JP2022093349A

JP2022093349A - 全方向高彩度赤構造色

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Publication number: JP2022093349A
Application number: JP2022059572A
Authority: JP
Inventors: バネルジーデバシシュ; Banerji Debashish; ジョウリーチン; Li Qin Zhou
Original assignee: Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc
Current assignee: Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2022-03-31
Publication date: 2022-06-23
Anticipated expiration: 2037-04-25
Also published as: JP2017210605A; JP7053549B2; CN107340556A; JP7418486B2; DE102017107230A1; CN111458779B; JP2020037692A; CN107340556B; CN111458779A

Abstract

【課題】層数が少なく、全方向的に高彩度赤構造色を反射する多層干渉薄膜の提供。【解決手段】全方向高彩度赤構造色を反射する多層薄膜。前記多層薄膜は、反射体層と、前記反射体層にわたって延在する少なくとも１つの吸収体層と、前記少なくとも１つの吸収体層にわたって延在する外側誘電体層とを含んでもよい。前記多層薄膜は、白色光に曝された場合に、可視光の単一狭帯域を反射し、前記外側誘電体層は、可視光の前記単一狭帯域の中心波長の２．０四分の一波長（ＱＷ）以下の厚さを有する。【選択図】なし

Description

関連出願の相互参照
本願は、米国特許出願第１４／７９３，１１７号、第１４／７９３，１２３号及び第１４／７９３，１３３号の一部継続出願（ＣＩＰ）である。米国特許出願第１４／７９３，１１７号、第１４／７９３，１２３号及び第１４／７９３，１３３号は全て２０１５年７月７日に出願されたもので、２０１５年１月２８日に出願された米国特許出願第１４／６０７，９３３号のＣＩＰであり、これらの内容は全て引用により援用する。

本明細書は、概して、高彩度赤構造色を示すための多層干渉薄膜に関し、より具体的には、全方向的に高彩度赤構造色を示すための多層干渉薄膜に関する。

多層構造体から製造された顔料が知られている。さらに、高彩度全方向構造色を示す又はもたらす顔料も知られている。かかる顔料は、望ましい色特性を得るために３９層もの誘電体層を必要とし、多層顔料の製造にかかる費用は薄膜層の数に比例する。そのため、誘電体材料の多層薄膜を使用する高彩度全方向構造色の製造は費用がかかりすぎる。赤色顔料の設計は、例えば青、緑などの他の色の顔料に対してもさらなるハードルとなっている。具体的には、赤色を得るための角度非依存性の制御は、高次高調波設計、すなわち二次及び場合によっては三次の高調波の存在をもたらすより厚い誘電体層が必要とされるために、困難である。また、暗赤色についてのＬａｂ色空間における色相空間は非常に狭く、赤色を示す多層薄膜はより高い角度変動を示す。

したがって、層数が少なく、全方向的に高彩度赤構造色を反射する代替的な多層干渉薄膜が必要とされている。

一実施形態において、全方向高彩度赤構造色を反射する多層干渉薄膜は、反射体層と、当該反射体層にわたって延在する少なくとも１つの吸収体層と、当該少なくとも１つの吸収体層にわたって延在する外側誘電体層とを有する多層薄膜を含んでもよい。外側誘電体層は、多層薄膜により反射される可視光の単一狭帯域の中心波長の２．０四分の一波長（ＱＷ）以下の厚さを有する。可視光の単一狭帯域は、３００ナノメートル（ｎｍ）未満の可視半値全幅（可視ＦＷＨＭ）幅と、Ｌａｂ色空間において０°～３０°の赤色と、外側誘電体層の外側表面に垂直な方向に対して０～４５°の角度で多層薄膜を観察した場合にＬａｂ色空間において３０°未満の色相シフトを有する。

別の実施形態において、様々な角度で観察された場合に人間の目では外観の変化がない、赤色を反射するための全方向高彩度赤構造色多層薄膜は、反射体層と、当該反射体層にわたって延在する誘電体吸収体層と、当該誘電体吸収体層にわたって延在する透明吸収体層と、当該透明吸収体層にわたって延在する外側誘電体層とを有する多層薄膜を含んでもよい。外側誘電体層は、多層薄膜により反射される可視光の単一狭帯域の中心波長の２．０ＱＷ以下の厚さを有する。可視光の単一狭帯域は、２００ナノメートルｎｍ未満の可視ＦＷＨＭ幅と、Ｌａｂ色空間において０°～３０°の赤色と、外側誘電体層の外側表面に垂直な方向に対して０～４５°の角度で多層薄膜を観察した場合にＬａｂ色空間において３０°未満の色相シフトを有する。誘電体吸収体層は、酸化物及び窒化物のうちの少なくとも１種から作られたものであり、５～５００ｎｍの厚さを有する。透明吸収体層は、クロム（Ｃｒ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ステンレス鋼、チタン（Ｔｉ）、ケイ素（Ｓｉ）、バナジウム（Ｖ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）及び酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）のうちの少なくとも１種から作られたものであり、５～２０ｎｍの厚さを有する。

これらの特徴及び以下で説明する実施形態により示すさらなる特徴は、図面と併せて以下の詳細な説明を考慮することで、より完全に理解されるであろう。

図面に記載の実施形態は、事実上、例示的及び例証的なものであり、特許請求の範囲により規定される主題を限定することを意図したものでない。例示的実施形態についての以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて読んだ場合に理解することができ、同じ構造は、同じ参照番号で示されている。

