JP3953032B2

JP3953032B2 - 表面凹凸を利用した構造色発色体の製造方法並びに表面凹凸を利用した構造色発色体

Info

Publication number: JP3953032B2
Application number: JP2004003441A
Authority: JP
Inventors: 孝石黒
Original assignee: 株式会社新潟ティーエルオー
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2004-01-08
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2024-01-08
Also published as: JP2005194595A

Description

本発明は、表面凹凸を利用した構造色発色体の製造方法並びに表面凹凸を利用した構造色発色体に関するものである。

本発明に類似する例は、例えば、S.Miyajima and M.Hashimoto，Thin Solid Films，193-194（1990），748-756．に見られるが、従来の発色は平坦膜上での干渉効果であり、本発明のような制御された表面凹凸上での干渉効果とは異なる。また、例えば、特開２００３−５３８７５には表面凹凸上の溝で仕切られた低屈折率層のラメラ構造による発色の例があるが、その構造は複雑で、従って作製法も複雑である。

特開２００３−５３８７５公報 Structural-Color-Control by AlN Coating on Rough-Surface Al Film：M.Nishimura and T.Ishiguro，Materials Transactions Vol．44（11）（2003），2417-2419

工業製品、医療製品、工芸製品、建材等の表面発色として色素や物質自身の色が利用されているが、それ自身が有毒もしくは環境負荷が大きな材料等の理由で用途が限定される場合がある。

平坦表面における干渉効果による発色は鏡面反射に依存しており角度依存性が強い。

本発明は、上記状況に鑑みて、本発明は高い拡散反射を実現した凹凸表面上のただ一枚の被覆による単純な構造で発色可能で、材料の環境負荷が小さく、材料のコストが低く、構造制御により発色を変化させることができ、見る角度に極端に依存しない明るい発色を示すことができる、表面凹凸を利用した構造色発色体およびその製造方法を提供することを目的とする。

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。

（１）構造色発色体において、アルミニュウム（Ａｌ）をターゲット材とする平行平板型スパッタリング装置を用いて、Ａｒをスパッタガスとし、基板温度、堆積時間を調整することによって得られるＡｌ膜は、その膜厚、表面凹凸形態が制御され、平坦表面のＡｌ膜と比較して紫外・可視・近赤外の光に対して低い垂直反射率と高い拡散反射率を示し、この上に更に、同様の装置を用いてＡｒ、Ｎ₂の混合ガスをスパッタガスとし、堆積時間を調整し、膜厚を制御した透明な窒化アルミニュウム（ＡｌＮ）を堆積することにより、多様な発色を実現した膜からなる。

（２）上記（１）記載の構造色発色体において、前記スパッタリング装置はＲＦスパッタリング装置であることを特徴とする。

（３）上記（１）記載の構造色発色体において、前記スパッタリング装置はＤＣスパッタリング装置であることを特徴とする。

（４）上記（１）記載の構造色発色体において、前記作製された膜は基板側では平坦表面のため金属光沢を有し、膜表面側では表面凹凸のため、光沢を持たない、柔らかな色で明るい発色をし、見る角度によってその発色効果が著しく低下しないことを特徴とする構造色発色体であることを特徴とする。

（５）上記（１）記載の構造色発色体において、前記作製された膜はＡｌＮの膜厚を変化させることで色を変化させることができることを特徴とする。

（６）上記（１）記載の構造色発色体の製造方法において、Ａｌをターゲット材とする平行平板形スパッタリング装置を用いて、Ａｒをスパッタガスとして形成した前記Ａｌ膜の上に、同様の平行平板型スパッタリング装置を用いて、Ａｒ、Ｎ₂の混合ガスをスパッタガスとし、その混合比、基板温度及び堆積時間（膜厚）を制御した透明な窒素アルミニュウム（ＡｌＮ）を堆積することを特徴とする。

本発明は上述のように構成したから、本発明によれば、用途としては広く着色を用いる分野、工業製品、工芸製品、医療製品、建材等の修飾、着色に応用できる。本発明にかかる構造色発色体はＡｌとＮのみを含んでおり、問題となる色素は含まれていない。即ち無毒性発色であり、環境負荷の小さい着色方法としても応用ができる。

