRs with wavelengths of 500 nm, but for incident EMRs with wavelengths of 400 nm, 600 nm, and 700 nm. Has no or near zero electric field points.

ゼロ又はほぼゼロの電場点の計算について言及すると、図12は反射率nを有する基盤又は中心層2上の、全厚「D、」増分の厚さ「d」、及び反射率「n」を有する誘電体層4を表している。入射光は誘電体層4の外表面5を、外表面5に対して垂直な線6に対して角度θで当たり、そして同じ角度で外表面5から反射する。入射光は外表面5を透過して、線6に対して角度θで誘電体層4に入り、基盤層の表面3に角度θで当たる。 In reference to the calculation of zero or near zero electric field points, FIG. 12 shows the total thickness “D,” increasing thickness “d”, and reflectance “n” on the substrate or central layer 2 having reflectance n s . Represents the dielectric layer 4 having. The incident light hits the outer surface 5 of the dielectric layer 4 at an angle θ with respect to the line 6 perpendicular to the outer surface 5 and is reflected from the outer surface 5 at the same angle. The incident light passes through the outer surface 5 and enters the dielectric layer 4 at an angle θ F with respect to the line 6 and hits the surface 3 of the base layer at an angle θ s .

一つの誘電体層について、θs=θFかつ電場/電界(E)はz=dのとき、E(z)と表現することができる。
マクスウェルの方程式から、電場は、s偏光について:
及びp偏光について:
したがって、s偏光について、
及びp偏光について
である。
For one dielectric layer, when θs = θF and the electric field / electric field (E) is z = d, it can be expressed as E (z).
From Maxwell's equations, the electric field is about s polarization:
And p-polarized light:
Therefore, regarding s polarization,
And p-polarized light
Is.

誘電体層4のz軸方向の電場の変化は、下記のように表現される、未知のパラメーターu(z)及びv(z)を計算することにより概算することができると理解されたい。
s偏光についてq=ncosθ(39)
p偏光についてq=n/cosθ(40)
s偏光についてq=ncosθ (41)
p偏光についてq=n/cosθ (42)
φ=k・n・dcos(θ)(43)
u(z)及びv(z)は、下記のように表現することができる:
及び
及びp偏光について
ここで、
及び
It should be understood that the change in the electric field of the dielectric layer 4 in the z-axis direction can be estimated by calculating the unknown parameters u (z) and v (z) expressed as follows.
About s polarization q s = n s cos θ s (39)
About p-polarized light q s = n s / cos θ s (40)
About s polarization q = ncosθ F (41)
About p-polarized light q = n / cosθ F (42)
φ = k · n · dcos (θ F ) (43)
u (z) and v (z) can be expressed as:
as well as
And p-polarized light
here,
as well as

このように、θ=0又は垂直な入射であり、φ=k・n・d、及びα=0である簡単な状態において:
これにより「d」を、即ち、誘電体層中の電場がゼロである場所を解くことができる。
Thus, in the simple state of θ F = 0 or vertical incident, φ = k · n · d, and α = 0:
This makes it possible to solve "d", that is, the place where the electric field in the dielectric layer is zero.

図13を参照すると、434nmの波長を有するEMRに曝したときの図11Aに示されるZnS誘電体層のゼロ又はほぼゼロの電場点が、70nm(500nmの波長について77nmである代わりに)にあることを計算するために、方程式52が使用された。加えて、15nmの厚さのCr吸収体層が、Al反射体層から70nmの厚さに挿入され、これによりゼロ又はほぼゼロの電場のZnS−Cr境界が得られる。このようは発明の構造は、434nmの波長を有する光がCr−ZnS境界を通過させるが、しかし434nmの波長を有しない光を吸収する。言い換えると、このCr−ZnS境界は434nmの波長を有する光に関してゼロ又はほぼゼロの電場を有し、これにより434nmの光はこの境界を通過する。しかしながら、Cr−ZnS境界は434nmの波長を有しない光についてはゼロ又はほぼゼロの電場を有しないため、このような光はCr吸収体層及び/又はCr−ZnS境界によって吸収され、Al反射体層によって反射されない。 Referring to FIG. 13, the zero or near zero electric field point of the ZnS dielectric layer shown in FIG. 11A when exposed to EMR having a wavelength of 434 nm is at 70 nm (instead of 77 nm for a wavelength of 500 nm). Equation 52 was used to calculate that. In addition, a Cr absorber layer with a thickness of 15 nm is inserted from the Al reflector layer to a thickness of 70 nm, which gives a ZnS-Cr boundary with a zero or near zero electric field. Thus, the structure of the invention allows light having a wavelength of 434 nm to pass through the Cr-ZnS boundary, but absorbs light not having a wavelength of 434 nm. In other words, this Cr-ZnS boundary has a zero or near zero electric field for light having a wavelength of 434 nm, which allows light at 434 nm to pass through this boundary. However, since the Cr-ZnS boundary does not have a zero or near zero electric field for light that does not have a wavelength of 434 nm, such light is absorbed by the Cr absorber layer and / or the Cr-ZnS boundary and is an Al reflector. Not reflected by the layer.

所望の434nmの+/−10nm以内の光の数パーセントは、Cr−ZnS境界を通過することを理解されたい。しかしながら、このような反射光の狭帯域、例えば434+/−10nmは、それでも人の目には鮮明な構造色をもたらすことを、さらに理解されたい。 It should be understood that a few percent of the desired light within +/- 10 nm at 434 nm passes through the Cr-ZnS boundary. However, it should be further understood that such a narrow band of reflected light, such as 434 +/- 10 nm, still provides a vivid structural color to the human eye.

図13の多層積層体中のCr吸収体層があることによる結果が、反射率パーセント対反射EMRの波長が示されている図14において示されている。図13に示されるZnS誘電体層であってCr吸収体層を有しないものに対応する、この点線で示されるとおり、狭い反射ピークが約400nmに存在するが、しかしより広いピークが約500+nmにおいて存在する。加えて、500nmの波長の領域において、未だ多量の光が反射される。したがって、多層積層体が構造色をもたらすことを妨げる、二つのピークが存在する。 The result of having a Cr absorber layer in the multilayer laminate of FIG. 13 is shown in FIG. 14 where the wavelength of reflectance percent vs. reflection EMR is shown. Corresponding to the ZnS dielectric layer shown in FIG. 13 which does not have a Cr absorber layer, as shown by this dotted line, a narrow reflection peak is present at about 400 nm, but a wider peak is at about 500 + nm. Exists. In addition, a large amount of light is still reflected in the wavelength region of 500 nm. Therefore, there are two peaks that prevent the multilayer laminate from providing structural color.

対照的に、図14の実線は、Cr吸収体層が存在する、図13に示される構造体に対応している。図において示されるとおり、約434nmにおいて鋭いピークが存在し、434nmより大きい波長に関する反射率の鋭い降下が、Cr吸収体層によってもたらされる。実線により示される鋭いピークは、視覚的に鮮明な/構造色として見えると理解されたい。さらに、図14は、反射されたピーク又は帯域の幅が測定される場所を示しており、即ち、帯域の幅は、さらに半値幅(FWHM)として知られる、最大反射波長の50%の反射率の部分で測定される。 In contrast, the solid line in FIG. 14 corresponds to the structure shown in FIG. 13 in which the Cr absorber layer is present. As shown in the figure, there is a sharp peak at about 434 nm and a sharp drop in reflectance for wavelengths greater than 434 nm is provided by the Cr absorber layer. It should be understood that the sharp peaks indicated by the solid lines appear as visually vivid / structural colors. In addition, FIG. 14 shows where the reflected peak or bandwidth is measured, i.e. the bandwidth is 50% reflectance of the maximum reflection wavelength, also known as full width at half maximum (FWHM). It is measured in the part of.

図13に示される多層積層体の全方向作用について言及すると、このZnS誘電体層のこの厚さを設計し、又は定めることができ、これより反射光の第一高調波のみがもたらされる。これは「青」色には十分であるが、しかし「赤」色をもたらすためにはさらなる考慮が必要であると理解されたい。例えば、赤色について、非角度依存性の調整は困難であり、これは、より厚い誘電体層を要するためであり、これにより、高い調和設計をもたらし、即ち、第2及びあるべき第3の高調波が不可避となってしまう。さらに、暗褐色色空間は非常に狭い。したがって、赤色多層積層体は高い角度変化を有する。 Speaking of the omnidirectional action of the multilayer laminate shown in FIG. 13, this thickness of this ZnS dielectric layer can be designed or determined, which results in only the first harmonic of reflected light. It should be understood that this is sufficient for the "blue" color, but further consideration is needed to bring about the "red" color. For example, for red, non-angle-dependent adjustments are difficult because they require a thicker dielectric layer, which results in a high harmony design, i.e. the second and desired third harmonics. The waves are inevitable. Moreover, the dark brown space is very narrow. Therefore, the red multilayer laminate has a high angular change.

赤色のこの高い角度変化を克服するため、本出願は、独特かつ新規な、角度非依存性の赤色をもたらす設計/構造を開示する。例えば、図15Aは、0°〜45°の角度から観察した時にこの誘電体層の外表を観察したときに、入射白色光について第1及び第2の高調波を呈する誘電体層を表している。このグラフに示されるように、低い角度依存性(小さいΔλ)が誘電体層の厚さによりもたらされるが、しかしこのような多層積層体は青色(第1の高調波)と赤色(第2の高調波)の組み合わせを有しており、ゆえに所望の「赤のみ」の色には適さない。ゆえに、吸収体層を利用して所望でない高調波の群を吸収する、この理論/構造が発展してきた。図15Aは、所与の反射ピークに関する反射帯域の中心波長(λ)の位置、及びこの試料を0°〜45°の間の角度から観察した場合のこの中心波長の分散又はシフト(Δλ)を更に表している。 To overcome this high angular variation of red, the present application discloses a design / structure that results in a unique, novel, angle-independent red. For example, FIG. 15A represents a dielectric layer that exhibits first and second harmonics with respect to incident white light when the outer surface of the dielectric layer is observed when observed from an angle of 0 ° to 45 °. .. As shown in this graph, low angular dependence (small Δλ c ) is provided by the thickness of the dielectric layer, but such multilayers are blue (first harmonic) and red (second harmonic). It has a combination of harmonics) and is therefore not suitable for the desired "red only" color. Therefore, this theory / structure has been developed to utilize the absorber layer to absorb a group of unwanted harmonics. FIG. 15A shows the position of the center wavelength (λ c ) of the reflection band with respect to a given reflection peak, and the dispersion or shift (Δλ c) of this center wavelength when the sample is viewed from an angle between 0 ° and 45 °. ) Is further expressed.