図１Ａは、本明細書で示し説明する１又は２つ以上の実施形態に従う全方向高彩度赤構造色多層薄膜の設計に使用される反射体層（Ｒ）にわたって延在する誘電体層（Ｄ）を有する多層薄膜を示す。図１Ｂは、本明細書で示し説明する１又は２つ以上の実施形態に従う全方向高彩度赤構造色多層薄膜の設計に使用される反射体層（Ｒ）にわたって延在する半導体吸収体層（ＳＡ）を有する多層薄膜を示す。図１Ｃは、本明細書で示し説明する１又は２つ以上の実施形態に従う全方向高彩度赤構造色多層薄膜の設計に使用される反射体層（Ｒ）にわたって延在する誘電体吸収体層（ＤＡ）を有する多層薄膜を示す。図２は、図１Ａ～１Ｃに示した多層薄膜についてのＬａｂ色空間における反射特性を示す。図３Ａは、図１Ａに示した多層薄膜についての誘電体層（Ｄ）の厚さの関数としての彩度及び色相の値をグラフで示す。図３Ｂは、図１Ｂに示した多層薄膜についての半導体吸収体層（ＳＡ）の厚さの関数としての彩度及び色相の値をグラフで示す。図３Ｃは、図１Ｃに示した多層薄膜についての誘電体吸収体層（ＤＡ）の厚さの関数としての彩度及び色相の値をグラフで示す。図４は、基材層にわたって延在する誘電体層を有し、誘電体層の外側表面に垂直な方向に対して角度θで電磁線に曝された多層薄膜を示す。図５は、波長５５０ｎｍの光に曝された２つの多層薄膜についての層厚の関数としての電場の値（｜電場｜^２）をグラフで示す。多層薄膜のうちの一方は、反射体層にわたって延在する誘電体吸収体層と、当該誘電体吸収体層にわたって延在する透明吸収体層と、当該透明吸収体層にわたって延在する誘電体層とを有し（Ｒ／ＤＡ／ＴＡ／Ｄ）、もう一方の多層薄膜は、反射体層にわたって延在する誘電体吸収体層と、当該誘電体吸収体層にわたって延在する誘電体層とを有する（Ｒ／ＤＡ／Ｄ）。図６は、波長５５０ｎｍ～６５０ｎｍの光に曝された場合の（Ｒ／ＤＡ／ＴＡ／Ｄ）多層薄膜についての層厚の関数としての電場（｜電場｜^２）をグラフで示す。図７は、本明細書で示し説明する１又は２つ以上の実施形態に従う多層薄膜を示す。図８は、本明細書で示し説明する１又は２つ以上の実施形態に従う多層薄膜を示す。図９は、本明細書で示し説明する１又は２つ以上の実施形態に従う多層薄膜についての、白色光を当て、多層薄膜の外側表面に垂直な方向に対して０°及び４５°で観察した場合の、波長の関数としての反射率（％）をグラフで示す。図１０は、本明細書で示し説明する１又は２つ以上の実施形態に従う多層薄膜についての、白色光を当て、多層薄膜の外側表面に垂直な方向に対して０°及び４５°で観察した場合の、波長の関数としての反射率（％）をグラフで示す。図１１は、本明細書で示し説明する１又は２つ以上の実施形態に従う多層薄膜についての、白色光を当て、多層薄膜の外側表面に垂直な方向に対して様々な角度で観察した場合の、Ｌａｂ色空間における色をグラフで示す。

図７は、概して、高彩度赤構造色を反射するための全方向反射体であることができる多層薄膜の一実施形態を示す。多層薄膜は、概して、反射体層と、当該反射体層にわたって延在する少なくとも１つの吸収体層と、当該少なくとも１つの反射体層にわたって延在する外側誘電体層とを有する。上記少なくとも１つの吸収体層は、誘電体層が赤色スペクトル内の波長を有する光の反射をもたらす厚さを有する場合に、概して５５０ｎｍ未満の波長を有する光を吸収する。高彩度赤構造色を得るための全方向反射性を有する様々な多層薄膜の構造及び特性、多層薄膜構造体を設計する方法、当該構造体を使用できる用途を、本明細書中でより詳しく説明する。

本明細書に記載の多層薄膜構造体は、入射又は観察角度範囲にわたって、可視光の赤色スペクトル内の波長を全方向反射するために使用してもよい。用語「電磁波」、「電磁線」及び「光」は、本明細書において、互換的に、多層薄膜構造体に入射した様々な波長の光を意味すること、及び、かかる光は、電磁スペクトルの紫外（ＵＶ）、赤外（ＩＲ）及び可視部分内の波長を有しても良いことが理解されるであろう。