また、本発明は高い拡散反射を実現した凹凸表面上のただ一枚の被覆による単純な構造で発色可能であり、作製が容易であって極めて実用性に秀れた表面凹凸を利用した構造色発色体の製造方法並びに表面凹凸を利用した構造色発色体となる。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

図１は本発明の実施例を示す平行平板型ＲＦスパッタリング装置を用いた構造色発色体の製造装置を示す模式図である。

この図において、１はＡｌターゲット、２はガラス基板、３はＡｒのみ又はＡｒ、Ｎ₂の混合ガスからなるスパッタガス、４はガラス基板上に形成される構造色発色体である。必要に応じてガラス基板は加熱することができる仕組みを有している。

図２は、本発明により作製される構造色発色体の積層構造を示す模式図である。

図２においてＡｌ下部反射膜およびＡｌ上部反射膜は図１の装置において、Ａｒのみをスパッタガスとして成膜される。それぞれの膜厚をｄ₁ ^Al、ｄ₂ ^Alとする。

図２においてＡｌＮ透明膜は図１の装置において、Ａｒ、Ｎ₂の混合ガスをスパッタガスとして成膜される。その膜厚をｄ^AlNとする。

Ａｌ膜は３００ｎｍの膜厚で透過率はほとんど無くなるので３００ｎｍ以上あれば十分である。そこでＡｌの膜厚を３００ｎｍに固定して、基板温度を３００Ｋから４７３Ｋの範囲で変化させると、図３に示すように表面凹凸が増大する。これに対応する垂直反射率（Ｒ₀）と拡散反射率（Ｒ_d）を図４（ａ）、４（ｂ）にそれぞれ示す。図４（ａ）の垂直反射率は基板温度（Ｔ_sub）増加とともに主に可視域で減少し、一方、図４（ｂ）の拡散反射率は基板温度（Ｔ_sub）増加とともに主に可視域で増加する。そして４７３Ｋで波長０．４から０．８μｍにおいて０．６から０．７程度の比較的平坦な拡散反射率を示す。このように、膜厚を一定にして、基板温度を変化させた場合、膜の表面凹凸は増加し、それに呼応して、可視域で垂直反射率が減少し、拡散反射が増加することが分かる。

更に、高い拡散反射率を実現するために、Ａｌ反射膜を二段階に分けて成膜することを考案した。つまり、例えばＡｌ反射膜の合計の膜厚を３００ｎｍ一定とし、下部Ａｌ反射膜の成膜温度を４７３Ｋとし、上部Ａｌ反射膜の成膜温度を３００Ｋとし、下部Ａｌ膜の膜厚をｄ₁ ^Al＝０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍと変化させて成膜を実行した。対応する表面形態の変化を図５（ａ）−５（ｄ）に示す。下部Ａｌの膜厚増加により表面凹凸が増大していることが分かる。この表面凹凸構造の変化に対応する垂直反射率（Ｒ₀）と拡散反射率（Ｒ_d）を図６（ａ）、６（ｂ）にそれぞれ示す。膜厚３００ｎｍ一定として基板温度だけを変化させた図４の場合と同様の傾向を示しているが、可視域の拡散反射率はｄ₁ ^Al＝２００ｎｍで更に大きくなっている。このときのＡｌ膜は金属光沢の無い、真っ白な発色を示す。

このようにして準備されたＡｌ反射膜に対して、透明なＡｌＮ膜を成膜した。ＡｒとＮ₂の混合比は全ガス圧力に対するＮ₂ガスの圧力の割合を１２％として成膜した。透明なＡｌＮ膜を膜厚（ｄ^AlN）４００ｎｍ堆積させた。図７（ａ）、７（ｂ）に、ＡｌＮを積む前のＡｌ反射膜の表面凹凸（図７（ａ））とＡｌＮを４００ｎｍ積んだ後の表面形態（図７（ｂ））を比較する。４００ｎｍのＡｌＮ膜堆積によって表面凹凸はほとんど変化しないことがわかる。

