JP4454770B2 - 三次元周期構造体およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶を構成する三次元周期構造体およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
屈折率が周期的に変化する三次元周期構造体は、電磁波に対する干渉作用を示し、特定の周波数領域の電磁波の通過を禁止する。すなわち、特定の波長の光を遮蔽することができる。この場合の禁止帯はフォトニックバンドギャップと呼ばれ、三次元周期構造体はフォトニック結晶と呼ばれる。また、特定の波長の電磁波を遮蔽する効果はフォトニックバンドギャップ効果と呼ばれる。このような三次元周期構造体は、高効率半導体レーザ素子や光導波路等の光デバイスへの応用が期待されている。
【０００３】
例えばE.Yablonovitch, “Photonic band-gap structures”,J. Opt.Soc. Am B, vol.10, no.2,pp.283-295, 1993に三次元周期構造体の構成例が提案されている。また、特開平１０−３３５７５８号公報には、スパッタエッチングを用いて１μｍ程度またはそれ以下の周期を有する三次元周期構造体を作製する方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、所望の屈折率および所望の三次元的周期を有する構造を容易に作製できる技術が確立されていないため、三次元周期構造体を応用したデバイスは実用化されていない。特に、ミリ波領域からマイクロ波領域の電磁波を制御可能な三次元周期構造体の構造および作製方法については開発されていない。
【０００５】
高速大容量の通信に適した通信インフラストラクチャを構築するためには、ミリ波帯またはマイクロ波帯の通信の高性能化を図る必要がある。しかし、電磁波の発振出力が数ワットになると、電磁障害が発生する可能性があるので、通信の高性能化および電磁障害防止の両立性を確保する必要があり、電磁障害防止機能を備えた高性能通信機器が求められる。
【０００６】
また、人工衛星や飛行船を中継基地とする高速大容量通信システム、グローバル移動体通信システム、および高度道路交通システムでは、ミリ波帯またはマイクロ波帯の通信を行う安価な高性能小型通信機器が大量に必要とされ、しかも電磁障害を防止する必要も生じる。
【０００７】
したがって、光領域のみならず、ミリ波領域からマイクロ波領域の電磁波を制御するデバイスが望まれる。
【０００８】
本発明者は、光造形法を用いて樹脂およびセラミックス粒子の混合物により形成される複数の単位構成要素を三次元周期的に組み合わせることにより三次元周期構造体を作製する方法を提案している。
【０００９】
この作製方法により作製された三次元周期構造体においては、単位構成要素が樹脂およびセラミックス粒子の混合物により形成されるため、樹脂およびセラミックス粒子の配分比率を調整することにより、単位構成要素の誘電率を容易に調整することができる。それにより、単位構成要素の屈折率を任意に調整することができる。また、複数の単位構成要素を任意に組み合わせることができる。
【００１０】
したがって、任意の波長に対応したフォトニックバンドギャップ効果を得ることが可能になり、任意の波長を有する電磁波を完全に遮蔽することができる。その結果、電磁波の波長選択性および指向性が得られ、かつ電磁波放射の高性能化およびエネルギー利用効率の向上が可能となる。また、電磁波漏洩および電磁波障害の防止が図られる。
【００１１】
このようにして、三次元周期構造体を応用したデバイスの実用化が可能となる。しかしながら、より高い誘電率を有する三次元周期構造体を容易かつ安価に実現することが望まれる。
【００１２】
本発明の目的は、高い誘電率を有し、容易かつ安価に製造可能な三次元周期構造体を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、高い誘電率の三次元周期構造体を容易かつ安価に製造することが可能な製造方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明者は、高い誘電率を有する三次元周期構造体をより容易かつ安価に製造可能にすべく、単位構成要素を形成するための樹脂および粒子の材料および形態を種々検討しかつ実験した結果、複数種類の誘電体材料を複合化することにより樹脂組成物の硬化反応を良好に維持しつつ単位構成要素を容易に形成することができるという研究知見を得た。そして、その研究知見に基づいて以下の発明を案出した。
【００１５】
（１）第１の発明に係る三次元周期構造体は、光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される複数の棒形状の単位構成要素を備え、誘電体粒子は、第１の誘電体材料からなる粒子の表面が第２の誘電体材料からなる複数の粒子で取り囲まれてなる二次粒子であり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有するセラミックスであり、第２の誘電体材料は、ガラスまたはポリマであり、複数の単位構成要素が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第１の二次元基本構造体と、複数の単位構成要素が第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第２の二次元基本構造体とが交互に積層されることにより、複数の単位構成要素が三次元周期的に組み合わされたものである。
【００１８】
この発明に係る三次元周期構造体においては、単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。複合体としての誘電体粒子は第１の誘電体材料からなる粒子の表面が第２の誘電体材料からなる複数の粒子で取り囲まれてなる二次粒子であり、この二次粒子を構成する第１の誘電体材料はセラミックスであり、第２の誘電体材料はガラスまたはポリマである。この場合、ガラスまたはポリマは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、樹脂組成物の硬化反応を良好に維持することができる。したがって、セラミックスとして高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
（２）第２の発明に係る三次元周期構造体は、光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される複数の棒形状の単位構成要素を備え、誘電体粒子は、第１の誘電体材料からなる粒子の表面が第２の誘電体材料からなる複数の粒子で取り囲まれてなる二次粒子であり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有し、第２の誘電体材料は、酸化シリコンであり、複数の単位構成要素が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第１の二次元基本構造体と、複数の単位構成要素が第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第２の二次元基本構造体とが交互に積層されることにより、複数の単位構成要素が三次元周期的に組み合わされたものである。
この発明に係る三次元周期構造体においては、単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。複合体としての誘電体粒子は第１の誘電体材料からなる粒子の表面が第２の誘電体材料からなる複数の粒子で取り囲まれてなる二次粒子であり、この二次粒子を構成する第２の誘電体材料は酸化シリコンである。酸化シリコンは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、第１の誘電体材料として高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
（３）第３の発明に係る三次元周期構造体は、光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される複数の棒形状の単位構成要素を備え、誘電体粒子は、第１の誘電体材料からなる粒子が第２の誘電体材料の溶融凝固体中に混入されてなる二次粒子であり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有するセラミックスであり、第２の誘電体材料は、ガラスまたはポリマであり、複数の単位構成要素が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第１の二次元基本構造体と、複数の単位構成要素が第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第２の二次元基本構造体とが交互に積層されることにより、複数の単位構成要素が三次元周期的に組み合わされたものである。
この発明に係る三次元周期構造体においては、単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。複合体としての誘電体粒子は第２の誘電体材料の溶融凝固体中に第１の誘電体材料からなる粒子が混入されてなる二次粒子であり、この二次粒子を構成する第１の誘電体材料はセラミックスであり、第２の誘電体材料はガラスまたはポリマである。この場合、ガラスまたはポリマは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、樹脂組成物の硬化反応を良好に維持することができる。したがって、セラミックスとして高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