図１Ａ～１Ｃ及び図２には、Ｌａｂ色空間でプロット又は示した場合の可視光スペクトルの赤領域において所望の色相レベルを達成するにあたっての、反射体層にわたって延在する様々なタイプの層の有効性が示されている。図１Ａは、反射体層にわたって延在するＺｎＳ誘電体層を示し、図１Ｂは、反射体層にわたって延在するＳｉ半導体吸収体層を示し、図１Ｃは、反射体層にわたって延在するＦｅ_２Ｏ_３誘電体吸収体層を示す。誘電体層、半導体吸収体層及び誘電体吸収体層についての様々な厚さの関数として、図１A～１Ｃに示した各多層薄膜からの反射のシミュレーションを行った。シミュレーションの結果を、ａ^＊ｂ^＊カラーマップとしても知られているＬａｂ色空間でプロットし、図２に示した。図２に示した各データ点は、図１Ａに示した多層薄膜の場合の誘電体層、図１Ｂに示した多層薄膜の場合の半導体吸収体層又は図１Ｃに示した多層薄膜の場合の誘電体吸収体層の特定の厚さに応じて彩度及び色相を与える。

色相は、所与のデータ点の正のａ^＊軸に対する角度として言及されることもある。色相値（hue value）は、物体が示す色、例えば赤色、緑色、青色などの度合いを与え、彩度値（chroma value）は、色の「明度」の度合いを与える。図２に示されているように、図１Ａに示した多層薄膜は、図１Ｂ～１Ｃに示した多層薄膜と比べて低い彩度を与える。したがって、図１Ａ～１Ｃ及び図２は、高彩度の色が望ましい場合には、吸収体層、例えば半導体層又は誘電体吸収体層が、反射体層にわたって延在する第１の層として誘電体層よりも好ましいことを実証している。

図３Ａ～３Ｃには、彩度及び色相が、層厚の関数として示されている。具体的には、図３Ａは、図１Ａに示したＡｌ反射体層にわたって延在するＺｎＳ誘電体層の厚さの関数として彩度及び色相をグラフで示している。図３Ｂは、図１Ｂに示したＡｌ反射体層にわたって延在するＳｉ半導体吸収体層の厚さの関数として彩度及び色相を示している。図３Ｃは、図１Ｃに示したＡｌ反射体層にわたって延在するＦｅ_２Ｏ_３誘電体吸収体層の厚さの関数として彩度及び色相の値を示している。図３Ａ～３Ｃ中の点線は、Ｌａｂ色空間における１０～３０°の所望の色相値に対応する。図３Ａ～３Ｃは、１０～３０°の色相範囲内でより高い彩度値は、半導体吸収体層又は誘電体吸収体層が反射体層にわたって延在する多層薄膜の場合に達成されることを示している。複数の実施形態において、外側誘電体層が吸収体層、例えば半導体吸収体層又は誘電体吸収体層にわたって延在している。

複数の実施形態において、さらなる透明吸収体層が吸収体層と外側誘電体層の間に延在する。透明吸収体層の位置は、５５０ｎｍ以下の波長の光の吸収を増進するが約６５０ｎｍの波長の光を反射するように選択される。

複数の実施形態において、図４及び以下の議論は、光の所定の波長でゼロ又はゼロ近傍（near-zero）の電場の地点の厚さの計算方法を与える。本明細書の目的上、用語「ゼロ近傍」は、

と定義される。図４は、屈折率ｎ_ｓを有する基材層２上に、全厚「Ｄ」、インクリメンタル厚さ（incremental thickness）「ｄ」及び屈折率「ｎ」を有する誘電体層４を備えた多層薄膜を示す。基材層２は、多層薄膜のコア層又は反射体層であることができる。入射光は、誘電体層４の外側表面５に、外側表面５に対して垂直である線６に対して角度θで当り、同じ角度θで外側表面５から反射される。入射光は外側表面５を透過して誘電体層４中に、線６に対して角度θ_Ｆで入り、基材層２の表面３に角度θ_ｓで当たる。単一誘電体層の場合、θ_ｓ＝θ_Ｆであり、エネルギー／電場(Ｅ)は、z＝ｄの場合にＥ(ｚ)として表することができる。

誘電体層４のＺ方向に沿う電場の変動は、未知のパラメータｕ（ｚ）及びｖ（ｚ）の計算によって推定できることは分かっており、ここで、以下のように示すことができる：

図５には、Ｘ軸上で２００ｎｍのわずかに右側に位置する垂直線により示されている透明吸収体層と外側誘電体層の間の界面での電場がゼロ又はゼロ近傍である多層薄膜の実施形態の場合の層厚の関数としての電場が実線で示されている。図５に実線で表されている電場をもたらす多層薄膜は、厚さ１００ｎｍのＡｌ反射体層（Ｒ）と、Ａｌ反射体層Ｒにわたって延在する厚さ１９９ｎｍのＦｅ_２Ｏ_３誘電体吸収体層（ＤＡ）と、Ｆｅ_２Ｏ_３誘電体吸収体層ＤＡにわたって延在する厚さ１４ｎｍのＣｒ透明吸収体層（ＴＡ）と、透明吸収体層にわたって延在する厚さ３０ｎｍの外側ＺｎＳ誘電体層（Ｄ）とを有する。図５に実線で表されている電場をもたらす多層薄膜の構造は、図に示されているようにＤ／ＤＡ／ＴＡ／Ｄとして記載することができる。用語「透明吸収体層」は、当該層を光が透過するような厚さを有する吸収体層を指す。比較のために、図５において点線により表されている電場をもたらす多層薄膜は、厚さ１００ｎｍのＡｌ反射体層（Ｒ）と、Ａｌ反射体層Ｒにわたって延在する厚さ２００ｎｍの誘電体吸収体層ＤＡと、誘電体吸収体層ＤＡにわたって延在する厚さ３０ｎｍの外側ＺｎＳ誘電体層（Ｄ）とを有する（Ｒ／ＤＡ／Ｄ）。図５に示されているように、Ｒ／ＤＡ／ＴＡ／Ｄ多層薄膜の場合の誘電体吸収体層と透明吸収体層の間の界面に存在する電場よりも高い電場がＲ／ＤＡ／Ｔ多層薄膜の場合の誘電体吸収体層と外側誘電体層の間の界面に存在する。したがって、Ｒ／ＤＡ／Ｔ多層薄膜の場合よりもＲ／ＤＡ／ＴＡ／Ｄ多層薄膜の場合に、より多量の波長５５０ｎｍの光が誘電体吸収体層に到達し（反射されない）、吸収される。また、Ｒ／ＤＡ／Ｔ多層薄膜の場合の外側誘電体層と空気の間の界面における電場よりもＲ／ＤＡ／ＴＡ／Ｄ多層薄膜の場合の外側誘電体層と空気の間の界面における電場の方が低い。したがって、波長５５０ｎｍの光は、Ｒ／ＤＡ／Ｔ多層薄膜の外側誘電体層の外側表面で反射される量よりもＲ／ＤＡ／ＴＡ／Ｄ多層薄膜の外側誘電多層の外側表面で反射される量のほうが少ない。