図15Bについて言及すると、図15Aにおいて示される第2の高調波が、Cr吸収体層によって、適切な誘電体層の厚さ(例えば72nm)において吸収され、そして鮮明な青色がもたらされる。さらに本発明において重要なことに、図15Cは、第1の高調波をCr吸収体層によって異なる誘電体層の厚さ(例えば125nm)において吸収することにより,赤色がもたらされる。しかしながら、図15Cは、Cr吸収体層の使用は、この多層積層体の所望のものよりも高い角度依存性、即ち、所望のΔλよりも大きくなることを、さらに表している。 With reference to FIG. 15B, the second harmonic shown in FIG. 15A is absorbed by the Cr absorber layer at the appropriate dielectric layer thickness (eg 72 nm), resulting in a crisp blue color. More importantly in the present invention, FIG. 15C provides a red color by absorbing the first harmonic at different dielectric layer thicknesses (eg 125 nm) depending on the Cr absorber layer. However, FIG. 15C further shows that the use of the Cr absorber layer is more angle dependent than desired for this multilayer laminate, i.e. greater than the desired Δλ c .

青色と比較した赤色に関する相対的に大きいシフトは、この暗赤色の色空間が非常に狭いことと、Cr吸収体層がゼロでない、又はほぼゼロでない電場に対応する色を吸収すること、即ちこの電場がゼロ又はほぼゼロのときに、光を吸収しないという事実によると理解されたい。したがって、図16Aは、異なる入射角度によって、光波長に対するこのゼロ又はほぼゼロの電場点が異なることを示している。この様な要因は、図16Bに示される角度非依存吸収性、即ち、0°及び45°における吸収率曲線の違いをもたらす。したがって、多層積層体の設計及び角度非依存性の性能をさらに向上させるため、電場がゼロか否かによらずに、例えば青色光を吸収する吸収体層を使用する。 The relatively large shifts for red compared to blue are that this dark red color space is very narrow and that the Cr absorber layer absorbs the color corresponding to the non-zero or near-zero electric field, that is, this. It should be understood by the fact that it does not absorb light when the electric field is zero or near zero. Therefore, FIG. 16A shows that this zero or near zero electric field point with respect to the light wavelength differs depending on the angle of incidence. Such factors result in the angle-independent absorbency shown in FIG. 16B, i.e., the difference in absorption rate curves at 0 ° and 45 °. Therefore, in order to further improve the design of the multilayer laminate and the angle-independent performance, for example, an absorber layer that absorbs blue light is used regardless of whether the electric field is zero or not.

特に、図17Aは、Cr吸収体層の代わりにCu吸収体層がZnS層にわたって延在している多層積層体を示している。このような「有色」又は「選択的な」吸収体層を使用した結果が図17Bにおいて示され、これは図17Aに示される多層積層体の0°及び45°の吸収率線の、より「厳しい」組み分けを表している。したがって、図16B及び図16Bとの間の比較は、非選択的吸収体層の代わりに選択的吸収体層を使用することにより、吸収率の角度非依存性の顕著な向上があることを示している。 In particular, FIG. 17A shows a multilayer laminate in which a Cu absorber layer extends over the ZnS layer instead of the Cr absorber layer. The results of using such a "colored" or "selective" absorber layer are shown in FIG. 17B, which is more "" of the 0 ° and 45 ° absorption rate lines of the multilayer laminate shown in FIG. 17A. It represents a "strict" grouping. Therefore, a comparison between FIGS. 16B and 16B shows that there is a significant improvement in the angle independence of absorption rates by using the selective absorber layer instead of the non-selective absorber layer. ing.

上記に基づいて、概念を証明するための多層積層体構造を設計し、作製した。加えて、概念を証明するための試料についての計算/シミュレーション結果、及び実際の実験データを比較した。特に、また図18のグラフプロットにおいて示すように、鮮明な赤色がもたらされ(700nmより大きい波長は通常人の目には見えない)、また、計算/シミュレーション及び実際の試料から得られた実験の光のデータとの間で、非常に良好な一致が得られた。言い換えると、計算/シミュレーションは、本発明の一つ又はそれ以上実施形態及び/又は公知の多層積層体の多層積層体設計の結果をシミュレートし、又はシミュレートするために使用することができる。 Based on the above, a multilayer structure for proving the concept was designed and manufactured. In addition, the calculation / simulation results for the sample to prove the concept and the actual experimental data were compared. In particular, as also shown in the graph plot of FIG. 18, a clear red color is obtained (wavelengths greater than 700 nm are usually invisible to the human eye), and calculations / simulations and experiments obtained from actual samples. Very good agreement was obtained with the light data of. In other words, the calculation / simulation can be used to simulate or simulate the results of a multilayer design of one or more embodiments of the invention and / or known multilayers.

シミュレートし、及び/又は実際に作製した多層積層体の試料の目録を、下記の表1において提供する。表において示すとおり、本明細書で開示されるこの発明の設計は、少なくとも5層の異なる層構造を含んでいる。加えて、この試料は、広い領域の材料からシミュレートし、及び/又は作製した。高い彩度、低い色ずれ、完全な反射率を呈した試料をもたらした。さらに、この3及び5層の試料は120〜200nmの間の全厚を有し;この7層の試料は350〜600nmの全厚を有し;この9層の試料は440〜500nmの全厚を有し、この11層の試料は600〜660nmの全厚を有していた。 A list of samples of the multilayer laminates simulated and / or actually produced is provided in Table 1 below. As shown in the table, the design of the invention disclosed herein includes at least five different layer structures. In addition, this sample was simulated and / or prepared from a large area of material. It resulted in a sample with high saturation, low color shift and perfect reflectance. In addition, the 3 and 5 layer samples have a total thickness between 120 and 200 nm; the 7 layer sample has a total thickness of 350 to 600 nm; the 9 layer sample has a total thickness of 440 to 500 nm. The 11-layer sample had a total thickness of 600-660 nm.

図19について言及すると、反射体の表面に対して0°及び45°の角度から白色光に曝したときの全方向反射体についての、反射率パーセント対反射EMR波長のプロットを示している。プロットで示すように、0°及び45°の曲線は、500nmより大きい波長について全方向反射体がもたらす、非常に低い反射率、例えば20%より小さい反射率を表している。しかしながら、この反射体は、曲線によって示すように、400〜500nmの間の波長において反射率の鋭い増加をもたらし、かつ450nmにおいて約90%の最大値に到達する。この曲線の左手側(UV側)にある、グラフの部分又は領域は、この反射体によりもたらされる反射帯域のUV部分を表していることを理解されたい。 Reference to FIG. 19 shows a plot of reflectance percent vs. reflected EMR wavelengths for an omnidirectional reflector when exposed to white light from angles 0 ° and 45 ° with respect to the surface of the reflector. As shown in the plot, the 0 ° and 45 ° curves represent the very low reflectance that omnidirectional reflectors provide for wavelengths greater than 500 nm, eg less than 20%. However, this reflector provides a sharp increase in reflectance at wavelengths between 400 and 500 nm and reaches a maximum of about 90% at 450 nm, as shown by the curve. It should be understood that the part or region of the graph on the left hand side (UV side) of this curve represents the UV part of the reflection band provided by this reflector.

この全方向反射体によってもたらされる反射率のこの鋭い増加は、500nmより大きい波長にある低反射率部分から高反射率部分、例えば>70%の部分まで延長する各曲線のIR側端によって特徴づけられる。IR端側の直線部分200は、x軸に関して60°より大きい角度(β)に傾いており、反射率軸上の約50の長さL及び1.2の傾きを有している。ある例において、直線部分はx軸に関して70°より大きい角度に傾いており、他方、他の例ではβは75°よりも大きい。さらに、反射帯域は200nmより小さい可視FWMHを有しており、ある例において、150nmより小さい可視FWMHを、他の例において100nmより小さい可視FWMHを有する。加えて、図19で表すような可視反射帯域の中心波長λは、反射帯域のIR側端と可視FWHMのUVスペクトルのUV端から等距離にある波長として定義される。 This sharp increase in reflectance provided by this omnidirectional reflector is characterized by the IR side edge of each curve extending from a low reflectance portion at a wavelength greater than 500 nm to a high reflectance portion, eg, a> 70% portion. Be done. The linear portion 200 on the IR end side is tilted at an angle (β) greater than 60 ° with respect to the x-axis, and has a length L of about 50 and a tilt of 1.2 on the reflectance axis. In one example, the linear portion is tilted at an angle greater than 70 ° with respect to the x-axis, while in other examples β is greater than 75 °. Further, the reflection band has a visible FWMH smaller than 200 nm, in some cases a visible FWMH smaller than 150 nm and in another example a visible FWMH smaller than 100 nm. In addition, the central wavelength λ c of the visible reflection band as shown in FIG. 19 is defined as a wavelength equal to the IR side end of the reflection band and the UV end of the UV spectrum of the visible FWHM.

用語「可視FWHM」は、この曲線のIR端側と、これを超えると全方向反射体によって供給される反射は人の目には見えないUVスペクトル領域の端部との間の反射帯域の幅を言及していると理解されたい。このように、本明細書で開示される本発明の設計品及び多層積層体は、鮮明な構造色をもたらすために、電磁放射の不可視UV部分を使用する。言い換えると、反射体が、UV領域に延在するさらに広い電磁放射の帯域を反射するという事実にかかわらず、本明細書が開示する全方向反射体は、反射される可視光の狭帯域を提供するために、電磁放射スペクトルの不可視UV部分を利用している。 The term "visible FWHM" refers to the width of the reflection band between the IR end of this curve and beyond this the reflection provided by the omnidirectional reflector is at the end of the UV spectral region, which is invisible to the human eye. Please understand that it refers to. As such, the designs and multilayers of the invention disclosed herein use invisible UV moieties of electromagnetic radiation to provide a vivid structural color. In other words, despite the fact that the reflector reflects a wider band of electromagnetic radiation that extends into the UV region, the omnidirectional reflectors disclosed herein provide a narrow band of reflected visible light. In order to do so, the invisible UV part of the electromagnetic radiation spectrum is used.

図20を参照すると、本発明の実施形態に基づく多層積層体を0°及び45°から観察した時にもたらされる、全体的に対照的な反射帯域を示している。図において表すとおり、本発明の実施形態に基づく多層積層体を0°から観察した時にもたらされる反射帯域は、多層積層体を45°(λ(45))から観察した時に、50nmより小さい中心波長(λ(0))の色ずれ、即ち、Δλ(0−45)<50nmを有する。加えて、この0度の反射帯域及び45°の反射帯域のFWMHは200nmより小さい。 With reference to FIG. 20, the overall contrasting reflection bands provided when observing the multilayer laminate according to the embodiment of the present invention from 0 ° and 45 ° are shown. As shown in the figure, the reflection band provided when the multilayer laminate based on the embodiment of the present invention is observed from 0 ° is smaller than 50 nm when the multilayer laminate is observed from 45 ° (λ c (45 o )). It has a color shift of the center wavelength (λ c (0 o )), that is, Δλ c (0-45 o ) <50 nm. In addition, the FWMH of the 0 degree reflection band and the 45 ° reflection band is smaller than 200 nm.