透明なＡｌＮ膜を膜厚（ｄ^AlN）４００ｎｍ堆積させる途中の膜厚における発色の様子を図８に示す。図８（ａ）は比較のために３００Ｋで３００ｎｍの厚さ成膜した平坦表面を持つＡｌの上に１００ｎｍの厚さＡｌＮを堆積したものである。少し青みがかっているが金属製の定規がきれいに写りこんでいる。これに対し、図８（ｂ）は４７３Ｋで下部Ａｌ膜を２００ｎｍ成膜し、更に３００Ｋで上部Ａｌ膜を１００ｎｍ堆積したものである。先に述べたように光沢の無い白い発色をしている。この上に、ＡｌＮを５０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、４００ｎｍそれぞれ堆積したものが図８（ｃ）、図８（ｄ）、図８（ｅ）、図８（ｆ）である。順に、小麦色、明るい水色、カーキー色、明るいスモモ色に変化している。これらの発色は光沢を持たない。

図８の変化に対応する垂直反射率（Ｒ₀）と拡散反射率（Ｒ_d）を図９（ａ）、９（ｂ）にそれぞれ示す。破線は図８（ａ）の平坦表面の試料に対応する。この場合は高い垂直反射率を示し拡散反射はほとんど無い。

一方、表面凹凸のある場合はＡｌＮ膜厚変化によって、垂直反射率よりは拡散反射率に干渉効果が現れている。

即ち、本発明は単なる平坦膜における干渉効果ではなく、凹凸表面上における干渉効果である。

なぜならば干渉効果は鏡面反射率には現れず、むしろ拡散反射に現れる。拡散反射率の測定が試料面にほぼ垂直に光を入射し、拡散反射光を積分球により測定していることを考えると、色の観測は、この観測の時の光路の逆の過程に対応している。即ち、試料に入射する照明光は通常の自然光ではいろいろな方向から入射し干渉効果を引き起こし、試料を見ている一つの方向に発色して見えるからであると考えられる。

また、上記実施例では、平行平板型ＲＦスパッタリング装置を用いたが、平行平板ＤＣスパッタリング装置を用いるようにしてもよい。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいた種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の実施例を示す平行平板型ＲＦスパッタリング装置を用いた表面凹凸を利用した構造色発色体の製造方法を示す模式図である。本発明にかかる表面凹凸を利用した構造色発色体の積層構造を示す模式図である。本発明にかかるＡｌの膜厚を３００ｎｍに固定して、基板温度を３００Ｋから４７３Ｋの範囲で変化させた場合の表面ＡＦＭ像の変化を示す図である。本発明にかかるＡｌの膜厚を３００ｎｍに固定して、基板温度（Ｔ_sub）を３００Ｋから４７３Ｋの範囲で変化させた場合の、（ａ）：垂直反射率（Ｒ₀）と（ｂ）：拡散反射率（Ｒ_d）の波長依存性の変化を示す図である。本発明にかかるＡｌ反射膜の合計の膜厚を３００ｎｍ一定とし、下部Ａｌ反射膜の成膜温度を４７３Ｋとし、上部Ａｌ反射膜の成膜温度を３００Ｋとし、下部Ａｌ膜の膜厚をｄ₁ ^Al＝０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍと変化させて成膜場合の表面形態の変化示す図である。（ａ）：０ｎｍ、（ｂ）：１００ｎｍ、（ｃ）：２００ｎｍ、（ｄ）：３００ｎｍ。本発明にかかるＡｌ反射膜の合計の膜厚を３００ｎｍ一定とし、下部Ａｌ反射膜の成膜温度を４７３Ｋとし、上部Ａｌ反射膜の成膜温度を３００Ｋとし、下部Ａｌ膜の膜厚をｄ₁ ^Al＝０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍと変化させて成膜場合の（ａ）：垂直反射率（Ｒ₀）と（ｂ）：拡散反射率（Ｒ_d）の波長依存性の変化を示す図である。本発明にかかる（ａ）：ＡｌＮを積む前のＡｌ反射膜の表面凹凸と（ｂ）：ＡｌＮを４００ｎｍ積んだ後の表面ＡＦＭ像の比較を示す図である。本発明にかかる凹凸の有無、凹凸のある場合のＡｌＮ膜厚の違いによる発色の比較を示す図である。（ａ）：３００Ｋで３００ｎｍの厚さ成膜した平坦表面を持つＡｌの上に１００ｎｍの厚さＡｌＮを堆積したもの。（ｂ）：４７３Ｋで下部Ａｌ膜を２００ｎｍ成膜し、更に３００Ｋで上部Ａｌ膜を１００ｎｍ堆積したもの。（ｂ）のＡｌ膜の上にＡｌＮを（ｃ）：５０ｎｍ、（ｄ）：１００ｎｍ、（ｅ）：２００ｎｍ、（ｆ）：４００ｎｍそれぞれ堆積したもの。本発明にかかる図８に示した試料に対応する（ａ）：垂直反射率（Ｒ₀）と（ｂ）：拡散反射率（Ｒ_d）の波長依存性を示す。