図６には、波長５５０ｎｍの光及び波長６５０ｎｍの光に曝されたＲ／ＤＡ／ＴＡ／Ｄ多層薄膜についての層厚の関数としての電場が示されている。当該多層薄膜は、図５に関して上で述べたＲ／ＤＡ／ＴＡ／Ｄ多層薄膜と同じ構造及び材料、すなわち、厚さ１００ｎｍのＡｌ反射体層（Ｒ）と、Ａｌ反射体層Ｒにわたって延在する厚さ１９９ｎｍのＦｅ_２Ｏ_３誘電体吸収体層（ＤＡ）と、Ｆｅ_２Ｏ_３誘電体吸収体層ＤＡにわたって延在する厚さ１４ｎｍのＣｒ透明吸収体層（ＴＡ）と、透明吸収体層にわたって延在する厚さ３０ｎｍの外側ＺｎＳ誘電体層（Ｄ）とを有する。図６に示されているように、Ｘ軸上で２００ｎｍをほんのわずかに下回る位置に存在する垂直線により示されている誘電体吸収体層と透明吸収体層の間の界面での電場は、波長６５０ｎｍの光（点線）の場合よりも波長５５０ｎｍの光（実線）の場合の方がかなり小さい。したがって、誘電体吸収体層は、波長６５０ｎｍの光よりもかなり多く波長５５０ｎｍの光を吸収し、波長５５０ｎｍの光よりもかなり多く波長６５０ｎｍの光を反射する。

図７には、本明細書に開示する実施形態に従う全方向高彩度赤構造色を反射する多層薄膜１０が示されている。多層薄膜１０は、反射体層１１０と、反射体層１１０にわたって延在する少なくとも１つの吸収体層１２０と、少なくとも１つの吸収体層１２０にわたって延在する外側誘電体層１３０とを含む。複数の実施形態において、「外側誘電体層」は、外側自由表面、すなわち、吸収体層や保護コーティングの一部でない他の誘電体層に接触していない外側表面を有する。反射体層１１０が一対の吸収体層と一対の外側誘電体層の間に挟まれたコア層であるように、第２の少なくとも１つの吸収体層及び第２の外側誘電体層を反射体層１１０のもう一方の側に配置できる。一対の吸収体層と一対の外側誘電体層の間に挟まれたコア層を備えたかかる多層薄膜は、５層多層薄膜と呼ぶことができる。反射体層は、５～２００ｎｍの厚さを有することができ、例えばＡｌ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｓｎなどの「灰色金属（gray metallic）」材料のうちの少なくとも１種、例えばＡｕ、Ｃｕ、真鍮などの「有彩色金属（colorful metallic）」材料のうちの少なくとも１種、例えばＦｅ_２Ｏ_３、ＴｉＮなどの有彩色誘電体材料のうちの少なくとも１種、又はこれらの組み合わせから製造されたものであることができる。少なくとも１つの吸収体層１２０は、５～５００ｎｍの厚さを有することができ、例えばＣｒ、Ｃｕ、Ａｕ、真鍮などの少なくとも１種の吸収体金属材料、例えばＦｅ_２Ｏ_３、ＴｉＮなどの少なくとも１種の有彩色誘電体材料、例えばアモルファスのＳｉ、Ｇｅなどの少なくとも１種の半導体吸収体材料、又はこれらの組み合わせから製造されたものであることができる。外側誘電体層は、多層薄膜により反射される可視光の狭帯域の中心波長（例えば６５０ｎｍ）の２ＱＷ未満の厚さを有することができる。外側誘電体層は、例えばＺｎＳ、ＭｇＦ_２などの１．６を超える屈折率を有する誘電体材料から製造されたものであることができる。