図21は、この反射体の表面に対して0°及び45°の角度から白色光に曝したときの、もう一つの全方向反射体設計についての反射率パーセント対反射EMR波長のプロットを示している。図19と同様に、またプロットにおいて示されるように、0°及び45°の曲線は、550nmより小さい波長についてこの全方向反射体がもたらす、非常に低い反射率、例えば10%より小さい反射率を示している。しかしながら、この反射体は、曲線によって示されるように、560〜570nmの間の波長において反射率の鋭い増加をもたらし、かつ700nmにおいて約90%の最大値に到達する。この曲線の右手側(IR側)にある、グラフの部分又は領域は、この反射体によりもたらされる反射帯域のIR部分を表していることを理解されたい。 FIG. 21 shows a plot of reflectance percent vs. reflected EMR wavelengths for another omnidirectional reflector design when exposed to white light from 0 ° and 45 ° angles to the surface of this reflector. There is. Similar to FIG. 19, and as shown in the plot, the 0 ° and 45 ° curves provide very low reflectance, eg, less than 10%, that this omnidirectional reflector provides for wavelengths smaller than 550 nm. Shown. However, this reflector provides a sharp increase in reflectance at wavelengths between 560 and 570 nm and reaches a maximum of about 90% at 700 nm, as shown by the curve. It should be understood that the part or region of the graph on the right hand side (IR side) of this curve represents the IR part of the reflection band provided by this reflector.

この全方向反射体によってもたらされる反射率のこの鋭い増加は、550nmより小さい波長にある低反射率部分から高反射率部分、例えば>70%の部分まで延長する各曲線のUV側端によって特徴づけられる。UV端側の直線部分200は、x軸に関して60°より大きい角度(β)に傾いており、反射率軸上の約40の長さL及び1.4の傾きを有している。ある例において、直線部分はx軸に関して70°より大きい角度に傾いており、他方、他の例ではβは75°よりも大きい。さらに、反射帯域は200nmより小さい可視FWMHを有しており、ある例において、150nmより小さい可視FWMHを、他の例において100nmより小さい可視FWMHを有する。さらに、図18において表すこの可視反射帯域の中心波長λは、反射帯域のUV側端と可視FWHMのIRスペクトルのIR端から等距離にある波長として定義される。 This sharp increase in reflectance provided by this omnidirectional reflector is characterized by the UV side edge of each curve extending from a low reflectance portion at a wavelength less than 550 nm to a high reflectance portion, eg, a> 70% portion. Be done. The straight portion 200 on the UV end side is tilted at an angle (β) greater than 60 ° with respect to the x-axis and has a length L of about 40 and a tilt of 1.4 on the reflectance axis. In one example, the linear portion is tilted at an angle greater than 70 ° with respect to the x-axis, while in other examples β is greater than 75 °. Further, the reflection band has a visible FWMH smaller than 200 nm, in some cases a visible FWMH smaller than 150 nm and in another example a visible FWMH smaller than 100 nm. Further, the central wavelength λ c of the visible reflection band shown in FIG. 18 is defined as a wavelength equidistant from the UV side end of the reflection band and the IR end of the IR spectrum of the visible FWHM.

用語「可視FWHM」は、この曲線のUV端側と、これを超えると全方向反射体によって供給される反射は人の目には見えないIRスペクトル領域の端部との間の反射帯域の幅を言及していると理解されたい。このように、本明細書で開示される本発明の設計品及び多層積層体は、鮮明な構造色をもたらすために、電磁放射の不可視IR部分を使用する。言い換えると、反射体が、IR領域に延在するさらに広い電磁放射の帯域を反射するという事実にかかわらず、本明細書が開示する全方向反射体は、反射される可視光の狭帯域を提供するために、電磁放射スペクトルの不可視IR部分を利用している。 The term "visible FWHM" refers to the width of the reflection band between the UV end of this curve and beyond this the reflections supplied by the omnidirectional reflector are invisible to the human eye. Please understand that it refers to. As such, the designs and multilayers of the invention disclosed herein use invisible IR moieties of electromagnetic radiation to provide a vivid structural color. In other words, despite the fact that the reflector reflects a wider band of electromagnetic radiation extending into the IR region, the omnidirectional reflectors disclosed herein provide a narrow band of reflected visible light. In order to do so, the invisible IR part of the electromagnetic radiation spectrum is used.

図22について言及すると、この反射体の表面に対して0°及び45°の角度から白色光に曝してときの、もう一つの7層設計の全方向反射体についての反射率パーセント対波長を示している。加えて、本明細書により開示する全方向反射体によってもたらされる全方向特性の定義又は評価を示している。特に、また本発明の反射体によりもたらされる反射帯域が最大、即ち図に示されるようなピークを持つとき、各曲線は最大反射率を呈し又は経験する波長として定義される中心波長(λ)を有する。最大反射波長の用語はλとしても使用される。 Reference to FIG. 22 shows the reflectance percent vs. wavelength for another 7-layer omnidirectional reflector when exposed to white light from 0 ° and 45 ° angles to the surface of the reflector. ing. In addition, it provides a definition or evaluation of the omnidirectional properties provided by the omnidirectional reflectors disclosed herein. In particular, the central wavelength (λ c ) defined as the wavelength at which each curve exhibits or experiences maximum reflectance, especially when the reflection band provided by the reflectors of the present invention is maximal, i.e. having peaks as shown in the figure. Has. The term maximum reflected wavelength is also used as λ c .

図22において示されるように、この表面を角度0°((λ(0))、即ち表面に垂直に観察したときと比較して、全方向反射体の外表面を角度45°(λ(45)) As shown in FIG. 22, the outer surface of the omnidirectional reflector is at an angle of 45 ° (λ) compared to when this surface is observed at an angle of 0 ° ((λ c (0 o )), that is, perpendicular to the surface. c (45 o ))

例えばこの外表が、この表面を見る人の目からは相対的に45°に傾いて見える角度から観察したときにλのシフト又は置換がある。このλ(Δλc)のシフトは、この全方向反射体の全方向特性の尺度をもたらす。当然に、ゼロシフト、即ちシフトが全くないとき、完全な全方向反射体となる。しかしながら、本明細書で開示する全方向反射体は、反射体の表面の色が変わっていないかのように人の目に映り、これにより、実用的見地から反射体が全方向性である、50nm未満のΔλを提供することができる。いくつかの例において、本明細書で開示する全方向反射体は40nm未満のΔλを提供することができ、他の例では30nm未満のΔλを、さらに他の例においては20nm未満のΔλを、さらにより他の例においては15nm未満のΔλを提供することができる。このようなΔλのシフトは、反射体の実際の反射率対波長のプロット、及び/又は代替的に、材料及び層の厚さが既知であれば、反射体のモデリングをすることにより測定することができる。 For example, there is a shift or substitution of λ c when this outer surface is viewed from an angle that appears to be tilted relatively 45 ° to the eyes of the viewer. This shift of λ c (Δλ c ) provides a measure of the omnidirectional properties of this omnidirectional reflector. Naturally, there is a zero shift, i.e. no shift at all, resulting in a perfect omnidirectional reflector. However, the omnidirectional reflectors disclosed herein appear to the human eye as if the surface color of the reflector has not changed, thereby making the reflector omnidirectional from a practical point of view. It is possible to provide Δλ c of less than 50 nm. In some examples, the omnidirectional reflectors disclosed herein can provide Δλ c less than 40 nm, in other examples less than 30 nm Δλ c , and in others less than 20 nm Δλ. c can be provided, and in yet even more examples, Δλ c less than 15 nm. This shift in [Delta] [lambda] c, the actual reflectance vs. plot of the wavelength of the reflector, and / or alternatively, if the known thickness of the material and the layer is measured by modeling the reflector be able to.

反射体の全方向特性のもう一つの定義又は特性評価は、所与の一連の角度反射帯域の側辺のシフトによって測定することができる。例えば、また図19の参照により、45°(SIR(45))から観察した同じ反射体からの反射に対するIR−側端と比較した、0°(SIR(0))から観察した全方向反射体からの反射に対するIR−側端のシフト又は置換(ΔSIR)は、全方向反射体の全方向特性の度合いを提供する。加えて、Δλ、例えば、図19に示されるうちの一つに似た反射帯域を供給する反射体のΔλ、即ち、可視領域にない最大反射波長に対応するピークのある反射バンド(図19及び21参照)を使用するために、ΔSIRを全方向反射性の尺度として使用することが好ましい。IR側端の(ΔSIR)シフトは、可視FWHMにおいて測定され、及び/又はされることができると理解されたい。 Another definition or characterization of the omnidirectional property of the reflector can be measured by a side shift of a given set of angular reflection bands. For example, also with reference to FIG. 19, observations were made from 0 ° ( SIR (0 o )) compared to the IR-side edge for reflections from the same reflector observed from 45 ° ( SIR (45 o )). The IR-side edge shift or substitution (ΔS IR ) with respect to the reflection from the omnidirectional reflector provides the degree of omnidirectional properties of the omnidirectional reflector. In addition, [Delta] [lambda] c, for example, [Delta] [lambda] c, i.e., the reflection band (diagram a peak corresponding to the maximum reflection wavelength not in the visible region of the one to the reflector supplies a reflection band similar among shown in FIG. 19 It is preferred to use ΔS IR as a measure of omnidirectional reflectivity in order to use (see 19 and 21). It should be understood that the (ΔS IR ) shift at the IR side edge can be measured and / or made in the visible FWHM.

図21の参照により、45°(SUV(45))から観察された同じ反射体からの反射に対するIR−側端と比較した、0°(SUV(0))から観察された全方向反射体からの反射に対するIR−側端のシフト又は置換(ΔSIR)は、全方向反射体の全方向特性の度合いを提供する。UV側端の(ΔSUV)シフトは、可視FWHMにおいて測定され、及び/又はされることができると理解されたい。 With reference to FIG. 21, all observed from 0 ° (S UV (0 o )) compared to the IR-side edge for reflections from the same reflector observed from 45 ° (S UV (45 o )). The IR-side edge shift or substitution (ΔS IR ) with respect to the reflection from the directional reflector provides the degree of omnidirectional properties of the omnidirectional reflector. It should be understood that the (ΔS UV ) shift at the UV side can be measured and / or done in the visible FWHM.