（４）第４の発明に係る三次元周期構造体は、光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される複数の棒形状の単位構成要素を備え、誘電体粒子は、第１の誘電体材料からなる粒子が第２の誘電体材料の溶融凝固体中に混入されてなる二次粒子であり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有し、第２の誘電体材料は、酸化シリコンであり、複数の単位構成要素が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第１の二次元基本構造体と、複数の単位構成要素が第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第２の二次元基本構造体とが交互に積層されることにより、複数の単位構成要素が三次元周期的に組み合わされたものである。
この発明に係る三次元周期構造体においては、単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。複合体としての誘電体粒子は第２の誘電体材料の溶融凝固体中に第１の誘電体材料からなる粒子が混入されてなる二次粒子であり、この二次粒子を構成する第２の誘電体材料は酸化シリコンである。酸化シリコンは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、第１の誘電体材料として高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
【００１９】
上記のように、第１〜第４の発明に係る三次元周期構造体においては、三次元周期構造体の誘電率を高めることにより、三次元周期構造体の周期を短くすることが可能となる。それにより、三次元周期構造体により実現されるフォトニック結晶デバイスの小型化および軽量化が可能となる。
なお、第１〜第４の発明における樹脂組成物および誘電体粒子の混合物の硬化方法においては、光によって硬化が行われる。ここで、光とは、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線、電子線、α線、β線、γ線等である。硬化方法としては、特に紫外線による硬化が好ましい。
電磁波の波長λは、ｋＣ／ｆで表される。ここで、ｋは定数、Ｃは電磁波の伝播する速さ、ｆは電磁波の周波数である。波長λの電磁波に対してフォトニックバンドギャップ効果を発現する三次元周期構造体の周期ｄはλ／２ｎに比例する。ｎは三次元周期構造体の単位構成要素の材質の光学的屈折率である。この屈折率ｎは材質の比誘電率εの平方根に比例するので、周期ｄはλ／２√εに比例する。このような関係から、三次元周期構造体が有する固有の誘電率を選択するとともに周期を調整することにより、特定の波長に対応したフォトニックバンドギャップ効果を得ることが可能となる。
【００２０】
また、複合体を構成する誘電体材料の配分比率または樹脂組成物および複合体の配分比率を調整することにより、単位構成要素の誘電率を容易に調整することができる。それにより、単位構成要素の屈折率を任意に調整することができる。また、複数の単位構成要素の周期を任意に設定し、複数の単位構成要素を組み合わせることができる。
【００２１】
したがって、任意の波長に対応したフォトニックバンドギャップ効果を得ることが可能になり、任意の波長を有する電磁波を完全に遮蔽することができる。その結果、電磁波の波長選択性および指向性が得られ、かつ電磁波放射の高性能化およびエネルギー利用効率の向上が可能となる。また、電磁波漏洩および電磁波障害の防止が図られる。
【００２２】
また、単位構成要素の材料として複数種類の誘電体材料の複合体と樹脂組成物との混合物を用いているので、加工または成形が容易であり、製造コストが安くなる。
【００２３】
このように、高い誘電率を有し、容易かつ安価に製造可能な三次元周期構造体が実現される。
【００２４】
複数の単位構成要素は光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される。この場合、光造形法により三次元周期構造体を形成することができる。
【００２５】
単位構成要素は棒状体であり、複数の棒状体が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる二次元基本構造体と、複数の棒状体が第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる二次元基本構造体とが交互に積層されている。この場合、棒状体からなる単位構成要素を三次元周期的に容易に組み合わせることができる。また、二次元基本構造体を構成する複数の単位構成要素の配列周期および複数の二次元基本構造体の積層周期を調整することにより、フォトニックバンドギャップ効果を発現する電磁波の波長を容易に制御することができる。
【００３７】
三次元周期構造体が、少なくとも一方向において他の部分と周期性が異なる部分を含んでもよい。この場合、特定の波長を有する電磁波を遮蔽するとともに、他の波長を有する電磁波を透過させることができる。それにより、導波路または共振器を構成することが可能となる。
三次元周期構造体が０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の周期を有してもよい。この場合、通信に使用される電磁波に対してフォトニックバンドギャップ効果を得ることができる。したがって、三次元周期構造体を通信に使用される電磁波を制御するデバイスに応用することができる。
【００３８】
特に、三次元周期構造の周期が１ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定された場合、ミリ波領域からマイクロ波領域の電磁波を制御するデバイスへの応用が可能となる。
（５）第１の誘電体材料は、酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、酸化タンタル、酸化鉛および酸化バリウムよりなる群から選択された１または複数のセラミックスであってもよい。酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、酸化タンタル、酸化鉛および酸化バリウムのうち２以上の化合物の混合物または固溶体を用いてもよい。酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、酸化タンタル、酸化鉛および酸化バリウムは高い誘電率を有するので、第２の誘電体材料として樹脂組成物の硬化反応を妨げない材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
【００３９】
（６）第５の発明に係る三次元周期構造体の製造方法は、第１の誘電体材料からなる粒子の表面を第２の誘電体材料からなる複数の粒子で被覆して二次粒子である誘電体粒子を作製する工程と、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物を生成する工程と、混合物を光造形法により棒形状に硬化させることにより第１の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第１の二次元基本構造体と、第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第２の二次元基本構造体とを、交互に積層して複数の単位構成要素を三次元周期的に組み合わせる工程とを備えるものであり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有するセラミックスであり、第２の誘電体材料は、ガラスまたはポリマである。
【００４０】
この発明に係る三次元周期構造体の製造方法においては、第１の誘電体材料からなる粒子の表面を第２の誘電体材料からなる複数の粒子で被覆して二次粒子である誘電体粒子が作製され、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物が生成され、混合物が光造形法により棒形状に硬化される。このようにして、複数の単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。誘電体粒子は第１の誘電体材料からなる粒子の表面が第２の誘電体材料からなる複数の粒子で被覆された二次粒子であり、この二次粒子を構成する第１の誘電体材料はセラミックスであり、第２の誘電体材料はガラスまたはポリマである。この場合、ガラスまたはポリマは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、樹脂組成物の硬化反応を良好に維持することができる。したがって、セラミックスとして高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
（７）第６の発明に係る三次元周期構造体の製造方法は、第１の誘電体材料からなる粒子の表面を第２の誘電体材料からなる複数の粒子で被覆して二次粒子である誘電体粒子を作製する工程と、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物を生成する工程と、混合物を光造形法により棒形状に硬化させることにより第１の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第１の二次元基本構造体と、第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第２の二次元基本構造体とを、交互に積層して複数の単位構成要素を三次元周期的に組み合わせる工程とを備えるものであり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有し、第２の誘電体材料は、酸化シリコンである。
この発明に係る三次元周期構造体の製造方法においては、第１の誘電体材料からなる粒子の表面を第２の誘電体材料からなる複数の粒子で被覆して二次粒子である誘電体粒子が作製され、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物が生成され、混合物が光造形法により棒形状に硬化される。このようにして、複数の単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。誘電体粒子は第１の誘電体材料からなる粒子の表面が第２の誘電体材料からなる複数の粒子で被覆された二次粒子であり、この二次粒子を構成する第２の誘電体材料は酸化シリコンである。酸化シリコンは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、第１の誘電体材料として高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