図８には、本明細書に開示する実施形態に従う全方向高彩度赤構造色を反射する多層薄膜１０が示されている。多層薄膜１０は、反射体層１１０と、反射体層１１０にわたって延在する吸収体層１２２と、吸収体層１２２にわたって延在する透明吸収体層１２４と、透明吸収体層１２４にわたって延在する外側誘電体層１３０とを含む。吸収体層１２２は、金属吸収体層、誘電体吸収体層又は半導体吸収体層であることができる。反射体層１１０が一対の吸収体層と一対の透明吸収体層及び一対の外側誘電体層の間に挟まれたコア層であるように、第２の吸収体層、第２の透明吸収体層及び第２の外側誘電体層を反射体層１１０のもう一方の側に配置できることが分かる。一対の吸収体層、一対の透明吸収体層及び一対の外側誘電体層の間に挟まれたコア層を備えたかかる多層薄膜は、７層多層薄膜と呼ぶことができる。反射体層は、５～２００ｎｍの厚さを有することができ、例えばＡｌ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｓｎなどの「灰色金属」材料のうちの少なくとも１種、例えばＡｕ、Ｃｕ、真鍮などの「有彩色金属」材料のうちの少なくとも１種、例えばＦｅ_２Ｏ_３、ＴｉＮなどの有彩色誘電体材料のうちの少なくとも１種、又はこれらの組み合わせから製造されたものであることができる。吸収体層１２０は、５～５００ｎｍの厚さを有することができ、例えばＣｒ、Ｃｕ、Ａｕ、真鍮などの少なくとも１種の吸収体金属材料、例えばＦｅ_２Ｏ_３、ＴｉＮなどの誘電体吸収体材料、例えばアモルファスのＳｉ、Ｇｅなどの少なくとも１種の半導体吸収体材料、又はこれらの組み合わせから製造されたものであることができる。透明吸収体層は、５～２０ｎｍの厚さを有することができ、例えばＣｒ、Ｇｅ、Ｎｉ、ステンレス鋼、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｖ、ＴｉＮ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＦｅ_２Ｏ_３のうちの少なくとも１種から製造されたものであることができる。外側誘電体層は、多層薄膜により反射される可視光の狭帯域の中心波長（例えば６５０ｎｍ）の２ＱＷ未満の厚さを有することができ、外側誘電体層は、例えばＺｎＳ、ＭｇＦ_２などの１．６を超える屈折率を有する誘電体材料から製造されたものであることができる。

図９には、多層薄膜の外側表面に垂直な方向に対して０°及び４５°の角度で白色光が当たった場合の、本明細書に開示する１又は２以上の実施形態によりもたらされる反射光波長に対する反射率（％）の形式で代表的な反射率スペクトルが示されている。反射率スペクトルにより示されているように、５５０ｎｍの波長に対して、０°及び４５°の曲線は両方とも非常に低い反射率、例えば１０％未満を示している。しかし、５６０～５７０ｎｍの波長における反射率の急激な増加は７００ｎｍで約９０％の最大値に達することが観察された。曲線の右手側（ＩＲ側）のグラフの部分又は領域が実施形態によりもたらされる反射帯域のＩＲ領域を表す。反射率の急激な増加は、５５０ｎｍ未満の波長における低反射率部分から高反射率部分、例えば７０％超、好ましくは８０％超、より好ましくは９０％超まで延びる０°曲線（Ｓ_ＵＶ（０°））及び４５°曲線（Ｓ_ＵＶ（４５°））のＵＶ側端により特徴付けられる。複数の実施形態によりもたらされる全方向性の程度の尺度は、可視ＦＷＨＭ位置におけるＳ_ＵＶ（０°）端とＳ_ＵＶ（４５°）端の間のシフトであることができる。Ｓ_ＵＶ（０°）端とＳ_ＵＶ（４５°）端の間でゼロシフトであると、すなわちシフトがないと、完全に全方向性の多層薄膜と特徴づけられる。本明細書に開示する実施形態についてのＳ_ＵＶ（０°）端とＳ_ＵＶ（４５°）端の間のシフトが１００ｎｍ未満、好ましくは７５ｎｍ未満、より好ましくは５０ｎｍ未満、さらに好ましくは２５ｎｍ未満である場合には、０～４５°の角度で人間の視点から観察した場合に、人間の目には、多層薄膜の表面は色が変化しないが、多層薄膜が全方向性であるかのように見えうる。ＵＶ側端の直線上部分２００はＸ軸に対して６０°を超える角度（β）で傾いており、反射率の軸上でおよそ４０の長さＬを有し、１．４の傾きを有する。複数の実施形態において、直線状部分は、ｘ軸に対して７０°を超える角度で傾いている。他の実施形態において、直線状部分は、７５°を超える角度で傾いている。反射帯域は、３００ｎｍ未満、好ましくは２００ｎｍ未満、より好ましくは１５０ｎｍ未満、さらに好ましくは１００ｎｍ未満の可視ＦＷＨＭを有する。図９に示されている可視反射帯域の中心波長λ_Ｃは、可視ＦＷＨＭにおいて反射帯域のＵＶ側端とＩＲスペクトルのＩＲ端とから等距離である波長として定義される。用語「可視ＦＷＨＭ」は、この曲線のＵＶ側端と、これを超えると全方向反射体によりもたらされる反射は人間の目に見えなくなるＩＲスペクトル範囲の端部との間の反射帯域の幅を意味する。本明細書に開示する実施形態はシャープな色又は構造色をもたらすために電磁放射線スペクトルの非可視ＩＲ部分を用いる、すなわち本明細書に開示する実施形態は狭帯域の反射可視光をもたらすために電磁放射線の非可視ＩＲ部分を利用するが、電磁放射線のかなり広い帯域がＩＲ領域に広がっていてもよいことが理解されるべきである。