当然に、ゼロシフト、即ちまったくシフトがない(ΔS=0nm;i=IR,UV)ことは、完全な全方向反射体を特徴づけている。しかしながら、本明細書が開示する全方向反射体は、人の目にはあたかも反射体の表面の色が変わらないかのように見え、そのため、実用的見地からこの反射体は全方向性である、50nm未満のΔSを提供することができる。いくつかの例において、本明細書が開示する全方向反射体は40nm未満のΔSを提供することができ、他の例において30nm未満のΔSを提供することができ,さらに他の例において、20nm未満のΔSを提供することができ,さらにいっそう他の例において、15nm未満のΔSLを提供することができる。この様なΔSのシフトは、反射体の実際の反射率対波長のプロット、及び/又は代替的に、材料及び層の厚さが既知であれば、反射体のモデリングによって測定することができる。 Naturally, zero shift, i.e. no shift at all (ΔS i = 0 nm; i = IR, UV) characterizes a perfect omnidirectional reflector. However, the omnidirectional reflector disclosed herein appears to the human eye as if the surface color of the reflector does not change, so from a practical point of view the reflector is omnidirectional. , it is possible to provide a [Delta] S L of less than 50nm. In some examples, the omnidirectional reflectors disclosed herein can provide ΔS i less than 40 nm, in other examples can provide ΔS i less than 30 nm, and in yet other examples. , A ΔS i of less than 20 nm can be provided, and in yet another example, a ΔSL of less than 15 nm can be provided. Such a shift of ΔS i can be measured by plotting the actual reflectance vs. wavelength of the reflector and / or, alternatively, by modeling the reflector if the material and layer thickness are known. ..

全方向反射体のこのシフトは、低い色ずれによってさらに測定することができる。例えば、本発明の実施形態に基づく多層積層体から作製された顔料の色ずれは、図23に示されるように30°以下であり(Δθ参照)、いくつかの例においてこの色ずれは25°以下であり、好ましくは20°より小さく、さらに好ましくは15°より小さく、さらにより好ましくは10°より小さい。対照的に、従前の顔料は45°又はそれより大きい色ずれ(Δθ参照)を呈する。 This shift of the omnidirectional reflector can be further measured by the low color shift. For example, the color shift of the pigment produced from the multilayer laminate based on the embodiment of the present invention is 30 ° or less as shown in FIG. 23 (see Δθ 1 ), and in some examples, this color shift is 25. Less than or equal to °, preferably less than 20 °, even more preferably less than 15 °, even more preferably less than 10 °. In contrast, conventional pigments exhibit a color shift of 45 ° or greater (see Δθ 2 ).

まとめると、第1の層110がこれにわたって延在する第2の層120を有する、本発明の実施態様に基づく全方向多層薄膜の略図が、図24に示されている。随意の反射体層100が含まれていてもよい。さらに、対称的な一対の層が反射体層100を挟んでいることができ、即ち、反射体層100は図において示される層110の反対側に配置される、第1の層110を有していることができ、これにより反射体層100は一対の第1の層110の間に挟まれる。加えて、第2の層120は反射体層100の反対側に配置されていることができ、これによって5層構造がもたらされる。それゆえに、本明細書においてもたらされる多層薄膜の議論は、一つ以上の中心層に関する鏡構造の可能性も含んでいると理解されたい。したがって、図24は5層多層積層体の半分を表している。 In summary, FIG. 24 shows a schematic of an omnidirectional multilayer thin film based on an embodiment of the present invention, in which the first layer 110 has a second layer 120 extending over it. A voluntary reflector layer 100 may be included. Further, a pair of symmetrical layers can sandwich the reflector layer 100, i.e., the reflector layer 100 has a first layer 110 disposed opposite to the layer 110 shown in the figure. This allows the reflector layer 100 to be sandwiched between a pair of first layers 110. In addition, the second layer 120 can be located on the opposite side of the reflector layer 100, which results in a five-layer structure. Therefore, it should be understood that the discussion of multilayer thin films presented herein also includes the possibility of mirror structures for one or more central layers. Therefore, FIG. 24 represents half of the five-layer multilayer laminate.

この第1の層110及び第2の層120は誘電体層であってよく、即ち誘電体材料から作られていてよい。代替的に、この層の一つは吸収体層、例えば選択的吸収体層又は非選択的吸収体層であってよい。例えば、第1の層110は誘電体層であってよく、第2の層120は吸収体層であってよい。 The first layer 110 and the second layer 120 may be a dielectric layer, that is, may be made of a dielectric material. Alternatively, one of the layers may be an absorber layer, such as a selective absorber layer or a non-selective absorber layer. For example, the first layer 110 may be a dielectric layer and the second layer 120 may be an absorber layer.

図25は、参照番号20により、7層設計の半分を表している。この多層積層体20は、第2の層120にわたって延在する追加の層130を有している。例えば、この追加の層130は吸収体層110にわたって延在する誘電体層であってよい。この層130は層110の材料と同じ又は異なるものであってよいと理解されたい。加えて、層100、110及び/又は120を積層する方法、例えばゾル・ゲル法と同様又は異なる方法によって、層130を多層積層体20上に加えることができる。 FIG. 25 represents half of the 7-layer design by reference number 20. The multi-layer laminate 20 has an additional layer 130 extending over the second layer 120. For example, this additional layer 130 may be a dielectric layer extending over the absorber layer 110. It should be understood that this layer 130 may be the same as or different from the material of layer 110. In addition, layer 130 can be added onto the multilayer laminate 20 by a method of laminating layers 100, 110 and / or 120, eg, by a method similar to or different from the sol-gel method.

図26は、参照番号24により9層設計を表しており、これは追加の層105が、随意の反射体層100と第1の層110との間に配置されている。例えば、この追加の層105は、反射体層100及び誘電体層110との間に延在する吸収体層105であってよい。完全に網羅されているわけではないが、多様な層を作ることができる材料の一覧を下記の表2に示す。 FIG. 26 represents a nine-layer design by reference number 24, in which an additional layer 105 is placed between the optional reflector layer 100 and the first layer 110. For example, the additional layer 105 may be an absorber layer 105 extending between the reflector layer 100 and the dielectric layer 110. Table 2 below provides a list of materials that can form a variety of layers, although not completely exhaustive.

本明細書において開示される多層積層体を作製する方法は、当業者において知られているいかなる方法又は工程であってよく、又は当業者に未だ知られていない方法であってよい。通常の知られている方法は、湿系方法、例えばゾル‐ゲル法、レイヤー‐バイ‐レイヤー法、スピンコーティング法及び同種のものを含む。他の知られている乾式方法は、化学気相成長法、及び物理気相成長法、例えばスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、及び同種のものを含む。 The method for producing the multilayer laminate disclosed in the present specification may be any method or process known to those skilled in the art, or a method not yet known to those skilled in the art. Commonly known methods include wet methods such as sol-gel method, layer-by-layer method, spin coating method and the like. Other known dry methods include chemical vapor deposition and physical vapor deposition, such as sputtering, electron beam deposition, and the like.

本明細書により開示するこの多層積層体は、いかなる塗装材、例えば塗料用の顔料、表面にほどこされる薄膜、及び同種のものにも使用することができる。 The multilayer laminate disclosed herein can be used with any coating material, such as pigments for paints, thin films applied to the surface, and the like.

上述のとおり、保護/環境耐性コーティングを有する全方向構造色顔料をもたらす。例えば、図28及び28を参照すると、コーティングできる例示的な顔料を示している。特に、図27は、中心層100、第1の非酸化物層112、選択的吸収体層114、及び選択的吸収体層にわたって延在する追加の非酸化物層116のある3層顔料12の略図である。図28は、顔料12aの略図であり、これは図28Aのように、追加の層112a、114a、及び追加の非酸化物層116aがあることを除いて、顔料12と同様である。層112‐112a、114−114、及び/又は116−116aは、同種の材料から作られていてもいなくてもよく、同じ厚さを持っていてもいなくてもよいことを理解されたい。 As mentioned above, it provides an omnidirectional structural color pigment with a protective / environmental resistant coating. For example, reference to FIGS. 28 and 28 shows exemplary pigments that can be coated. In particular, FIG. 27 shows a three-layer pigment 12 with a central layer 100, a first non-oxide layer 112, a selective absorber layer 114, and an additional non-oxide layer 116 extending over the selective absorber layer. It is a schematic diagram. FIG. 28 is a schematic representation of the pigment 12a, which is similar to the pigment 12 except that there are additional layers 112a, 114a and an additional non-oxide layer 116a, as in FIG. 28A. It should be understood that layers 112-112a, 114-114, and / or 116-116a may or may not be made of the same material and may or may not have the same thickness.

図29は、顔料22の概略図を示しており、これは保護コーティング200を有する顔料12aを示している。加えて、図30は保護コーティング200が単層又は代替的に2以上の層、例えば第1の層202及び第2の層204で得有ってよいことを表している。第1の層202及び/又は第2の層204は、単一の酸化物による層、又は代替的に、2以上の酸化物から作られ、又は含んでいる混合酸化物の層であることができることを理解されたい。例えば、保護コーティング200は、単一の酸化物の層、例えば酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、又は酸化セリウムの単一の層であることができる。代替的に、保護コーティング200は、第1の層202及び第2の層204を含むことができ、かつこの第1の層202及び第2の層204はそれぞれ酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン又は酸化セリウムの単一の層であることができる。もう一つの代替として、この第1の層202は単一の酸化物の層であってよく、かつこの第2の礎204は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン又は酸化セリウムのうち少なくとも2つの組み合わせである混合酸化物の層であってよい。さらにもう一つの代替として、この第2の層204は単一の酸化物層であってよく、かつこの第1の層204は酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン又は酸化セリウムのうち少なくとも2つの組み合わせである混合酸化物の層であってよい。 FIG. 29 shows a schematic of the pigment 22, which shows the pigment 12a with the protective coating 200. In addition, FIG. 30 shows that the protective coating 200 may be obtained in a single layer or optionally in two or more layers, such as the first layer 202 and the second layer 204. The first layer 202 and / or the second layer 204 may be a layer of a single oxide or, optionally, a layer of mixed oxides made up of or containing two or more oxides. Please understand what you can do. For example, the protective coating 200 can be a single layer of oxide, such as a single layer of silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, or cerium oxide. Alternatively, the protective coating 200 can include a first layer 202 and a second layer 204, wherein the first layer 202 and the second layer 204 are silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, respectively. It can be a single layer of titanium oxide or cerium oxide. As another alternative, the first layer 202 may be a single layer of oxide, and the second foundation 204 is of silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide or cerium oxide. It may be a layer of mixed oxides that is a combination of at least two. As yet another alternative, the second layer 204 may be a single oxide layer, and the first layer 204 may be at least one of silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide or cerium oxide. It may be a layer of mixed oxides that is a combination of the two.