（８）第７の発明に係る三次元周期構造体の製造方法は、第１の誘電体材料からなる粒子を第２の誘電体材料の溶融凝固体内に混合して二次粒子である誘電体粒子を作製する工程と、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物を生成する工程と、混合物を光造形法により棒形状に硬化させることにより第１の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第１の二次元基本構造体と、第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第２の二次元基本構造体とを、交互に積層して複数の単位構成要素を三次元周期的に組み合わせる工程とを備えるものであり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有するセラミックスであり、第２の誘電体材料は、ガラスまたはポリマである。
この発明に係る三次元周期構造体の製造方法においては、第１の誘電体材料からなる粒子を第２の誘電体材料の溶融凝固体内に混合して二次粒子である誘電体粒子が作製され、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物が生成され、混合物が光造形法により棒形状に硬化される。このようにして、複数の単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。誘電体粒子は第２の誘電体材料の溶融凝固体中に第１の誘電体材料からなる粒子が混入されてなる二次粒子であり、この二次粒子を構成する第１の誘電体材料はセラミックスであり、第２の誘電体材料はガラスまたはポリマである。この場合、ガラスまたはポリマは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、樹脂組成物の硬化反応を良好に維持することができる。したがって、セラミックスとして高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
（９）第８の発明に係る三次元周期構造体の製造方法は、第１の誘電体材料からなる粒子を第２の誘電体材料の溶融凝固体内に混合して二次粒子である誘電体粒子を作製する工程と、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物を生成する工程と、混合物を光造形法により棒形状に硬化させることにより第１の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第１の二次元基本構造体と、第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第２の二次元基本構造体とを、交互に積層して複数の単位構成要素を三次元周期的に組み合わせる工程とを備えるものであり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有し、第２の誘電体材料は、酸化シリコンである。
この発明に係る三次元周期構造体の製造方法においては、第１の誘電体材料からなる粒子を第２の誘電体材料の溶融凝固体内に混合して二次粒子である誘電体粒子が作製され、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物が生成され、混合物が光造形法により棒形状に硬化される。このようにして、複数の単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。誘電体粒子は第２の誘電体材料の溶融凝固体中に第１の誘電体材料からなる粒子が混入されてなる二次粒子であり、この二次粒子を構成する第２の誘電体材料は酸化シリコンである。酸化シリコンは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、第１の誘電体材料として高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
【００４１】
上記のように、第５〜第８の発明においては、三次元周期構造体の誘電率を高めることにより、三次元周期構造体の周期を短くすることが可能となる。それにより、三次元周期構造体により実現されるフォトニック結晶デバイスの小型化および軽量化が可能となる。
【００４２】
また、単位構成要素が複数種類の誘電体材料の複合体と樹脂組成物との混合物を硬化させることにより形成されるので、複合体を構成する誘電体材料の配分比率または樹脂組成物および複合体の配分比率を調整することにより、単位構成要素の誘電率を容易に調整することができる。それにより、単位構成要素の屈折率を任意に調整することができる。
【００４３】
したがって、任意の波長に対応したフォトニックバンドギャップ効果を得ることが可能になり、任意の波長を有する電磁波を完全に遮蔽することができる。その結果、電磁波の波長選択性および指向性が得られ、かつ電磁波放射の高性能化およびエネルギー利用効率の向上が可能となる。また、電磁波漏洩および電磁波障害の防止が図られる。
また、単位構成要素の材料として複数種類の誘電体材料の複合体と樹脂組成物との混合物を用いているので、加工または成形が容易であり、製造コストが安くなる。
このように、高い誘電率を有し、容易かつ安価に製造可能な三次元周期構造体が実現される。
複数の単位構成要素は光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される。この場合、光造形法により三次元周期構造体を形成することができる。
単位構成要素は棒状体であり、複数の棒状体が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる二次元基本構造体と、複数の棒状体が第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる二次元基本構造体とが交互に積層される。この場合、棒状体からなる単位構成要素を三次元周期的に容易に組み合わせることができる。また、二次元基本構造体を構成する複数の単位構成要素の配列周期および複数の二次元基本構造体の積層周期を調整することにより、三次元周期を任意に設定することができ、フォトニックバンドギャップ効果を発現する電磁波の波長を容易に制御することができる。
したがって、任意の波長に対応したフォトニックバンドギャップ効果を得ることができる。
さらに、単位構成要素の材料として複数種類の誘電体材料の複合体と樹脂組成物との混合物を用いているので、加工または成形が容易であり、製造コストが安くなる。
これらの結果、高い誘電率の三次元周期構造体を容易かつ安価に製造することができる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例における三次元周期構造体の形成に用いるセラミックス二次粒子の第１の例を示す模式図である。
【００４８】
図１において、第１のセラミックスからなる粒子２０１の外周面を第２のセラミックスからなる複数の粒子２０２で被覆することにより、セラミックス二次粒子２００が構成される。第１のセラミックスはＴｉＯ2 （酸化チタン）、ＳｒＴｉＯ3 （チタン酸ストロンチウム）、ＢａＴｉＯ3 （チタン酸バリウム）、Ｔａ2 Ｏ5 （酸化タンタル）等からなり、第２のセラミックスはＳｉＯ2 （酸化シリコン）等からなる。また、第１のセラミックスとして、ＴｉＯ2 、ＳｒＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＰｂＯ（酸化鉛）およびＢａＯ（酸化バリウム）のうち２以上の化合物の固溶体または混合物を用いてもよい。このセラミックス二次粒子２００は、気相反応法、アトマイズ法等により形成することができる。
【００４９】
図２は本発明の一実施例における三次元周期構造体の形成に用いるセラミックス二次粒子の第２の例を示す模式図である。
【００５０】
図２において、第１のセラミックスからなる粒子２１１と第２のセラミックスからなる粒子２１２とを混合して焼結することにより、セラミックス二次粒子２１０が構成される。第１のセラミックスはＴｉＯ2 、ＳｒＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、またはＴａ2 Ｏ5 等からなり、第２のセラミックスはＳｉＯ2 等からなる。また、第１のセラミックスとして、ＴｉＯ2 、ＳｒＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＰｂＯおよびＢａＯのうち２以上の化合物の固溶体または混合物を用いてもよい。このセラミックス二次粒子２１０は、アトマイズ法等により形成することができる。
【００５１】
図３は本発明の一実施例における三次元周期構造体の形成に用いるセラミックス二次粒子の第３の例を示す模式図である。
【００５２】
図３において、第２のセラミックスの溶融凝固体２２２中に第１のセラミックスからなる粒子２２１を混入させることにより、セラミックス二次粒子２２０が構成される。第１のセラミックスはＴｉＯ2 、ＳｒＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、またはＴａ2 Ｏ5 等からなり、第２のセラミックスはＳｉＯ2 等からなる。第１のセラミックスとして、ＴｉＯ2 、ＳｒＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＰｂＯおよびＢａＯのうち２以上の化合物の固溶体または混合物を用いてもよい。このセラミックス二次粒子２２０は、溶融凝固法により形成することができる。
【００５３】
ここで、ＳｉＯ2 等の第２のセラミックスは比較的低い誘電率を有するが、樹脂の硬化反応を妨げない。一方、ＴｉＯ2 、ＳｒＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＰｂＯ、またはＢａＯ等の第１のセラミックスは高い誘電率を有する。したがって、第１のセラミックスと第２のセラミックスと複合化してセラミックス二次粒子を構成した場合、樹脂の硬化反応を損なうことなく高い誘電率を有する混合物を得ることができる。