次に図１０を参照すると、本明細書に開示する実施形態に従う多層薄膜の反射スペクトルは、可視スペクトルにピークがある狭い可視光帯域を示している。このピークは、極大反射率の波長であり、多層薄膜の外側表面に垂直に観察した場合（λ_Ｃ（０°））に多層薄膜が示す反射率曲線の中心波長、及び多層薄膜の外側表面に対して４５°の角度で観察した場合に多層薄膜が示す反射率曲線の中心波長λ_Ｃ（４５°））を規定することができる。０°の角度から表面を観察した場合（λ_Ｃ（０°））、すなわち表面に対して垂直に観察した場合と比較して、多層薄膜の外側表面を角度４５°から観察した場合、例えば当該外側表面をその表面を見る人間の目に対して４５°傾けた場合の、そのλ_Ｃ（λ_Ｃ（４５°））のシフト又は変位が図１０に示されている。λ_Ｃのシフト（Δλ_Ｃ）は、全方向反射体の全方向性の尺度である。λ_Ｃのゼロシフト、すなわち、

は、完全に全方向性の多層薄膜からの反射を表す。しかし、開示する実施形態は、１００ｎｍ未満、好ましくは７５ｎｍ未満、より好ましくは５０ｎｍ未満、さらに好ましくは２５ｎｍ未満のΔλ_Ｃをもたらし、これは、０～４５°の角度で人間の視点から観察した場合に、人間の目には、反射体の表面は色が変化しないが、多層薄膜が全方向性であるかのように見えうる。Δλ_Ｃのシフトは、白色光に曝された多層薄膜から求められた反射率対波長プロットにより、又は、多層薄膜のモデリングにより決定することができる。図１０に示されている反射された可視光の狭帯域が、赤色をもたらすこと、及び、多層薄膜を０～４５°の角度で観察した場合の中心波長の小さいシフト又は変位が全方向赤構造色をもたらすこと、すなわち、０～４５°の角度で観察した場合に人間の目に色が変化するようには見えない明赤色を多層薄膜が反射することが分かる。

図１０における０°及び４５°の曲線は両方とも、５５０ｎｍ未満の波長の場合に、非常に低い反射率、例えば１０％未満の反射率を示している。しかし、７００ｎｍで約９０％の最大値に達する５６０～５７０ｎｍの波長での反射率の鋭い増加が観察される。曲線の右側（ＩＲ側）のグラフの部分は、複数の実施形態によりもたらされる反射帯域のＩＲ部分を表すことが分かる。反射率のこの鋭い増加は、波長５５０ｎｍ未満での低反射率部分から高反射率部分、例えば反射率が７０％を超える、好ましくは８０％を超える、より好ましくは９０％を超える高反射率部分まで広がる０°曲線（Ｓ_ＵＶ（０°））及び４５°曲線（Ｓ_ＵＶ（４５°））のＵＶ側端により特徴付けられる。反射帯域は、３００ｎｍ未満、好ましくは２００ｎｍ未満、より好ましくは１５０ｎｍ未満、さらに好ましくは１００ｎｍ未満の可視ＦＷＨＭを有する。図１０に示されている反射された可視光の狭帯域が、赤色をもたらすこと、及び、多層薄膜を０～４５°の角度で観察した場合の中心波長の小さいシフト又は変位が全方向赤構造色をもたらすこと、すなわち、０～４５°の角度で観察した場合に人間の目に色が変化するようには見えない明赤色を多層薄膜が反射することが分かる。

図１１を参照し、本明細書に開示する実施形態に従う多層薄膜の反射特性をＬａｂ色空間において説明することもできる。Ｌａｂ色空間は、ａ^＊のＸ座標とｂ^＊のＹ座標を有する。図１１は、０～４５°の角度で観察した場合の従来の塗料の反射特性を示し、色相シフトがΔθ_２として示されている。比較すると、本明細書に開示される実施形態に従う多層薄膜は、０～４５°で観察した場合に、小さな色相シフト（Δθ_１）をもたらす。図１１でΔθ_１により表される色相シフトは３０°未満、好ましくは２５°未満、より好ましくは２０°未満、さらに好ましくは１５°未満である。図１１は、本明細書に開示される実施形態に従う多層薄膜が赤色に対応する色相、すなわちθ_１Ｌ～θ_１Ｈの色相をもたらすことも示している。複数の実施形態において、多層薄膜は、Ｌａｂ色空間において０～３０°、好ましくはＬａｂ色空間において５～２５°、より好ましくはＬａｂ色空間において１０～２２°の色相もたらす。複数の実施形態において、本明細書に開示される実施形態に従う多層薄膜は０及び４５°で観察された場合に、多層薄膜構造体が呈する観察される色がθ_１Ｌ～θ_１Ｈにより示される領域内の色相を有するような色相シフトを有する。本明細書に開示される複数の実施形態に従う多層薄膜についての彩度は従来の塗料よりもかなり高い。複数の実施形態において、多層薄膜についての彩度は、６０～１２０、好ましくは８０～１１０、より好ましくは８５～１０５に及ぶことができる。