本発明をより説明するため、しかしいかなる方法によってもその範囲を限定するものではないものとして、耐候性のある全方向構造色顔料、及びこのような顔料を製造するための作製工程を下記において論じる。 To better illustrate the invention, but without limiting its scope by any method, weather resistant omnidirectional structural color pigments and fabrication steps for producing such pigments are discussed below. ..

<手順1>リン酸を用いてエッチングを行い、かつSiO層によってコーティングした7層顔料 <Procedure 1> A 7-layer pigment that has been etched with phosphoric acid and coated with 2 layers of SiO.

110mlのアセトンに分散した、10gの7層設計顔料を含む懸濁液に、0.13mlのリン酸(85%)を加え、室温で30分間かき混ぜた。この懸濁液をその後ろ過し、2回アセトンで洗浄した。固体粒子をろ過することにより、リン酸処理した7層顔料を得た。この7層顔料は、図28Bに表現されるような構造を有しており、Alの中心層、このAl層に結合している一対のZnS層、この一対のZnS層に結合している一対のCr選択的吸収体層、及びこのCr吸収体層に結合しているもう一つのZnS層を有する。 To a suspension containing 10 g of the 7-layer design pigment dispersed in 110 ml of acetone, 0.13 ml of phosphoric acid (85%) was added and stirred at room temperature for 30 minutes. The suspension was then filtered and washed twice with acetone. The solid particles were filtered to obtain a phosphoric acid-treated 7-layer pigment. This 7-layer pigment has a structure as shown in FIG. 28B, and is a central layer of Al, a pair of ZnS layers bonded to the Al layer, and a pair bonded to the pair of ZnS layers. Cr selective absorber layer and another ZnS layer bonded to this Cr absorber layer.

このリン酸処理した7層顔料を、その後環流冷却器を備える丸底フラスコ中の160mlのエタノールに懸濁した。この懸濁液に35gの水及び3.5gの28%アンモニア水溶液を加えて、65℃に加熱した。次に、10gのテトラエトキシシランを13mlのエタノールで希釈した溶剤を、この加熱した懸濁液に少量ずつかき混ぜながら加えた。この反応混合物を65℃で14時間かき混ぜ、その後、液体から固体粒子をろ過し、エタノールで洗浄し、そしてイソプロパノール(IPA)で洗浄した。固体粒子を100℃で24時間乾燥して、SiOコートされた7層顔料を得た。 The phosphoric acid-treated 7-layer pigment was then suspended in 160 ml of ethanol in a round bottom flask equipped with a reflux condenser. To this suspension was added 35 g of water and 3.5 g of a 28% aqueous ammonia solution and heated to 65 ° C. Next, a solvent obtained by diluting 10 g of tetraethoxysilane with 13 ml of ethanol was added to the heated suspension with stirring little by little. The reaction mixture was stirred at 65 ° C. for 14 hours, after which the solid particles were filtered from the liquid, washed with ethanol and washed with isopropanol (IPA). The solid particles were dried at 100 ° C. for 24 hours to obtain a SiO 2- coated 7-layer pigment.

<手順1A>SiO層でコートされた7層顔料
10gの量の7層顔料を、手順1のようなリン酸による処理を行わずに、環流冷却器を備える丸底フラスコ中の160mlのエタノールに懸濁した。この懸濁液に35gの水及び3.5gの28%アンモニア水溶液を加えた後、65℃で加熱した。次に、10gのテトラエトキシシランを13mlのエタノールで希釈した溶剤を、この加熱した懸濁液に少量ずつかき混ぜながら加えた。この反応混合物を65℃で14時間かき混ぜ、その後、液体から固体粒子をろ過し、エタノールで洗浄し、そしてイソプロパノール(IPA)で洗浄した。固体粒子を100℃で24時間乾燥して、SiOコートされた7層顔料を得た。
<Procedure 1A> 7-layer pigment coated with 2 layers of SiO 160 ml of ethanol in a round-bottom flask equipped with a recirculation cooler without treating the 7-layer pigment in an amount of 10 g with phosphoric acid as in procedure 1. Suspended in. After adding 35 g of water and 3.5 g of a 28% aqueous ammonia solution to this suspension, the suspension was heated at 65 ° C. Next, a solvent obtained by diluting 10 g of tetraethoxysilane with 13 ml of ethanol was added to the heated suspension with stirring little by little. The reaction mixture was stirred at 65 ° C. for 14 hours, after which the solid particles were filtered from the liquid, washed with ethanol and washed with isopropanol (IPA). The solid particles were dried at 100 ° C. for 24 hours to obtain a SiO 2- coated 7-layer pigment.

<手順2>水溶液を使用した、SiOのコートがされた7層顔料
15gの7層顔料を250ml3つ口フラスコ内に入れた。そして、100mlのDI水を加え、この溶液を80℃に加熱したエチレングリコールバス内で撹拌した。この溶液に数滴の1MのNaOH溶液を加えてpHを7.5に調整した。次に、20mlのNaSiO(13wt%SiO)を、シリンジポンプを使用して定流量0.1ml/minでの溶液に加えた。NaSiOを加える際に、自動pH調節装置を使用して、1MのHCl水溶液をさらに加えてpHを7.5に維持した。この混合物を室温まで冷却し、ろ過し、IPAで洗浄し、そして100℃で24時間乾燥させた。このコートされた材料は、さらに200℃で24時間アニールしてもよい。
<Procedure 2> A 7-layer pigment coated with SiO 2 using an aqueous solution 15 g of a 7-layer pigment was placed in a 250 ml three-necked flask. Then, 100 ml of DI water was added, and this solution was stirred in an ethylene glycol bath heated to 80 ° C. A few drops of 1M NaOH solution was added to this solution to adjust the pH to 7.5. Next, 20 ml of Na 2 SiO 3 (13 wt% SiO 2 ) was added to the solution at a constant flow rate of 0.1 ml / min using a syringe pump. When adding Na 2 SiO 3 , an automatic pH regulator was used to add a further 1M aqueous HCl solution to maintain the pH at 7.5. The mixture was cooled to room temperature, filtered, washed with IPA and dried at 100 ° C. for 24 hours. The coated material may be further annealed at 200 ° C. for 24 hours.

<手順3>SiO層及び混合SiO−Al層でコートした7層顔料
手順1又は1−AのSiOでコートされた顔料2gを水20mlに懸濁し、pHを約10にした(希釈NaOH溶液により調節)。この懸濁液を100ml丸底フラスコ内で撹拌しつつ60℃で加熱した。そして、18wt%NaSi0溶液0.5ml及び0.5MAl(SO溶液1mlを、この顔料懸濁液に定流量で1時間以内に、同時に滴定した。このスラリーのpHは調整しなかった。滴定後、この懸濁液を撹拌しつつ30分間放置した。この混合物をろ過して、残留した固体粒子をDI水で洗浄し、その後IPAで洗浄した。残留した固体粒子を100℃で24時間乾燥することにより、SiO層及びAl層を有する7層顔料を得た。
<Procedure 3> 7-layer pigment coated with Si 2 O layer and mixed Si 2 O-Al 2 O 3 layer 2 g of Pigment coated with SiO 2 of Procedure 1 or 1-A is suspended in 20 ml of water to adjust the pH. It was set to 10 (adjusted with diluted NaOH solution). The suspension was heated at 60 ° C. with stirring in a 100 ml round bottom flask. Then, 18wt% Na 2 Si0 3 solution 0.5ml and 0.5MAl 2 (SO 4) 3 solution 1 ml, within 1 hour at a constant flow rate to the pigment suspension was titrated simultaneously. The pH of this slurry was not adjusted. After the titration, the suspension was left for 30 minutes with stirring. The mixture was filtered and the residual solid particles were washed with DI water and then with IPA. The remaining solid particles were dried at 100 ° C. for 24 hours to obtain a 7-layer pigment having a SiO 2 layer and an Al 2 O 3 layer.

<手順4>SiO2層及びZrO+Al混合層のコートを有する7層顔料
手順1又は1−AのSiOでコートされた顔料3gを100mlの丸底フラスコ内のエタノール20mlに懸濁し、室温で撹拌した。さらに、アルミニウム−トリ−sec−ブトキシド0.66g及びジルコニウムブトキシド2.47mlをIPA15mlに溶解した。アルミニウム−トリ−sec−ブトキシド+ジルコニウムブトキシド混合物を、この顔料懸濁液に一定流量で2時間以内に滴定した。同時に、エタノール2mlに希釈したDI水0.66mlを適量投与した。滴定後、この懸濁液をさらに30分撹拌した。この混合物をろ過して、残留した固体粒子をDI水で洗浄し、その後IPAで洗浄した。残留した固体粒子を100℃で24時間乾燥することにより、又は代替的にさらに200℃で24時間アニールすることにより、SiO層及びZrO+Al混合層を有する7層顔料を得た。
<Procedure 4> 7-layer pigment having a coat of SiO 2 layer and ZrO 2 + Al 2 O 3 mixed layer 3 g of the pigment coated with SiO 2 of procedure 1 or 1-A is suspended in 20 ml of ethanol in a 100 ml round bottom flask. , Stirred at room temperature. Further, 0.66 g of aluminum-tri-sec-butoxide and 2.47 ml of zirconium butoxide were dissolved in 15 ml of IPA. A mixture of aluminum-tri-sec-butoxide + zirconium butoxide was titrated into this pigment suspension at a constant flow rate within 2 hours. At the same time, an appropriate amount of 0.66 ml of DI water diluted in 2 ml of ethanol was administered. After titration, the suspension was stirred for an additional 30 minutes. The mixture was filtered and the residual solid particles were washed with DI water and then with IPA. The remaining solid particles were dried at 100 ° C. for 24 hours or, optionally, further annealed at 200 ° C. for 24 hours to obtain a 7-layer pigment having a SiO 2 layer and a ZrO 2 + Al 2 O 3 mixed layer. ..

<手順5>SiO層及びZrO+Al混合層のコートを有する7層顔料
手順1又は1−AのSiOでコートされた顔料3gを100mlの丸底フラスコ内のエタノール20mlに懸濁し、50℃に加熱しつつ撹拌した。その後、5wt%NaAlO溶液0.5ml及びZrOCl10wt%溶液0.5mlをこの顔料懸濁液に定流量で30分以内に、同時に滴定した。スラリーのpHは希釈したHCl又はNaOHを加えることで8に調整した。滴定後、この懸濁液を撹拌しつつ30分間放置した。この混合物をろ過し、DI水で洗浄し、その後IPAで洗浄した。残留した固体粒子を100℃で24時間乾燥し、又は代替的にさらに200℃で24時間アニールした。
<Procedure 5> 7-layer pigment having a coat of 2 layers of SiO and a mixed layer of ZrO 2 + Al 2 O 3 3 g of the pigment coated with SiO 2 of procedure 1 or 1-A is applied to 20 ml of ethanol in a 100 ml round bottom flask. It became turbid and was stirred while heating at 50 ° C. Then, 0.5 ml of a 5 wt% NaAlO 2 solution and 0.5 ml of a ZrOCl 2 10 wt% solution were simultaneously titrated into this pigment suspension at a constant flow rate within 30 minutes. The pH of the slurry was adjusted to 8 by adding diluted HCl or NaOH. After titration, the suspension was allowed to stand for 30 minutes with stirring. The mixture was filtered, washed with DI water and then washed with IPA. The remaining solid particles were dried at 100 ° C. for 24 hours or, optionally, further annealed at 200 ° C. for 24 hours.