【００５４】
図１の例において、第１のセラミックスからなる粒子２０１として誘電率が約１２５で比重が約４のＴｉＯ2 粒子を用い、第２のセラミックスからなる粒子２０２として誘電率が約３．９で比重が約２．３のＳｉＯ2 粒子を用いることにより、直径５μｍ程度のセラミックス二次粒子２００を形成した。
【００５５】
図４はこのようにして形成されたセラミックス二次粒子２００の顕微鏡写真を示す。このセラミックス二次粒子２００の代表的な誘電率は約５２となり、比重は約３となる。このときのＴｉＯ2 粒子の体積分率は約４０体積％であり、ＳｉＯ2 粒子の体積分率は約６０体積％である。このようにＴｉＯ2 粒子およびＳｉＯ2 粒子を複合化してセラミックス二次粒子を形成した場合、ＳｉＯ2 粒子を単独で用いる場合に比べて高い誘電率を得ることができる。
【００５６】
このようにして形成されたセラミックス二次粒子を樹脂組成物中に均一に分散させた混合物により以下に示す方法で三次元周期構造体を製造することができる。
【００５７】
図５は本発明の一実施例における三次元周期構造体の平面図、図６は図５の三次元周期構造体の正面図、図７は図５の三次元周期構造体の側面図である。図５〜図７の三次元周期構造体は、立方格子構造を有する。
【００５８】
四角形の断面形状を有する複数の棒状体１１が周期ｄで平行にかつ等間隔で配置される。それにより、第１層目の二次元基本構造体２１が形成される。第１層目の二次元基本構造体２１上に、複数の棒状体１１が周期ｄで平行にかつ等間隔で配置される。それにより、第２層目の二次元基本構造体２２が形成される。第２層目の二次元基本構造体２２の棒状体１１は、第１層目の二次元基本構造体２１の棒状体１１と直角に交わるように配置される。
【００５９】
第２層目の二次元基本構造体２２上に、複数の棒状体１１が周期ｄで平行にかつ等間隔で配置される。それにより、第３層目の二次元基本構造体２３が形成される。第３層目の二次元基本構造体２３の棒状体１１は、第２層目の二次元基本構造体２２の棒状体１１と直角に交わり、かつ第１層目の二次元基本構造体２１の棒状体１１に対して２分の１周期（ｄ／２）ずれた位置に配置される。
【００６０】
第３層目の二次元基本構造体２３上に、複数の棒状体１１が周期ｄで平行にかつ等間隔で配置される。それにより、第４層目の二次元基本構造体２４が形成される。第４層目の二次元基本構造体２４の棒状体１１は、第３層目の二次元基本構造体２３の棒状体１１と直角に交わり、かつ第２層目の二次元基本構造体２２の棒状体１１に対して２分の１周期（ｄ／２）ずれた位置に配置される。
【００６１】
第１層目の二次元基本構造体２１を構成する棒状体１１の本数は、第３層目の二次元基本構造体２３を構成する棒状体１１の本数よりも１本少なく、第４層目の二次元基本構造体２４を構成する棒状体１１の本数は、第２層目の二次元基本構造体２２を構成する棒状体１１の本数よりも１本少ない。
【００６２】
以下同様にして、第１層目の二次元基本構造体２１、第２層目の二次元基本構造体２２、第３層目の二次元基本構造体２３および第４層目の二次元基本構造体２４が所定の回数繰り返し順次積層される。
【００６３】
各棒状体１１は、樹脂組成物中に図１、図２または図３に示したセラミックス二次粒子を均一に分散させた混合物を硬化させることにより形成される。樹脂としては、例えばエポキシ系樹脂、アクリレート系樹脂等の種々の合成樹脂を用いることができる。
【００６４】
図８は図５〜図７の三次元周期構造体を構成する二次元基本構造体の１つの棒状体の端部の一部切欠き平面図である。
【００６５】
図８に示すように、棒状体１１を構成する樹脂３００中にセラミックス二次粒子２００が均一に分散していることが分かる。
【００６６】
ここで、棒状体１１の誘電率をε１とする。隣り合う棒状体１１間には空間２０が存在する。空間２０の誘電率をε２とする。これにより、誘電率ε１の棒状体１１と誘電率ε２の空間２０とが三次元的かつ連続的に配置された格子状の周期的な繰り返し構造が得られる。
【００６７】
ＴｉＯ2 からなる粒子２０１の表面をＳｉＯ2 からなる粒子２０２で被覆することにより図１のセラミックス二次粒子２００を形成し、セラミックス二次粒子２００をエポキシ樹脂組成物中に均一に分散させた混合物を用いて二次元基本構造体２１，２２，２３，２４を作製した場合、それらの二次元基本構造体２１，２２，２３，２４の誘電率は約１１程度となる。このように、高誘電率のフォトニック結晶を構成する三次元周期構造体を作製することができる。
【００６８】
このように、三次元周期構造体の誘電率を高めることにより、三次元周期構造体の周期を短くすることが可能となる。それにより、三次元周期構造体により実現されるフォトニック結晶デバイスの小型化および軽量化が可能となる。
【００６９】
各棒状体１１の寸法は任意に設定することができ、本実施例では、例えば１ｍｍ×１ｍｍ×５０ｍｍとする。また、周期ｄは任意に設定することができ、本実施例では、周期ｄを０．１ｍｍ〜３０ｍｍに設定する。一例として、周期ｄを２ｍｍとする。
【００７０】
なお、本実施例では、四角形の断面形状を有する棒状体１１を用いているが、棒状体１１の断面形状は円形等の他の形状であってもよい。また、本実施例では、三次元周期構造として立方格子構造を用いているが、立方格子構造に限らず三次元周期性を有する他の結晶構造を用いてもよい。
【００７１】
本実施例の三次元周期構造体１においては、セラミックス二次粒子を構成する第１のセラミックスからなる粒子および第２のセラミックスからなる粒子の配分比率または樹脂組成物およびセラミックス二次粒子の配分比率を調整することにより、棒状体１１の誘電率を容易に調整することができる。それにより、棒状体１１の屈折率を任意に調整することができる。また、棒状体１１の間隔を任意に設定することにより、周期ｄを任意に設定することができる。したがって、任意の波長に対応したフォトニックバンドギャップ効果を得ることが可能になり、特定の波長を有する電磁波を完全に遮蔽することができる。
【００７２】
特に、周期ｄを１ｍｍから３ｍｍに設定した場合、周波数２ＧＨｚ〜８０ＧＨｚの帯域の電磁波を制御することが可能となる。
【００７３】
また、棒状体１１が樹脂組成物およびセラミックス二次粒子の混合物を硬化させることにより形成されるので、加工および成形が容易であり、製造コストが安くなる。
【００７４】
図９は図５〜図７の三次元周期構造体の製造方法の一例を示す模式的断面図、図１０は図５〜図７の三次元周期構造体の製造方法の一例を示す模式的斜視図である。以下、図９および図１０を参照しながら図５〜図７の三次元周期構造体の製造方法の一例について説明する。ここでは、液状の光硬化性樹脂組成物の感光反応を利用した光造形法を用いる。
【００７５】
図９および図１０において、矢印Ｘおよび矢印Ｙは平面内で互いに直交する２方向を示し、矢印Ｚは鉛直方向を示す。
【００７６】
光硬化性樹脂としてはエポキシ系光硬化性樹脂、アクリレート系光硬化性樹脂等を用いる。この光硬化性樹脂中に図１、図２または図３に示したセラミックス二次粒子を混合し分散させる。
【００７７】
まず、図９（ａ）および図１０（ａ）に示すように、テーブル５０上に所定の厚み分の液状の光硬化性樹脂組成物が膜状に供給されるように、テーブル５０を光硬化性樹脂組成物１０に浸漬させる。この状態で、紫外線レーザ光３０を矢印Ｘの方向に走査させる。それにより、紫外線レーザ光３０の被照射部分の光硬化性樹脂組成物が硬化し、棒状体１１が形成される。紫外線レーザ光３０を矢印Ｘの方向と平行に繰り返し走査させることにより、矢印Ｘの方向に平行な複数の棒状体１１を所定間隔で形成する。これにより、テーブル５０上に第１層目の二次元基本構造体が形成される。
【００７８】
次に、図９（ｂ）および図１０（ｂ）に示すように、テーブル５０を所定の厚み分矢印Ｚの方向に下降させる。それにより、テーブル５０上に形成された第１層目の二次元基本構造体上に所定の厚み分の液状の光硬化性樹脂組成物が供給される。この状態で、紫外線レーザ光３０を矢印Ｙの方向に走査させる。それにより、紫外線レーザ光３０の被照射部分の光硬化性樹脂組成物が硬化し、棒状体１１が形成される。紫外線レーザ光３０を矢印Ｙの方向と平行に繰り返し走査させることにより、矢印Ｙと平行な複数の棒状体１１が形成される。それにより、第１層目の二次元基本周期構造体上に第２層目の二次元基本構造体が形成される。
【００７９】
同様にして、テーブル５０を矢印Ｚの方向に下降させ、紫外線レーザ光３０を矢印Ｘの方向に平行に繰り返し走査させることにより、第３層目の二次元基本構造体を形成し、さらにテーブル５０を矢印Ｚの方向に下降させ、紫外線レーザ光３０を矢印Ｙの方向に平行に繰り返し走査させることにより、第４層目の二次元基本構造体を形成する。
【００８０】
以下同様にして、第１層目、第２層目、第３層目および第４層目の二次元基本構造体を所定の回数繰り返し順次積層する。
【００８１】
このような光造形法を用いると、０．１ｍｍ〜３０ｍｍの周期ｄを有する三次元周期構造体１を容易に作製することができる。
【００８２】
なお、樹脂組成物中に高い誘電率を有するセラミックス粒子を単独で分散させて混合した場合、セラミックス粒子の比重、大きさ、樹脂組成物中のセラミックス粒子の分量、樹脂組成物の光硬化反応におけるセラミックス粒子の光透過特性および反射特性等の種々の条件に起因して、樹脂組成物の光硬化反応を良好に維持することが困難になる場合が生じる。
【００８３】
これに対して、図１〜図３に示したセラミックス二次粒子２００，２１０，２２０を樹脂組成物中に分散させて混合した場合には、第２のセラミックスからなる粒子２０２，２１２または第２のセラミックスの溶融凝固体２２２の働きにより樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく三次元周期構造体を形成することが可能となる。
【００８４】
図１〜図３の例では、二次粒子を構成する誘電体材料としてセラミックスを用いているが、セラミックスに限らず他の誘電体材料を用いてもよい。この場合、第２の誘電体材料としては、光透過特性が良好であり、光硬化性樹脂組成物の光硬化反応性を妨げず、光硬化性樹脂組成物の混合物として流動性に優れた材料を選択することが好ましい。例えば、第２の誘電体材料としてガラスを用いることができ、あるいはラテックス、アクリル等のポリマを用いることができる。この場合、図１の第２のセラミックスからなる粒子２０２、図２のセラミックスからなる粒子２１２および図３の溶融凝固体２２２の代わりにガラス、ポリマ等を用いる。