本明細書に開示される複数の実施形態に従う多層薄膜は、顔料、例えば物体を塗装するために使用される塗料用の塗料顔料として、又は物体に適用される連続薄膜として使用することができる。顔料として使用される場合、全方向高彩度赤構造色を呈する塗料を提供するために、塗料バインダー、充填剤などを使用し、当該顔料と混合することができる。用語「実質的」及び「約」は、本明細書において、任意の定量的な比較、値、測定又は他の表現に帰属しうる不確定性の固有の程度を表すために用いられることがあることに留意されたい。これらの用語は、定量的な表現が、問題になっている主題の基本的な機能に変化をもたらさずに、記載した基準値から変わりうる程度を表すためにも用いられる。

特定の実施形態を本明細書で例示及び説明したが、特許請求する主題の精神及び範囲から離れずに様々な他の変更及び修飾を行ってもよいことが理解されるべきである。さらに、特許請求する主題の様々な態様を本明細書で説明したが、かかる態様は組み合わせて利用される必要はない。したがって、添付の特許請求の範囲は、特許請求する主題の範囲内にあるかかる変更及び修飾を全て包含することを意図する。
本発明に関連する発明の実施態様の一部を以下に示す。
［態様１］
反射体層と、前記反射体層にわたって延在する少なくとも１つの吸収体層と、前記少なくとも１つの吸収体層にわたって延在する外側誘電体層とを有する多層薄膜を含む、全方向高彩度赤構造色を反射する多層干渉薄膜であって、
前記多層薄膜は、白色光に曝された場合に、可視光の単一狭帯域を反射し、前記外側誘電体層は、可視光の前記単一狭帯域の中心波長の２．０ＱＷ以下の厚さを有し、
可視光の前記単一狭帯域が、
２００ｎｍ未満の可視ＦＷＨＭ幅；
Ｌａｂ色空間で０°～３０°の色；及び
前記外側誘電体層の外表面に垂直な方向に対して０～４５°の角度で前記多層薄膜を観察した場合にＬａｂ色空間で３０°未満の色相シフト；
を有する、全方向高彩度赤構造色を反射する多層干渉薄膜。
［態様２］
前記反射体層が、５～２００ｎｍの厚さを有し、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｔ及びＳｎのうちの少なくとも１種から作られたものである、態様１に記載の多層干渉薄膜。
［態様３］
前記少なくとも１つの吸収体層が、前記反射体層と前記外側誘電体層の間に延在する少なくとも１つの誘電体吸収体層である、態様１に記載の多層干渉薄膜。
［態様４］
前記少なくとも１つの誘電体吸収体層が酸化物及び窒化物のうちの少なくとも１種から作られたものである、態様３に記載の多層干渉薄膜。
［態様５］
前記少なくとも１つの誘電体吸収体層が、Ｆｅ_２Ｏ_３及びＴｉＮのうちの少なくとも１種から作られたものであり、５～５００ｎｍの厚さを有する、態様１に記載の多層干渉薄膜。
［態様６］
前記外側誘電体層が１．６を超える屈折率を有する、態様１に記載の多層干渉薄膜。
［態様７］
前記外側誘電体層がＭｇＦ_２、ＺｎＳ及びＴｉＯ_２のうちの少なくとも１種から作られたものであり、態様６に記載の多層干渉薄膜。
［態様８］
反射された可視光の単一狭帯域の中心波長が６００～７００ｎｍであり、前記外側誘電体層の厚さが１７５ｎｍ未満である、態様７に記載の多層干渉薄膜。
［態様９］
前記少なくとも１つの吸収体層が誘電体吸収体層及び透明吸収体層である、態様１に記載の多層干渉薄膜。
［態様１０］
前記透明吸収体層が前記誘電体吸収体層にわたって延在し、かつ、前記誘電体吸収体層と前記外側誘電体層の間に配置されている、態様９に記載の多層干渉薄膜。
［態様１１］
前記誘電体吸収体層がＦｅ_２Ｏ_３及びＴｉＮのうちの少なくとも１種から作られたものである、態様９に記載の多層干渉薄膜。
［態様１２］
前記誘電体吸収体層が５～５００ｎｍの厚さを有する、態様１に記載の多層干渉薄膜。
［態様１３］
前記透明吸収体層がＣｒ、Ｇｅ、Ｎｉ、ステンレス鋼、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｖ、ＴｉＮ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＦｅ_２Ｏ_３のうちの少なくとも１種から作られたものである、態様９に記載の多層干渉薄膜。
［態様１４］
前記透明吸収体層が５～２０ｎｍの厚さを有する、態様１３に記載の多層干渉薄膜。
［態様１５］
可視光の前記単一狭帯域が、２００ｎｍ未満の可視ＦＷＨＭ幅、Ｌａｂ色空間において５°～２５°の色、及び、前記外側誘電体層の外表面に垂直な方向に対して０～４５°の角度で前記多層薄膜を観察した場合にＬａｂ空間カラーマップにおいて２０°未満の色相シフトを有する、態様１に記載の多層干渉薄膜。
［態様１６］
可視光の前記単一狭帯域が、２００ｎｍ未満の可視ＦＷＨＭ幅、Ｌａｂ色空間において１０°～２５°の色、及び、前記外側誘電体層の外表面に垂直な方向に対して０～４５°の角度で前記多層薄膜を観察した場合にＬａｂ空間カラーマップにおいて１５°未満の色相シフトを有する、態様１に記載の多層干渉薄膜。
［態様１７］
反射体層と、前記反射体層にわたって延在する誘電体吸収体層と、前記誘電体吸収体層にわたって延在する外側誘電体層と、前記誘電体吸収体層と前記外側誘電体層の間に延在する透明吸収体層とを有する多層薄膜を含む全方向高彩度赤構造色多層薄膜であって、
前記多層薄膜は、白色光に曝された場合に、可視光の単一狭帯域を反射し、前記外側誘電体層は、可視光の前記単一狭帯域の中心波長の２．０ＱＷ以下の厚さを有し、可視光の前記単一狭帯域が、
２００ｎｍ未満の可視ＦＷＨＭ幅；
Ｌａｂ色空間において０°～３０°の色；及び
前記外側誘電体層の外表面に垂直な方向に対して０～４５°の角度で前記多層薄膜を観察した場合にＬａｂ色空間において３０°未満の色相シフト；
を有する、全方向高彩度赤構造色多層薄膜。
［態様１８］
前記誘電体吸収体層が酸化物及び窒化物のうちの少なくとも１種から作られたものであり、５～５００ｎｍの厚さを有する、態様１７に記載の全方向高彩度赤構造色多層薄膜。
［態様１９］
前記誘電体吸収体層がＦｅ_２Ｏ_３及びＴｉＮのうちの少なくとも１種から作られたものである、態様１８に記載の全方向高彩度赤構造色多層薄膜。
［態様２０］
前記透明吸収体層が、Ｃｒ、Ｇｅ、Ｎｉ、ステンレス鋼、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｖ、ＴｉＮ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＦｅ_２Ｏ_３のうちの少なくとも１種から作られたものであり、５～２０ｎｍの厚さを有する、態様１７に記載の全方向高彩度赤構造色多層薄膜。