<手順6>SiO層、CeO層及びZrO+Al混合層のコートを有する7層顔料
手順1又は1−Aの酸化ケイ素(SiO2)でコートされた顔料(3.5g)を100mlの丸底フラスコ内のエタノール26.83mlに懸濁し、70℃に加熱しつつ20分間撹拌した。その後、HO1.18ml中のCe(NO・6HO0.33gをこの顔料懸濁液に2mL/hrの定流量で滴定し、この混合物を滴定後からさらに1.5時間撹拌した。この反応において、希釈NaOHを使用してこの溶液のpHを7.0に維持した。この混合物の残留した固体粒子をろ過し、水で3回洗浄し、その後IPAで3回洗浄した。残留した固体粒子を100℃で24時間乾燥して、SiO層及びCeO層を有する7層顔料を得た。
<Step 6> SiO 2 layer, a silicon oxide seven layer pigment Step 1 or 1-A with a coating of CeO 2 layer, and ZrO 2 + Al 2 O 3 mixed layer pigment coated with (SiO 2) (3.5g) Was suspended in 26.83 ml of ethanol in a 100 ml round bottom flask, and stirred for 20 minutes while heating at 70 ° C. Then, H 2 was titrated with a constant flow rate of 2 mL / hr and Ce (NO 3) 3 · 6H 2 O0.33g in O1.18ml to the pigment suspension and further 1.5 h stirring the mixture after titration did. In this reaction, diluted NaOH was used to maintain the pH of this solution at 7.0. The residual solid particles of this mixture were filtered, washed 3 times with water and then 3 times with IPA. The remaining solid particles were dried at 100 ° C. for 24 hours to obtain a 7-layer pigment having 2 layers of SiO and 2 layers of CeO.

次に、このコートされた顔料3gを100ml丸底フラスコ内のエタノール20mlに希釈して、室温で撹拌した。アルミニウム−トリ−sec−ブトキシド0.66g及びジルコニウムブトキシド2.47mlをIPA15mlに溶解した混合物を、一定流量で2時間以内にこの顔料懸濁液に加えた。同時に、エタノール2mlに希釈したDI水0.66mlを適量投与した。滴定後、この懸濁液をさらに30分撹拌した。この混合物をろ過して、残留した固体粒子をDI水で洗浄し、その後IPAで洗浄した。残留した固体粒子を100℃で24時間乾燥することにより、又は代替的にさらに200℃で24時間アニールすることにより、SiO層、CeO層及びZrO+Al混合層を有する7層顔料を得た。 Next, 3 g of this coated pigment was diluted with 20 ml of ethanol in a 100 ml round bottom flask and stirred at room temperature. A mixture of 0.66 g of aluminum-tri-sec-butoxide and 2.47 ml of zirconium butoxide in 15 ml of IPA was added to the pigment suspension at a constant flow rate within 2 hours. At the same time, an appropriate amount of 0.66 ml of DI water diluted in 2 ml of ethanol was administered. After titration, the suspension was stirred for an additional 30 minutes. The mixture was filtered and the residual solid particles were washed with DI water and then with IPA. 7 layers with SiO 2 layer, CeO 2 layer and ZrO 2 + Al 2 O 3 mixed layer by drying the remaining solid particles at 100 ° C. for 24 hours, or by alternative annealing at 200 ° C. for 24 hours. Obtained a pigment.

<手順7>CeO層及びZrO+Al混合層によりコートされた7層顔料 <Procedure 7> 7-layer pigment coated with CeO 2 layer and ZrO 2 + Al 2 O 3 mixed layer

7層設計顔料3gを100ml丸底フラスコ中のIPA20mlに懸濁して、75℃で撹拌した。Ce(NO・6HO0.44gをIPA20mlに溶解した溶液を、1時間、定流量で滴定した。同時に、DI水0.9mlに希釈したエチレンジアミン(EDA)0.15mlを秤量した。さらなるDI水0.9mlに希釈したEDA0.15mlを秤量した。滴定後、この懸濁液をさらに15分間撹拌した。この混合液をろ過し、残留した固体粒子をIPAで洗浄した。残留した固体粒子を100℃で5時間乾燥することにより、CeO層を有する7層顔料を得た。 3 g of the 7-layer design pigment was suspended in 20 ml of IPA in a 100 ml round bottom flask and stirred at 75 ° C. Ce solution dissolved in IPA20ml a (NO 3) 3 · 6H 2 O0.44g, 1 hour, was titrated with constant flow. At the same time, 0.15 ml of ethylenediamine (EDA) diluted in 0.9 ml of DI water was weighed. 0.15 ml of EDA diluted in 0.9 ml of additional DI water was weighed. After titration, the suspension was stirred for an additional 15 minutes. The mixture was filtered and the remaining solid particles were washed with IPA. The remaining solid particles were dried at 100 ° C. for 5 hours to obtain a 7-layer pigment having two CeO layers.

その後、CeOによりコートされた顔料を100ml丸底フラスコ内のエタノール20mlに希釈して、室温で撹拌した。次に、アルミニウム−トリ−sec−ブトキシド0.66g及びジルコニウムブトキシド2.47mlをIPA15mlに希釈した混合物を、2時間レートで顔料懸濁液に滴定した。同時に、エタノール2mlに希釈したDI水0.66mlを秤量した。滴定後、この懸濁液をさらに30分間撹拌した。この混合液をろ過し、残留した固体粒子をエタノールで洗浄し、その後IPAで洗浄した。残留した固体粒子を100℃で24時間乾燥し、又は代替的にさらに200℃で24時間アニールして、CeO層及びのZrO+Al混合層を有する7層顔料を得た。 Then, the pigment coated with CeO 2 was diluted with 20 ml of ethanol in a 100 ml round bottom flask, and the mixture was stirred at room temperature. Next, a mixture of 0.66 g of aluminum-tri-sec-butoxide and 2.47 ml of zirconium butoxide diluted to 15 ml of IPA was titrated into the pigment suspension at a rate of 2 hours. At the same time, 0.66 ml of DI water diluted in 2 ml of ethanol was weighed. After titration, the suspension was stirred for an additional 30 minutes. The mixture was filtered and the remaining solid particles were washed with ethanol and then with IPA. The remaining solid particles were dried at 100 ° C. for 24 hours or, optionally, further annealed at 200 ° C. for 24 hours to obtain a 7-layer pigment having a CeO 2 layer and a ZrO 2 + Al 2 O 3 mixed layer.

<手順8>ZrO層を有する7層顔料
7層設計顔料2gを、100ml丸底フラスコ内のエタノール30mlに懸濁して、室温で撹拌した。ジルコニウムブトキシド(1−ブタノール中80%)2.75mlをエタノール10mlに溶解した溶液を1時間レートで滴定した。同時に、エタノール3mlに希釈したDI水1mlを秤量した。滴定後、この懸濁液をさらに15分間撹拌した。残留固体粒子を溶液からろ過し、エタノールで洗浄しそして100℃で5時間乾燥して、又は代替的にさらに200℃で24時間アニールして、ZrO層を有する7層顔料を得た。
<手順9>SiO層及びAl層でコートされた7層顔料
手順1又は1AのSiOコートされた顔料2gを、100ml丸底フラスコ内の約8のpHを有する(希釈NaOH溶液で調整された)水20mlに懸濁し、50℃に加熱して継続的に撹拌した。その後、5wt%NaAlO溶液0.5mlをこの顔料懸濁液に30分レートで滴定した。このスラリーのpHは1MのHCl溶液を用いて8に調整した。滴定後、この懸濁液を撹拌しつつ30分間放置した。この混合物をろ過し、DI水で洗浄し、その後IPAで洗浄した。100℃で24時間乾燥して、コートされた顔料を得た。
<Procedure 8> 7-layer pigment having 2 layers of ZrO 2 g of a 7-layer design pigment was suspended in 30 ml of ethanol in a 100 ml round-bottom flask and stirred at room temperature. A solution of 2.75 ml of zirconium butoxide (80% in 1-butanol) in 10 ml of ethanol was titrated at an hour rate. At the same time, 1 ml of DI water diluted in 3 ml of ethanol was weighed. After titration, the suspension was stirred for an additional 15 minutes. Residual solid particles were filtered from the solution, washed with ethanol and dried at 100 ° C. for 5 hours, or optionally further annealed at 200 ° C. for 24 hours to give a 7-layer pigment with two ZrO layers.
<Procedure 9> 7-layer pigment coated with 2 layers of SiO and 3 layers of Al 2 O 2 g of the SiO 2- coated pigment of procedure 1 or 1A has a pH of about 8 in a 100 ml round-bottom flask (diluted NaOH solution). Suspended in 20 ml of water (prepared in), heated to 50 ° C. and continuously stirred. Then 0.5 ml of a 5 wt% NaAlO 2 solution was titrated into this pigment suspension at a rate of 30 minutes. The pH of this slurry was adjusted to 8 with a 1M HCl solution. After titration, the suspension was allowed to stand for 30 minutes with stirring. The mixture was filtered, washed with DI water and then washed with IPA. Drying at 100 ° C. for 24 hours gave a coated pigment.

<手順10>SiO層及びTiO層でコートされた7層顔料
250ml3口丸底フラスコをエチレングリコールオイルバスに設置して、温度を80℃に設定した。その後、手順1又は1AのSiOコートがされた小片15g及びDI水100mlをフラスコに入れ、400rpmで撹拌した。この溶液を数滴の濃縮HCl溶液を滴下してpH2に調節した。その後、事前に希釈した35%TiCl溶液をシリンジポンプによって0.1ml/minでこの混合物に滴定した。pHを一定に維持するため、ベース溶液であるNaOH溶液(8M)を児童pH調整装置によってフラスコ内に滴定した。析出中、層厚を測定するために、特定の時間間隔で小片試料を摘出した。この混合物を室温まで冷却し、その後ろ過し、IPAで洗浄し、100℃で24時間乾燥し、又は代替的にさらに200℃で24時間アニールした。
<Procedure 10> A 7-layer pigment 250 ml 3-port round-bottom flask coated with 2 layers of SiO and 2 layers of TiO was placed in an ethylene glycol oil bath, and the temperature was set to 80 ° C. Then, 15 g of the SiO 2 coated small pieces of Procedure 1 or 1A and 100 ml of DI water were placed in a flask and stirred at 400 rpm. The pH of this solution was adjusted to 2 by adding a few drops of concentrated HCl solution. A pre-diluted 35% TiCl 4 solution was then titrated into the mixture at 0.1 ml / min with a syringe pump. To keep the pH constant, a base solution, NaOH solution (8M), was titrated into the flask with a child pH regulator. During precipitation, small samples were removed at specific time intervals to measure layer thickness. The mixture was cooled to room temperature, then filtered, washed with IPA, dried at 100 ° C. for 24 hours, or optionally further annealed at 200 ° C. for 24 hours.