【００８５】
図１１は本発明の他の実施例における三次元周期構造体の正面図である。
図１１の三次元周期構造体１においては、一部分に格子欠陥６０が設けられている。この格子欠陥６０の部分では、周期性が他の部分の周期性と異なる。そのため、格子欠陥６０を除く部分で特定の波長を有する電磁波に対するフォトニックバンドギャップ効果が得られ、格子欠陥６０の部分では、特定の波長を有する電磁波に対するフォトニックバンドギャップ効果が得られない。
【００８６】
したがって、格子欠陥６０を連続的に形成することにより、特定の波長を有する電磁波を伝搬する導波路が形成される。
【００８７】
また、三次元周期構造体１に異なる周期性を有する領域を形成し、異なる周期性を有する領域の界面を対向させることにより、特定の波長を有する電磁波に対する共振器を形成することができる。
【００８８】
このように、三次元周期構造体１の一部に周期性の異なる部分を設けることにより、電磁波の指向性を制御することができる。
【００８９】
図１２は図５〜図７の三次元周期構造体をアンテナに応用した例を示す模式的斜視図である。
【００９０】
図１２において、図５〜図７の構造を有する平面状の三次元周期構造体１によりアンテナが形成されている。この三次元周期構造体１の一方の面に１対の電極８０が設けられている。三次元周期構造体１が特定の波長を有する電磁波に対する遮蔽効果を有するため、電極８０から発生される特定の波長の電磁波１００は矢印Ａの方向に放射され、矢印Ｂの方向には放射されない。
【００９１】
このように、図５〜図７の三次元周期構造体１を用いることにより高指向性のアンテナが実現する。三次元周期構造体１の周期ｄを１ｍｍ〜３ｍｍに設定した場合、２ＧＨｚ〜８０ＧＨｚの電磁波に対する波長選択性および高指向性が得られる。
【００９２】
例えば、飛行船通信に応用する場合、利用が予定されている約３０ＧＨｚのミリ波帯の電磁波に対して高い誘電率を示す図１、図２または図３のセラミックス二次粒子２００，２１０，２２０を均一に分散させた樹脂組成物を用いることにより、アンテナに高指向性を付与することができる。
【００９３】
したがって、図１２のアンテナを用いることにより、ミリ波領域およびマイクロ波領域の電磁波を使用する通信機器の出力特性の高性能化が可能となる。また、電磁波が特定の方向に集中するため、エネルギー利用効率が向上し、携帯機器の使用時間を延長することが可能となる。さらに、電磁波の放射角が限定されるので、使用者や他の電子機器に対する電磁障害が防止される。
【００９４】
以上のように、上記実施例の三次元周期構造体１において、棒状体１１の誘電率の選択および周期構造の制御により、特定の波長を有する電磁波を完全に遮蔽することができる。それにより、種々のデバイスに電磁波の波長選択性、指向性および導波機能を付与することができ、特定方向への送信効率の向上および電磁障害の防止が可能となる。
【００９５】
したがって、三次元周期構造体１を用いて新しい高機能通信機器用の部品の作製が可能となるとともに、通信機器の高出力化に伴って高効率化および電磁障害防止を図ることができる。それにより、グローバル移動体通信、超高速インターネット、ビデオオンデマンド、高品位テレビ伝送などを利用したマルチメディア社会に必要な高速大容量通信インフラストラクチャおよび電磁波障害に強い通信システムを提供することが可能となる。
【００９６】
また、高指向性マイクロ波移動体通信機用のアンテナの量産技術を提供することにより、人工衛星を利用したグローバル移動体通信システムおよび飛行船を中継基地とする高速大容量通信システムにおけるミリ波帯通信機器の高性能化および小型化が可能となる。さらに、自動運転を可能にする高度道路交通システム用のミリ波帯アンテナの高性能化による交通安全世界の実現など、通信環境の一層の発展を期待できる。
【００９７】
特に、ミリ波帯またはマイクロ波帯通信の高機能化および電磁漏洩に対する安全性を確保する電磁障害防止デバイスとしての製造技術を提供することが可能となる。
【００９８】
さらに、サブミリ単位の三次元周期構造体１により約８０ＧＨｚ帯のミリ波帯アンテナへの応用が可能となるとともに三次元周期構造体１を利用したアンテナ以外の多種多様なデバイスの製作が可能となる。
【００９９】
また、光領域においては、高効率のレーザ発振を可能とする光共振器、光導波路等の実現が可能となる。
【０１００】
また、三次元周期構造体の誘電率を高めることにより、三次元周期構造体の周期を短くすることが可能となる。それにより、三次元周期構造体により実現されるフォトニック結晶デバイスの小型化および軽量化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における三次元周期構造体の形成に用いるセラミックス二次粒子第１の例を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施例における三次元周期構造体の形成に用いるセラミックス二次粒子の第２の例を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施例における三次元周期構造体の形成に用いるセラミックス二次粒子の第３の例を示す模式図である。
【図４】第１の例のセラミックス二次粒子の顕微鏡写真を示す図である。
【図５】本発明の一実施例における三次元周期構造体の平面図である。
【図６】図４の三次元周期構造体の正面図である。
【図７】図１の三次元周期構造体の側面図である。
【図８】図５〜図７の三次元周期構造体を構成する二次元基本構造体の１つの棒状部材の端部の一部切欠き平面図である。
【図９】図５〜図７の三次元周期構造体の製造方法の一例を示す模式的断面図である。
【図１０】図５〜図７の三次元周期構造体の製造方法の一例を示す模式的斜視図である。
【図１１】本発明の他の実施例における三次元周期構造体の正面図である。
【図１２】図５〜図７の三次元周期構造体をアンテナに応用した例を示す模式的斜視図である。
【符号の説明】
１ 三次元周期構造体
１０ 光硬化性樹脂組成物
１１ 棒状体
２０ 空間
２１〜２４ 二次元基本構造体
３０ 紫外線レーザ光
６０ 格子欠陥
２００，２１０，２２０ セラミックス二次粒子
２０１，２１１，２２１ 第１のセラミックスからなる粒子
２０２，２１２ 第２のセラミックスからなる粒子
２２２ 第２のセラミックスの溶融凝固体
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニック結晶を構成する三次元周期構造体およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
屈折率が周期的に変化する三次元周期構造体は、電磁波に対する干渉作用を示し、特定の周波数領域の電磁波の通過を禁止する。すなわち、特定の波長の光を遮蔽することができる。この場合の禁止帯はフォトニックバンドギャップと呼ばれ、三次元周期構造体はフォトニック結晶と呼ばれる。また、特定の波長の電磁波を遮蔽する効果はフォトニックバンドギャップ効果と呼ばれる。このような三次元周期構造体は、高効率半導体レーザ素子や光導波路等の光デバイスへの応用が期待されている。
【０００３】
例えばE.Yablonovitch, “Photonic band-gap structures”,J. Opt.Soc. Am B, vol.10, no.2,pp.283-295, 1993に三次元周期構造体の構成例が提案されている。また、特開平１０−３３５７５８号公報には、スパッタエッチングを用いて１μｍ程度またはそれ以下の周期を有する三次元周期構造体を作製する方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、所望の屈折率および所望の三次元的周期を有する構造を容易に作製できる技術が確立されていないため、三次元周期構造体を応用したデバイスは実用化されていない。特に、ミリ波領域からマイクロ波領域の電磁波を制御可能な三次元周期構造体の構造および作製方法については開発されていない。
【０００５】
高速大容量の通信に適した通信インフラストラクチャを構築するためには、ミリ波帯またはマイクロ波帯の通信の高性能化を図る必要がある。しかし、電磁波の発振出力が数ワットになると、電磁障害が発生する可能性があるので、通信の高性能化および電磁障害防止の両立性を確保する必要があり、電磁障害防止機能を備えた高性能通信機器が求められる。
【０００６】
また、人工衛星や飛行船を中継基地とする高速大容量通信システム、グローバル移動体通信システム、および高度道路交通システムでは、ミリ波帯またはマイクロ波帯の通信を行う安価な高性能小型通信機器が大量に必要とされ、しかも電磁障害を防止する必要も生じる。
【０００７】
したがって、光領域のみならず、ミリ波領域からマイクロ波領域の電磁波を制御するデバイスが望まれる。
【０００８】
本発明者は、光造形法を用いて樹脂およびセラミックス粒子の混合物により形成される複数の単位構成要素を三次元周期的に組み合わせることにより三次元周期構造体を作製する方法を提案している。
【０００９】
この作製方法により作製された三次元周期構造体においては、単位構成要素が樹脂およびセラミックス粒子の混合物により形成されるため、樹脂およびセラミックス粒子の配分比率を調整することにより、単位構成要素の誘電率を容易に調整することができる。それにより、単位構成要素の屈折率を任意に調整することができる。また、複数の単位構成要素を任意に組み合わせることができる。
【００１０】
したがって、任意の波長に対応したフォトニックバンドギャップ効果を得ることが可能になり、任意の波長を有する電磁波を完全に遮蔽することができる。その結果、電磁波の波長選択性および指向性が得られ、かつ電磁波放射の高性能化およびエネルギー利用効率の向上が可能となる。また、電磁波漏洩および電磁波障害の防止が図られる。
【００１１】
このようにして、三次元周期構造体を応用したデバイスの実用化が可能となる。しかしながら、より高い誘電率を有する三次元周期構造体を容易かつ安価に実現することが望まれる。