Claims

反射体層と、前記反射体層にわたって延在する少なくとも１つの吸収体層と、前記少なくとも１つの吸収体層にわたって延在する外側誘電体層とを有する多層薄膜を含む、全方向高彩度赤構造色を反射する多層干渉薄膜であって、
前記多層薄膜は、白色光に曝された場合に、可視光の単一狭帯域を反射し、前記外側誘電体層は、可視光の前記単一狭帯域の中心波長の２．０ＱＷ以下の厚さを有し、
可視光の前記単一狭帯域が、
２００ｎｍ未満の可視ＦＷＨＭ幅；
Ｌａｂ色空間で０°～３０°の色；及び
前記外側誘電体層の外表面に垂直な方向に対して０～４５°の角度で前記多層薄膜を観察した場合にＬａｂ色空間で３０°未満の色相シフト；
を有し、
前記反射体層が、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｓｎ、Ａｕ、Ｃｕ及び真鍮のうちの少なくとも１種から作られたものであり、
前記少なくとも１つの吸収体層が誘電体吸収体層及び透明吸収体層を含み、
前記誘電体吸収体層が、Ｆｅ_２Ｏ_３及びＴｉＮのうちの少なくとも１種から作られたものであり、５～５００ｎｍの厚さを有し、
前記透明吸収体層が、Ｃｒ、Ｇｅ、Ｎｉ、ステンレス鋼、Ｔｉ、Ｖ、Ｓｉ、ＴｉＮ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＦｅ_２Ｏ_３のうちの少なくとも１種から作られたものであり、５～２０ｎｍの厚さを有し、
前記外側誘電体層がＺｎＳ、ＴｉＯ_２及びＭｇＦ_２のうちの少なくとも１種から作られたものである、
全方向高彩度赤構造色を反射する多層干渉薄膜。
前記反射体層が、５～２００ｎｍの厚さを有する、請求項１に記載の多層干渉薄膜。
前記透明吸収体層は、Ｃｒ、Ｎｉ、ステンレス鋼、Ｔｉ、Ｖ、ＴｉＮ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＦｅ_２Ｏ_３のうちの少なくとも１種から作られたものである、請求項１又は２に記載の多層干渉薄膜。
前記外側誘電体層が１．６を超える屈折率を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の多層干渉薄膜。
反射された可視光の単一狭帯域の中心波長が６００～７００ｎｍであり、前記外側誘電体層の厚さが１７５ｎｍ未満である、請求項１～４のいずれか一項に記載の多層干渉薄膜。
前記少なくとも１つの吸収体層が誘電体吸収体層及び透明吸収体層である、請求項１～５のいずれか一項に記載の多層干渉薄膜。
前記透明吸収体層が前記誘電体吸収体層にわたって延在し、かつ、前記誘電体吸収体層と前記外側誘電体層の間に配置されている、請求項１に記載の多層干渉薄膜。
可視光の前記単一狭帯域が、Ｌａｂ色空間において５°～２５°の色、及び、前記外側誘電体層の外表面に垂直な方向に対して０～４５°の角度で前記多層薄膜を観察した場合にＬａｂ空間カラーマップにおいて２０°未満の色相シフトを有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の多層干渉薄膜。
可視光の前記単一狭帯域が、Ｌａｂ色空間において１０°～２５°の色、及び、前記外側誘電体層の外表面に垂直な方向に対して０～４５°の角度で前記多層薄膜を観察した場合にＬａｂ空間カラーマップにおいて１５°未満の色相シフトを有する、請求項８に記載の多層干渉薄膜。