コートされた顔料の耐候性特性を、下記の方法によって試験した。7つの円柱状の耐熱ガラスフラスコ(容量120ml)を光反応容器として使用した。各フラスコは蛍光赤色染料(エオシンB)溶液(1x10-5M)40mlを含んでおり、顔料13.3mgを試験した。この顔料‐エオシンB溶液を30分暗条件で電磁的に撹拌し、その後ソーラーシミュレーター(オリオル社Sol2A クラスABA ソーラーシミュレータ)の光に曝した。各顔料について、同種の顔料をアルミニウムフォイルで包んだものを、直接標準対照として用いた。さらに、商用TiO(デグサP25)を同様の実験条件下における光触媒活性を比較するための参照として用いた。各試料の光触媒活性を検出するために、65時間光に曝した後のUV/Vis吸収スペクトルを記録した。 The weather resistance properties of the coated pigments were tested by the following methods. Seven columnar heat-resistant glass flasks (capacity 120 ml) were used as photoreaction vessels. Each flask contained 40 ml of a fluorescent red dye (eosin B) solution (1x10-5M) and tested 13.3 mg of pigment. The pigment-eosin B solution was electromagnetically stirred under dark conditions for 30 minutes and then exposed to light from a solar simulator (Oriol Sol2A class ABA solar simulator). For each pigment, a pigment of the same type wrapped in aluminum foil was used as a direct standard control. In addition, commercial TiO 2 (Degussa P25) was used as a reference for comparing photocatalytic activity under similar experimental conditions. UV / Vis absorption spectra after exposure to light for 65 hours were recorded to detect the photocatalytic activity of each sample.

図31に示すように試験の結果を、相対的光触媒活性対顔料タイプとしてプロットした。加えて、保護コーティングを有しない7層顔料を100%の光触媒活性を表すものとして設定し、コートのある顔料試料との比較として用いた。図31に示されるように、全てのコートされた顔料試料は、コートされていない試料と比較して光触媒活性の減少を表した。加えて、SiOコーティングを有する7層顔料(P/Sで標識される)、SiOコーティング層及びZrO+Al2O混合コーティング層を有する7層顔料(P/S/Z−Aで標識される)、SiOコーティング層、CeOコーティング層及びZrO+Al2O混合コーティング層を有する7層顔料(P/S/C/Z−Aで標識される)、及びCeOコーティング層及びZrO+Al2O混合コーティング層を有する7層顔料(P/C/Z−Aで標識される)は、コートされていない顔料と比較して、少なくとも50%の光触媒活性の減少を表した。対照的に、SiOコーティング層を有する7層顔料、及びSiO+Alコーティング層を有する7層顔料は、わずか33.8%の光触媒活性の減少しかあらわさなかった。 The results of the test were plotted as relative photocatalytic activity vs. pigment type as shown in FIG. In addition, a 7-layer pigment without a protective coating was set to exhibit 100% photocatalytic activity and was used as a comparison with a coated pigment sample. As shown in FIG. 31, all coated pigment samples exhibited reduced photocatalytic activity compared to uncoated samples. In addition, a 7-layer pigment with a SiO 2 coating (labeled with P / S), a 7-layer pigment with a SiO 2 coating layer and a ZrO 2 + Al2O 3 mixed coating layer (labeled with P / S / Z-A). ), A 7-layer pigment (labeled with P / S / C / ZA) having a SiO 2 coating layer, a CeO 2 coating layer and a ZrO 2 + Al2O 3 mixed coating layer, and a CeO 2 coating layer and ZrO 2 + Al2O 3 Seven-layer pigments with mixed coating layers (labeled with P / C / Z-A) exhibited a reduction in photocatalytic activity of at least 50% compared to uncoated pigments. In contrast, 7-layer pigments with a SiO 2 coating layer and 7-layer pigments with a SiO 2 + Al 2 O 3 coating layer showed only a 33.8% reduction in photocatalytic activity.

SiO層及びZrO−Al層(手順4)によるコーティングがされる前後の7層顔料の走査電子顕微鏡画像を、それぞれ図32A及び32Bにおいて示した。画像において示すとおり、顔料の表面はなめらかであり、コートされた後の物理的形状及び構造保存性はコートされる前の顔料と同様である。加えて、外表のZnS層が第1のSiO層及び第2のZrO−Al(手順4)混合層保護コーティングによりコートされている7層全方向構造色顔料のEDXドットマップ画像は、コーティング構造においてZn、S、Si、Zr、及びAlが相対的に高く集中していることを示している。 Scanning electron microscope images of the 7-layer pigment before and after coating with the SiO 2 layer and the ZrO 2- Al 2 O 3 layer (procedure 4) are shown in FIGS. 32A and 32B, respectively. As shown in the image, the surface of the pigment is smooth and the physical shape and structural preservation after coating are similar to those of the pigment before coating. In addition, the EDX dot map image of the 7-layer omnidirectional structural color pigment in which the ZnS layer on the outer surface is coated with the first SiO 2 layer and the second ZrO 2- Al 2 O 3 (procedure 4) mixed layer protective coating. Indicates that Zn, S, Si, Zr, and Al are relatively highly concentrated in the coating structure.

コーティングの要約として、コーティングを作製するために使用した工程、コーティングの厚さ、コーティングの厚さの均一性、及び光触媒活性を下記の表3に示す。 As a summary of the coatings, the steps used to make the coatings, coating thickness, coating thickness uniformity, and photocatalytic activity are shown in Table 3 below.

上述から、表4は本教示における、様々な酸化物層、コートすることのできる基盤、コーティングの厚さの範囲を提供する。 From the above, Table 4 provides a range of various oxide layers, coatable substrates, and coating thicknesses in this teaching.

上記に加えて、保護コーティングを有する全方向構造色顔料は、オルガノシラン表面処理を施してもよい。例えば、ある例示的なオルガノシラン工程処理では、上述の一つ以上の保護層を有する顔料0.5gを、100ml丸底フラスコ内の約5.0(希釈した酢酸溶液により調整した)のpHを有するEtOH/水(4:1)10mlに懸濁した。このスラリーを20秒間超音波処理し、500rpmで15分撹拌した。次に0.1〜0.5vol%のオルガノシランが薬品をスラリーに加え、溶液を500rpmでさらに2時間撹拌した。このスラリーを、DI水を使用して遠心分離し、又はろ過し、そして残留顔料をEtOH/水(4:1)溶液10mlに再分散した。この顔料‐EtOH/水スラリーを還流下で65℃に加熱し、500rpmで30分撹拌した。そしてこのスラリーを、DI水、その後IPAを使用して遠心分離し、又はろ過して、顔料粒子のケーキを得た。最後に、このケーキを100℃で12時間乾燥した。 In addition to the above, the omnidirectional structural color pigment having a protective coating may be subjected to an organosilane surface treatment. For example, in one exemplary organosilane step treatment, 0.5 g of the pigment having one or more protective layers described above was placed in a 100 ml round bottom flask at a pH of approximately 5.0 (adjusted with a diluted acetic acid solution). Suspended in 10 ml of EtOH / water (4: 1). The slurry was sonicated for 20 seconds and stirred at 500 rpm for 15 minutes. The chemical was then added to the slurry with 0.1-0.5 vol% organosilane and the solution was stirred at 500 rpm for an additional 2 hours. The slurry was centrifuged or filtered using DI water and the residual pigment was redispersed in 10 ml of EtOH / water (4: 1) solution. The pigment-EtOH / water slurry was heated to 65 ° C. under reflux and stirred at 500 rpm for 30 minutes. The slurry was then centrifuged or filtered using DI water and then IPA to give a cake of pigment particles. Finally, the cake was dried at 100 ° C. for 12 hours.

オルガノシラン工程は、当業者にとって公知であるいかなるオルガノシランカップリング剤を使用することもでき、例えばN−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン(APTMS)、N−[3−(トリメトキシシリル)プロピル]エチレンジアミン3−メソアルキルオキシプロピルトリメトキシ‐シラン(MAPTMS)、N−[2(ビニルベンジルアミノ)−エチル]−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−グリシド−オキシプロピルトリメトキシシラン及び同種のものを含む。 In the organosilane step, any organosilane coupling agent known to those skilled in the art can be used, for example N- (2-aminoethyl) -3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS), N- [3- (Trimethoxysilyl) propyl] ethylenediamine 3-mesoalkyloxypropyltrimethoxy-silane (MAPTMS), N- [2 (vinylbenzylamino) -ethyl] -3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-glycid-oxypropyltri Includes methoxysilane and the like.

上述の例及び実施形態は、説明のみを目的とし、当業者にとって明らかな変更、修正、及び同種のものは本発明の範囲に含まれる。したがって、本発明の範囲は請求項及びこれと同等な全てものによって定義される。 The above examples and embodiments are for illustration purposes only, and modifications, modifications, and similarities apparent to those skilled in the art are within the scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention is defined by the claims and all equivalents thereof.