【００１２】
本発明の目的は、高い誘電率を有し、容易かつ安価に製造可能な三次元周期構造体を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、高い誘電率の三次元周期構造体を容易かつ安価に製造することが可能な製造方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明者は、高い誘電率を有する三次元周期構造体をより容易かつ安価に製造可能にすべく、単位構成要素を形成するための樹脂および粒子の材料および形態を種々検討しかつ実験した結果、複数種類の誘電体材料を複合化することにより樹脂組成物の硬化反応を良好に維持しつつ単位構成要素を容易に形成することができるという研究知見を得た。そして、その研究知見に基づいて以下の発明を案出した。
【００１５】
（１）第１の発明に係る三次元周期構造体は、光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される複数の棒形状の単位構成要素を備え、誘電体粒子は、第１の誘電体材料からなる粒子の表面が第２の誘電体材料からなる複数の粒子で取り囲まれてなる二次粒子であり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有するセラミックスであり、第２の誘電体材料は、ガラスまたはポリマであり、複数の単位構成要素が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第１の二次元基本構造体と、複数の単位構成要素が第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第２の二次元基本構造体とが交互に積層されることにより、複数の単位構成要素が三次元周期的に組み合わされたものである。
【００１８】
この発明に係る三次元周期構造体においては、単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。複合体としての誘電体粒子は第１の誘電体材料からなる粒子の表面が第２の誘電体材料からなる複数の粒子で取り囲まれてなる二次粒子であり、この二次粒子を構成する第１の誘電体材料はセラミックスであり、第２の誘電体材料はガラスまたはポリマである。この場合、ガラスまたはポリマは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、樹脂組成物の硬化反応を良好に維持することができる。したがって、セラミックスとして高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
（２）第２の発明に係る三次元周期構造体は、光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される複数の棒形状の単位構成要素を備え、誘電体粒子は、第１の誘電体材料からなる粒子の表面が第２の誘電体材料からなる複数の粒子で取り囲まれてなる二次粒子であり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有し、第２の誘電体材料は、酸化シリコンであり、複数の単位構成要素が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第１の二次元基本構造体と、複数の単位構成要素が第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第２の二次元基本構造体とが交互に積層されることにより、複数の単位構成要素が三次元周期的に組み合わされたものである。
この発明に係る三次元周期構造体においては、単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。複合体としての誘電体粒子は第１の誘電体材料からなる粒子の表面が第２の誘電体材料からなる複数の粒子で取り囲まれてなる二次粒子であり、この二次粒子を構成する第２の誘電体材料は酸化シリコンである。酸化シリコンは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、第１の誘電体材料として高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
（３）第３の発明に係る三次元周期構造体は、光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される複数の棒形状の単位構成要素を備え、誘電体粒子は、第１の誘電体材料からなる粒子が第２の誘電体材料の溶融凝固体中に混入されてなる二次粒子であり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有するセラミックスであり、第２の誘電体材料は、ガラスまたはポリマであり、複数の単位構成要素が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第１の二次元基本構造体と、複数の単位構成要素が第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第２の二次元基本構造体とが交互に積層されることにより、複数の単位構成要素が三次元周期的に組み合わされたものである。
この発明に係る三次元周期構造体においては、単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。複合体としての誘電体粒子は第２の誘電体材料の溶融凝固体中に第１の誘電体材料からなる粒子が混入されてなる二次粒子であり、この二次粒子を構成する第１の誘電体材料はセラミックスであり、第２の誘電体材料はガラスまたはポリマである。この場合、ガラスまたはポリマは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、樹脂組成物の硬化反応を良好に維持することができる。したがって、セラミックスとして高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
（４）第４の発明に係る三次元周期構造体は、光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される複数の棒形状の単位構成要素を備え、誘電体粒子は、第１の誘電体材料からなる粒子が第２の誘電体材料の溶融凝固体中に混入されてなる二次粒子であり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有し、第２の誘電体材料は、酸化シリコンであり、複数の単位構成要素が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第１の二次元基本構造体と、複数の単位構成要素が第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第２の二次元基本構造体とが交互に積層されることにより、複数の単位構成要素が三次元周期的に組み合わされたものである。
この発明に係る三次元周期構造体においては、単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。複合体としての誘電体粒子は第２の誘電体材料の溶融凝固体中に第１の誘電体材料からなる粒子が混入されてなる二次粒子であり、この二次粒子を構成する第２の誘電体材料は酸化シリコンである。酸化シリコンは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、第１の誘電体材料として高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
【００１９】
上記のように、第１〜第４の発明に係る三次元周期構造体においては、三次元周期構造体の誘電率を高めることにより、三次元周期構造体の周期を短くすることが可能となる。それにより、三次元周期構造体により実現されるフォトニック結晶デバイスの小型化および軽量化が可能となる。
なお、第１〜第４の発明における樹脂組成物および誘電体粒子の混合物の硬化方法においては、光によって硬化が行われる。ここで、光とは、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線、電子線、α線、β線、γ線等である。硬化方法としては、特に紫外線による硬化が好ましい。
電磁波の波長λは、ｋＣ／ｆで表される。ここで、ｋは定数、Ｃは電磁波の伝播する速さ、ｆは電磁波の周波数である。波長λの電磁波に対してフォトニックバンドギャップ効果を発現する三次元周期構造体の周期ｄはλ／２ｎに比例する。ｎは三次元周期構造体の単位構成要素の材質の光学的屈折率である。この屈折率ｎは材質の比誘電率εの平方根に比例するので、周期ｄはλ／２√εに比例する。このような関係から、三次元周期構造体が有する固有の誘電率を選択するとともに周期を調整することにより、特定の波長に対応したフォトニックバンドギャップ効果を得ることが可能となる。
【００２０】
また、複合体を構成する誘電体材料の配分比率または樹脂組成物および複合体の配分比率を調整することにより、単位構成要素の誘電率を容易に調整することができる。それにより、単位構成要素の屈折率を任意に調整することができる。また、複数の単位構成要素の周期を任意に設定し、複数の単位構成要素を組み合わせることができる。
【００２１】
したがって、任意の波長に対応したフォトニックバンドギャップ効果を得ることが可能になり、任意の波長を有する電磁波を完全に遮蔽することができる。その結果、電磁波の波長選択性および指向性が得られ、かつ電磁波放射の高性能化およびエネルギー利用効率の向上が可能となる。また、電磁波漏洩および電磁波障害の防止が図られる。
【００２２】
また、単位構成要素の材料として複数種類の誘電体材料の複合体と樹脂組成物との混合物を用いているので、加工または成形が容易であり、製造コストが安くなる。
【００２３】
このように、高い誘電率を有し、容易かつ安価に製造可能な三次元周期構造体が実現される。
【００２４】
複数の単位構成要素は光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される。この場合、光造形法により三次元周期構造体を形成することができる。