Claims

Ａｌをターゲット材とする平行平板型スパッタリング装置を用いて、Ａｒをスパッタガスとし、基板温度、堆積時間を調整することによって、膜厚、表面凹凸形態が制御され、平坦表面のＡｌ膜と比較して紫外・可視・近赤外の光に対して低い垂直反射率と高い拡散反射率とを示すＡｌ膜を形成し、この上に更に、同様の平行平板型スパッタリング装置を用いてＡｒ、Ｎ₂の混合ガスをスパッタガスとし、堆積時間を調整し、膜厚を制御した透明な窒化アルミニュウム（ＡｌＮ）を堆積することにより、多様な色で且つ平坦表面のＡｌ膜と比較して高い拡散反射率を有し発色効果の角度依存性の低い発色を実現した膜を得ることを特徴とする表面凹凸を利用した構造色発色体の製造方法。
前記スパッタリング装置をＲＦスパッタリング装置としたことを特徴とする請求項１記載の表面凹凸を利用した構造色発色体の製造方法。
前記スパッタリング装置をＤＣスパッタリング装置としたことを特徴とする請求項１記載の表面凹凸を利用した構造色発色体の製造方法。
前記作製された膜は基板側では平坦表面のため金属光沢を有し、膜表面側では表面凹凸のため、光沢を持たない、柔らかな発色をし、見る角度による発色効果の低下が前記膜の基板側の平坦表面と比較して少ないように作製したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面凹凸を利用した構造色発色体の製造方法。
前記ＡｌＮの膜厚を変化させることで色調を変化させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面凹凸を利用した構造色発色体の製造方法。
Ａｌをターゲット材とする平行平板形スパッタリング装置を用いて、Ａｒをスパッタガスとして形成した前記Ａｌ膜の上に、同様の平行平板型スパッタリング装置を用いてＡｒ、Ｎ₂の混合ガスをスパッタガスとし、その混合比、基板温度及び堆積時間（膜厚）を制御した透明な窒素アルミニュウム（ＡｌＮ）を堆積することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の表面凹凸を利用した構造色発色体の製造方法。
Ａｌをターゲット材とする平行平板型スパッタリング装置を用いて形成されるものであって、Ａｒをスパッタガスとし、基板温度、堆積時間を調整することによって、膜厚、表面凹凸形態を制御して、平坦表面のＡｌ膜と比較して紫外・可視・近赤外の光に対して低い垂直反射率と高い拡散反射率とを示すＡｌ膜の上に、Ａｒ、Ｎ₂の混合ガスをスパッタガスとし、堆積時間を調整し、膜厚を制御した透明な窒化アルミニュウム（ＡｌＮ）を堆積した構成として、多様な色で且つ平坦表面のＡｌ膜と比較して高い拡散反射率を有し発色効果の角度依存性の低い発色を実現した膜としたことを特徴とする表面凹凸を利用した構造色発色体。
前記Ａｌ膜とＡｌＮとで形成した膜は、基板側では平坦表面として金属光沢を有し、膜表面側では表面凹凸を有して光沢を持たない、柔らかな発色をし、見る角度による発色効果の低下が前記膜の基板側の平坦表面と比較して少ないように構成したことを特徴とする請求項７記載の表面凹凸を利用した構造色発色体。