本発明はさらに下記の実施形態も含む:
1.第1の材料の第1の層及び第2の材料の第2の層を有する顔料であって、前記第2の層は前記第1の層にわたって延在し、前記顔料を広帯域電磁放射に曝し、かつ0°〜45°の間の角度から観察したときに、前記顔料が300nmより小さい所与の半値幅(FWMH)及びCIELAB色空間において30°より小さい所与の色ずれを有する電磁放射の帯域を反射する顔料、及び前記顔料の外表面を被覆している耐候性コーティングであって、かつ前記顔料の光触媒活性を、耐候性コーティングを有しない前記顔料と比較して、少なくとも50%減少させる耐候性コーティングを有する、全方向構造色顔料。
2.前記耐候性コーティングが酸化物層を有する、前記2に記載の、保護コーティングを有する全方向構造色顔料。
3.前記酸化物層が酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、及び酸化セリウムからなる群より選択される、前記2に記載の、保護コーティングを有する全方向構造色顔料。
4.前記天候訂正コーティングが、第1の酸化物層及び第2の酸化物層を有し、前記第2の酸化物層が、前記第1の酸化物層と異なる、前記3に記載の、保護コーティングを有する全方向構造色顔料。
5.前記第2の酸化物層が、2つの異なる酸化物の組み合わせである混合酸化物層である、前記4に記載の、保護コーティングを有する全方向構造色顔料。
6.前記第1の酸化物層が、酸化ケイ素であり、かつ前記第2の酸化物層が、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化セリウムからなる群の少なくとも2つから選択され、前記5に記載の、保護コーティングを有する全方向構造色顔料。
7.前記顔料が酸化物層を含まない、前記1に記載の、保護コーティングを有する全方向構造色顔料。
The present invention further includes the following embodiments:
1. 1. A pigment having a first layer of a first material and a second layer of a second material, the second layer extending over the first layer and exposing the pigment to broadband electromagnetic radiation. And electromagnetic radiation where the pigment has a given half-width (FWMH) less than 300 nm and a given color shift less than 30 ° in the CIELAB color space when viewed from an angle between 0 ° and 45 °. A band-reflecting pigment and a weather-resistant coating covering the outer surface of the pigment, which reduces the photocatalytic activity of the pigment by at least 50% compared to the pigment without the weather-resistant coating. Omnidirectional structural color pigment with weather resistant coating.
2. The omnidirectional structural color pigment having a protective coating according to the above 2, wherein the weather resistant coating has an oxide layer.
3. 3. The omnidirectional structural color pigment having a protective coating according to the above 2, wherein the oxide layer is selected from the group consisting of silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, and cerium oxide.
4. 3. The protective coating according to 3, wherein the weather correction coating has a first oxide layer and a second oxide layer, and the second oxide layer is different from the first oxide layer. Omnidirectional structural color pigment with.
5. The omnidirectional structural color pigment having a protective coating according to 4 above, wherein the second oxide layer is a mixed oxide layer which is a combination of two different oxides.
6. The first oxide layer is silicon oxide, and the second oxide layer is selected from at least two of the group consisting of silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, and cerium oxide. The omnidirectional structural color pigment having a protective coating according to 5.
7. The omnidirectional structural color pigment having a protective coating according to 1 above, wherein the pigment does not contain an oxide layer.

Claims (16)

第1の材料の第1の層及び第2の材料の第2の層を有する顔料であって、前記第2の層は前記第1の層にわたって延在し、前記顔料を広帯域電磁放射に曝し、かつ0°〜45°の間の角度から観察したときに、前記顔料が300nmより小さい所与の半値幅(FWMH)及び30°より小さい所与の色ずれを有する電磁放射の帯域を反射する顔料、及び
前記顔料の外表面を被覆している耐候性コーティングであって、かつ前記顔料の光触媒活性を、前記耐候性コーティングを有しない前記顔料と比較して、少なくとも50%減少させる耐候性コーティング
を有する、保護コーティングを有する全方向構造色顔料。
A pigment having a first layer of a first material and a second layer of a second material, the second layer extending over the first layer and exposing the pigment to broadband electromagnetic radiation. And when observed from an angle between 0 ° and 45 °, the pigment reflects a band of electromagnetic radiation with a given half-width (FWMH) less than 300 nm and a given color shift less than 30 °. A weather resistant coating that coats the pigment and the outer surface of the pigment and reduces the photocatalytic activity of the pigment by at least 50% as compared to the pigment without the weather resistant coating. An omnidirectional structural color pigment with a protective coating.
前記耐候性コーティングが酸化物層を有する、請求項1に記載の、保護コーティングを有する全方向構造色顔料。 The omnidirectional structural color pigment having a protective coating according to claim 1, wherein the weather resistant coating has an oxide layer. 前記酸化物層が、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、及び酸化セリウムからなる群より選択される、請求項2に記載の、保護コーティングを有する全方向構造色顔料。 The omnidirectional structural color pigment having a protective coating according to claim 2, wherein the oxide layer is selected from the group consisting of silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, and cerium oxide. 前記天候訂正コーティングが、第1の酸化物層及び第2の酸化物層を有し、前記第2の酸化物層が、前記第1の酸化物層と異なる、請求項3に記載の、保護コーティングを有する全方向構造色顔料。 The protection according to claim 3, wherein the weather correction coating has a first oxide layer and a second oxide layer, and the second oxide layer is different from the first oxide layer. Omnidirectional structural color pigment with coating. 前記第2の酸化物層が、2つの異なる酸化物の組み合わせである混合酸化物層である、請求項4に記載の、保護コーティングを有する全方向構造色顔料。 The omnidirectional structural color pigment having a protective coating according to claim 4, wherein the second oxide layer is a mixed oxide layer which is a combination of two different oxides. 前記第1の酸化物層が、酸化ケイ素であり、かつ前記第2の酸化物層が、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化セリウムからなる群の少なくとも2つから選択される、請求項5に記載の、保護コーティングを有する全方向構造色顔料。 The first oxide layer is silicon oxide, and the second oxide layer is selected from at least two in the group consisting of silicon oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, and cerium oxide. The omnidirectional structural color pigment having a protective coating according to claim 5. 前記顔料が酸化物層を含まない、請求項1に記載の、保護コーティングを有する全方向構造色顔料。 The omnidirectional structural color pigment having a protective coating according to claim 1, wherein the pigment does not contain an oxide layer. 複数の顔料粒子を供給すること、ここで、各前記顔料粒子は第1の材料の第1の層、及び第2の材料の第2の層を有し、前記第2の層は前記第1の層にわたって延在し、前記顔料は、広帯域電磁放射に曝らされ、かつ0°〜45°の間の角度から観察したときに、300nmより小さい所与の半値幅(FWMH)、及び30°より小さい所与の色ずれを有する電磁放射の帯域を反射する
複数の前記顔料粒子を第1の液体に懸濁して顔料懸濁液を形成すること、
第2の液体、並びにケイ素、アルミニウム、ジルコニウム、セリウム及びチタンから選択される酸化物構成元素を有する酸化物前駆体を供給すること、
顔料懸濁液及び酸化物前駆体を混合すること、ここで、この混合は複数の前記顔料粒子の上に耐候性酸化物コーティングを堆積させ、耐候性コーティングを有する複数の顔料粒子と比較して、複数の前記顔料粒子の光触媒活性を少なくとも50%減少させることを含む、保護コーティングを有する全方向構造色顔料の製造方法。
Supplying a plurality of pigment particles, where each of the pigment particles has a first layer of a first material and a second layer of a second material, the second layer being said first. Extending over layers of, the pigment is exposed to wideband electromagnetic radiation and has a given half-width (FWMH) less than 300 nm when viewed from an angle between 0 ° and 45 °, and 30 °. To form a pigment suspension by suspending a plurality of the pigment particles reflecting a band of electromagnetic radiation having a smaller given color shift in a first liquid.
To supply a second liquid and an oxide precursor having an oxide constituent element selected from silicon, aluminum, zirconium, cerium and titanium.
Mixing a pigment suspension and an oxide precursor, where this mixing deposits a weather resistant oxide coating on top of the plurality of said pigment particles and is compared to a plurality of pigment particles having the weather resistant coating. A method for producing an omnidirectional structural color pigment having a protective coating, which comprises reducing the photocatalytic activity of the plurality of said pigment particles by at least 50%.
第1の液体が第1の有機溶媒であり、かつ第2の液体が第2の有機溶媒である、請求項8に記載の方法。 The method according to claim 8, wherein the first liquid is a first organic solvent and the second liquid is a second organic solvent. 第1の有機溶媒及び第2の有機溶媒が有機極性溶媒である、請求項9に記載の方法。 The method according to claim 9, wherein the first organic solvent and the second organic solvent are organic polar solvents. 第1の有機溶媒及び第2の有機溶媒がn−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、エタノール、n−ブタノール、及びアセトンからなる群より選択される、請求項10に記載方法。 The method according to claim 10, wherein the first organic solvent and the second organic solvent are selected from the group consisting of n-propyl alcohol, isopropyl alcohol, ethanol, n-butanol, and acetone. 第1の有機溶媒及び第2の有機溶媒がプロトン性有機極性溶媒である、請求項11に記載方法。 11. The method of claim 11, wherein the first organic solvent and the second organic solvent are protonic organic polar solvents. 第1の有機溶媒及び第2の有機溶媒が同じプロトン性有機極性溶媒である、請求項12に記載の方法。 The method according to claim 12, wherein the first organic solvent and the second organic solvent are the same protonic organic polar solvent. 酸化物構成元素であるケイ素がテトラエトキシシランの形態であり、酸化物構成元素であるアルミニウムが、硫酸アルミニウム及びアルミニウム−トリ−sec−ブトキシドのうち少なくとも一つの形態であり、酸化物構成元素であるジルコニウムが、ジルコニウムブトキシドの形態であり、酸化物構成元素であるセリウムが、硝酸セリウム六水和物、硫酸セリウムのうち少なくとも一つの形態であり、また酸化物構成元素であるチタンが、チタンエトキシド、チタンイソプロポキシド、及びチタン‐n‐ブトキシドのうち少なくとも一つの形態であってよい、請求項13に記載の方法。 Silicon, which is an oxide constituent element, is in the form of tetraethoxysilane, and aluminum, which is an oxide constituent element, is in at least one form of aluminum sulfate and aluminum-tri-sec-butoxide, and is an oxide constituent element. Zyroxide is in the form of zirconium butoxide, cerium, which is an oxide constituent element, is in at least one form of cerium hexahydrate nitrate and cerium sulfate, and titanium, which is an oxide constituent element, is titanium ethoxydo. , Titanium isopropoxide, and the method of claim 13, which may be in at least one form of titanium-n-butoxide. 第1の液体が第1の水性液体であり、第2の液体が第2の水性液体である、請求項8に記載の方法。 The method of claim 8, wherein the first liquid is a first aqueous liquid and the second liquid is a second aqueous liquid. 酸化物構成元素が、ケイ酸ナトリウムの形態であり、酸化物構成元素であるアルミニウムが、硫酸アルミニウム、硫酸アルミニウム水和物、及びアルミン酸ナトリウムのうち少なくとも一つの形態であり、酸化物構成元素であるジルコニウムが、塩化ジルコニウム八水和物の形態であり、酸化物構成元素であるセリウムが、硝酸セリウム六水和物の形態であり、酸化物構成元素であるチタンが、四塩化チタンの形態である、請求項15に記載の方法。 The oxide constituent element is in the form of sodium silicate, and the oxide constituent element aluminum is in at least one form of aluminum sulfate, aluminum sulfate hydrate, and sodium aluminate, and is an oxide constituent element. A certain zirconium is in the form of zirconium chloride octahydrate, the oxide constituent element cerium is in the form of cerium sulfate hexahydrate, and the oxide constituent element titanium is in the form of titanium tetrachloride. The method according to claim 15.
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