【００２５】
単位構成要素は棒状体であり、複数の棒状体が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる二次元基本構造体と、複数の棒状体が第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる二次元基本構造体とが交互に積層されている。この場合、棒状体からなる単位構成要素を三次元周期的に容易に組み合わせることができる。また、二次元基本構造体を構成する複数の単位構成要素の配列周期および複数の二次元基本構造体の積層周期を調整することにより、フォトニックバンドギャップ効果を発現する電磁波の波長を容易に制御することができる。
【００３７】
三次元周期構造体が、少なくとも一方向において他の部分と周期性が異なる部分を含んでもよい。この場合、特定の波長を有する電磁波を遮蔽するとともに、他の波長を有する電磁波を透過させることができる。それにより、導波路または共振器を構成することが可能となる。
三次元周期構造体が０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の周期を有してもよい。この場合、通信に使用される電磁波に対してフォトニックバンドギャップ効果を得ることができる。したがって、三次元周期構造体を通信に使用される電磁波を制御するデバイスに応用することができる。
【００３８】
特に、三次元周期構造の周期が１ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定された場合、ミリ波領域からマイクロ波領域の電磁波を制御するデバイスへの応用が可能となる。
（５）第１の誘電体材料は、酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、酸化タンタル、酸化鉛および酸化バリウムよりなる群から選択された１または複数のセラミックスであってもよい。酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、酸化タンタル、酸化鉛および酸化バリウムのうち２以上の化合物の混合物または固溶体を用いてもよい。酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、酸化タンタル、酸化鉛および酸化バリウムは高い誘電率を有するので、第２の誘電体材料として樹脂組成物の硬化反応を妨げない材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
【００３９】
（６）第５の発明に係る三次元周期構造体の製造方法は、第１の誘電体材料からなる粒子の表面を第２の誘電体材料からなる複数の粒子で被覆して二次粒子である誘電体粒子を作製する工程と、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物を生成する工程と、混合物を光造形法により棒形状に硬化させることにより第１の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第１の二次元基本構造体と、第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第２の二次元基本構造体とを、交互に積層して複数の単位構成要素を三次元周期的に組み合わせる工程とを備えるものであり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有するセラミックスであり、第２の誘電体材料は、ガラスまたはポリマである。
【００４０】
この発明に係る三次元周期構造体の製造方法においては、第１の誘電体材料からなる粒子の表面を第２の誘電体材料からなる複数の粒子で被覆して二次粒子である誘電体粒子が作製され、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物が生成され、混合物が光造形法により棒形状に硬化される。このようにして、複数の単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。誘電体粒子は第１の誘電体材料からなる粒子の表面が第２の誘電体材料からなる複数の粒子で被覆された二次粒子であり、この二次粒子を構成する第１の誘電体材料はセラミックスであり、第２の誘電体材料はガラスまたはポリマである。この場合、ガラスまたはポリマは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、樹脂組成物の硬化反応を良好に維持することができる。したがって、セラミックスとして高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
（７）第６の発明に係る三次元周期構造体の製造方法は、第１の誘電体材料からなる粒子の表面を第２の誘電体材料からなる複数の粒子で被覆して二次粒子である誘電体粒子を作製する工程と、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物を生成する工程と、混合物を光造形法により棒形状に硬化させることにより第１の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第１の二次元基本構造体と、第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第２の二次元基本構造体とを、交互に積層して複数の単位構成要素を三次元周期的に組み合わせる工程とを備えるものであり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有し、第２の誘電体材料は、酸化シリコンである。
この発明に係る三次元周期構造体の製造方法においては、第１の誘電体材料からなる粒子の表面を第２の誘電体材料からなる複数の粒子で被覆して二次粒子である誘電体粒子が作製され、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物が生成され、混合物が光造形法により棒形状に硬化される。このようにして、複数の単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。誘電体粒子は第１の誘電体材料からなる粒子の表面が第２の誘電体材料からなる複数の粒子で被覆された二次粒子であり、この二次粒子を構成する第２の誘電体材料は酸化シリコンである。酸化シリコンは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、第１の誘電体材料として高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
（８）第７の発明に係る三次元周期構造体の製造方法は、第１の誘電体材料からなる粒子を第２の誘電体材料の溶融凝固体内に混合して二次粒子である誘電体粒子を作製する工程と、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物を生成する工程と、混合物を光造形法により棒形状に硬化させることにより第１の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第１の二次元基本構造体と、第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第２の二次元基本構造体とを、交互に積層して複数の単位構成要素を三次元周期的に組み合わせる工程とを備えるものであり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有するセラミックスであり、第２の誘電体材料は、ガラスまたはポリマである。
この発明に係る三次元周期構造体の製造方法においては、第１の誘電体材料からなる粒子を第２の誘電体材料の溶融凝固体内に混合して二次粒子である誘電体粒子が作製され、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物が生成され、混合物が光造形法により棒形状に硬化される。このようにして、複数の単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。誘電体粒子は第２の誘電体材料の溶融凝固体中に第１の誘電体材料からなる粒子が混入されてなる二次粒子であり、この二次粒子を構成する第１の誘電体材料はセラミックスであり、第２の誘電体材料はガラスまたはポリマである。この場合、ガラスまたはポリマは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、樹脂組成物の硬化反応を良好に維持することができる。したがって、セラミックスとして高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
（９）第８の発明に係る三次元周期構造体の製造方法は、第１の誘電体材料からなる粒子を第２の誘電体材料の溶融凝固体内に混合して二次粒子である誘電体粒子を作製する工程と、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物を生成する工程と、混合物を光造形法により棒形状に硬化させることにより第１の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第１の二次元基本構造体と、第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第２の二次元基本構造体とを、交互に積層して複数の単位構成要素を三次元周期的に組み合わせる工程とを備えるものであり、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有し、第２の誘電体材料は、酸化シリコンである。
この発明に係る三次元周期構造体の製造方法においては、第１の誘電体材料からなる粒子を第２の誘電体材料の溶融凝固体内に混合して二次粒子である誘電体粒子が作製され、光硬化性樹脂組成物と誘電体粒子との混合物が生成され、混合物が光造形法により棒形状に硬化される。このようにして、複数の単位構成要素が樹脂組成物と複数種類の誘電体材料の複合体との混合物を硬化させることにより形成される。誘電体粒子は第２の誘電体材料の溶融凝固体中に第１の誘電体材料からなる粒子が混入されてなる二次粒子であり、この二次粒子を構成する第２の誘電体材料は酸化シリコンである。酸化シリコンは樹脂組成物の硬化反応を妨げないので、第１の誘電体材料として高い誘電率を有する材料を選択することにより、樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく高い誘電率の単位構成要素を容易かつ安価に形成することができる。
【００４１】
上記のように、第５〜第８の発明においては、三次元周期構造体の誘電率を高めることにより、三次元周期構造体の周期を短くすることが可能となる。それにより、三次元周期構造体により実現されるフォトニック結晶デバイスの小型化および軽量化が可能となる。
【００４２】
また、単位構成要素が複数種類の誘電体材料の複合体と樹脂組成物との混合物を硬化させることにより形成されるので、複合体を構成する誘電体材料の配分比率または樹脂組成物および複合体の配分比率を調整することにより、単位構成要素の誘電率を容易に調整することができる。それにより、単位構成要素の屈折率を任意に調整することができる。
【００４３】
したがって、任意の波長に対応したフォトニックバンドギャップ効果を得ることが可能になり、任意の波長を有する電磁波を完全に遮蔽することができる。その結果、電磁波の波長選択性および指向性が得られ、かつ電磁波放射の高性能化およびエネルギー利用効率の向上が可能となる。また、電磁波漏洩および電磁波障害の防止が図られる。
また、単位構成要素の材料として複数種類の誘電体材料の複合体と樹脂組成物との混合物を用いているので、加工または成形が容易であり、製造コストが安くなる。
このように、高い誘電率を有し、容易かつ安価に製造可能な三次元周期構造体が実現される。
複数の単位構成要素は光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される。この場合、光造形法により三次元周期構造体を形成することができる。
単位構成要素は棒状体であり、複数の棒状体が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる二次元基本構造体と、複数の棒状体が第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる二次元基本構造体とが交互に積層される。この場合、棒状体からなる単位構成要素を三次元周期的に容易に組み合わせることができる。また、二次元基本構造体を構成する複数の単位構成要素の配列周期および複数の二次元基本構造体の積層周期を調整することにより、三次元周期を任意に設定することができ、フォトニックバンドギャップ効果を発現する電磁波の波長を容易に制御することができる。
したがって、任意の波長に対応したフォトニックバンドギャップ効果を得ることができる。
さらに、単位構成要素の材料として複数種類の誘電体材料の複合体と樹脂組成物との混合物を用いているので、加工または成形が容易であり、製造コストが安くなる。
これらの結果、高い誘電率の三次元周期構造体を容易かつ安価に製造することができる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例における三次元周期構造体の形成に用いるセラミックス二次粒子の第１の例を示す模式図である。
【００４８】
図１において、第１のセラミックスからなる粒子２０１の外周面を第２のセラミックスからなる複数の粒子２０２で被覆することにより、セラミックス二次粒子２００が構成される。第１のセラミックスはＴｉＯ2 （酸化チタン）、ＳｒＴｉＯ3 （チタン酸ストロンチウム）、ＢａＴｉＯ3 （チタン酸バリウム）、Ｔａ2 Ｏ5 （酸化タンタル）等からなり、第２のセラミックスはＳｉＯ2 （酸化シリコン）等からなる。また、第１のセラミックスとして、ＴｉＯ2 、ＳｒＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＰｂＯ（酸化鉛）およびＢａＯ（酸化バリウム）のうち２以上の化合物の固溶体または混合物を用いてもよい。このセラミックス二次粒子２００は、気相反応法、アトマイズ法等により形成することができる。
【００４９】
図２は本発明の一実施例における三次元周期構造体の形成に用いるセラミックス二次粒子の第２の例を示す模式図である。
【００５０】
図２において、第１のセラミックスからなる粒子２１１と第２のセラミックスからなる粒子２１２とを混合して焼結することにより、セラミックス二次粒子２１０が構成される。第１のセラミックスはＴｉＯ2 、ＳｒＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、またはＴａ2 Ｏ5 等からなり、第２のセラミックスはＳｉＯ2 等からなる。また、第１のセラミックスとして、ＴｉＯ2 、ＳｒＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＰｂＯおよびＢａＯのうち２以上の化合物の固溶体または混合物を用いてもよい。このセラミックス二次粒子２１０は、アトマイズ法等により形成することができる。
【００５１】
図３は本発明の一実施例における三次元周期構造体の形成に用いるセラミックス二次粒子の第３の例を示す模式図である。
【００５２】
図３において、第２のセラミックスの溶融凝固体２２２中に第１のセラミックスからなる粒子２２１を混入させることにより、セラミックス二次粒子２２０が構成される。第１のセラミックスはＴｉＯ2 、ＳｒＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、またはＴａ2 Ｏ5 等からなり、第２のセラミックスはＳｉＯ2 等からなる。第１のセラミックスとして、ＴｉＯ2 、ＳｒＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＰｂＯおよびＢａＯのうち２以上の化合物の固溶体または混合物を用いてもよい。このセラミックス二次粒子２２０は、溶融凝固法により形成することができる。
【００５３】
ここで、ＳｉＯ2 等の第２のセラミックスは比較的低い誘電率を有するが、樹脂の硬化反応を妨げない。一方、ＴｉＯ2 、ＳｒＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＰｂＯ、またはＢａＯ等の第１のセラミックスは高い誘電率を有する。したがって、第１のセラミックスと第２のセラミックスと複合化してセラミックス二次粒子を構成した場合、樹脂の硬化反応を損なうことなく高い誘電率を有する混合物を得ることができる。
【００５４】
図１の例において、第１のセラミックスからなる粒子２０１として誘電率が約１２５で比重が約４のＴｉＯ2 粒子を用い、第２のセラミックスからなる粒子２０２として誘電率が約３．９で比重が約２．３のＳｉＯ2 粒子を用いることにより、直径５μｍ程度のセラミックス二次粒子２００を形成した。
【００５５】
図４はこのようにして形成されたセラミックス二次粒子２００の顕微鏡写真を示す。このセラミックス二次粒子２００の代表的な誘電率は約５２となり、比重は約３となる。このときのＴｉＯ2 粒子の体積分率は約４０体積％であり、ＳｉＯ2 粒子の体積分率は約６０体積％である。このようにＴｉＯ2 粒子およびＳｉＯ2 粒子を複合化してセラミックス二次粒子を形成した場合、ＳｉＯ2 粒子を単独で用いる場合に比べて高い誘電率を得ることができる。
【００５６】
このようにして形成されたセラミックス二次粒子を樹脂組成物中に均一に分散させた混合物により以下に示す方法で三次元周期構造体を製造することができる。
【００５７】
図５は本発明の一実施例における三次元周期構造体の平面図、図６は図５の三次元周期構造体の正面図、図７は図５の三次元周期構造体の側面図である。図５〜図７の三次元周期構造体は、立方格子構造を有する。
【００５８】
四角形の断面形状を有する複数の棒状体１１が周期ｄで平行にかつ等間隔で配置される。それにより、第１層目の二次元基本構造体２１が形成される。第１層目の二次元基本構造体２１上に、複数の棒状体１１が周期ｄで平行にかつ等間隔で配置される。それにより、第２層目の二次元基本構造体２２が形成される。第２層目の二次元基本構造体２２の棒状体１１は、第１層目の二次元基本構造体２１の棒状体１１と直角に交わるように配置される。
【００５９】
第２層目の二次元基本構造体２２上に、複数の棒状体１１が周期ｄで平行にかつ等間隔で配置される。それにより、第３層目の二次元基本構造体２３が形成される。第３層目の二次元基本構造体２３の棒状体１１は、第２層目の二次元基本構造体２２の棒状体１１と直角に交わり、かつ第１層目の二次元基本構造体２１の棒状体１１に対して２分の１周期（ｄ／２）ずれた位置に配置される。
【００６０】
第３層目の二次元基本構造体２３上に、複数の棒状体１１が周期ｄで平行にかつ等間隔で配置される。それにより、第４層目の二次元基本構造体２４が形成される。第４層目の二次元基本構造体２４の棒状体１１は、第３層目の二次元基本構造体２３の棒状体１１と直角に交わり、かつ第２層目の二次元基本構造体２２の棒状体１１に対して２分の１周期（ｄ／２）ずれた位置に配置される。
【００６１】
第１層目の二次元基本構造体２１を構成する棒状体１１の本数は、第３層目の二次元基本構造体２３を構成する棒状体１１の本数よりも１本少なく、第４層目の二次元基本構造体２４を構成する棒状体１１の本数は、第２層目の二次元基本構造体２２を構成する棒状体１１の本数よりも１本少ない。
【００６２】
以下同様にして、第１層目の二次元基本構造体２１、第２層目の二次元基本構造体２２、第３層目の二次元基本構造体２３および第４層目の二次元基本構造体２４が所定の回数繰り返し順次積層される。
【００６３】
各棒状体１１は、樹脂組成物中に図１、図２または図３に示したセラミックス二次粒子を均一に分散させた混合物を硬化させることにより形成される。樹脂としては、例えばエポキシ系樹脂、アクリレート系樹脂等の種々の合成樹脂を用いることができる。
【００６４】
図８は図５〜図７の三次元周期構造体を構成する二次元基本構造体の１つの棒状体の端部の一部切欠き平面図である。
【００６５】
図８に示すように、棒状体１１を構成する樹脂３００中にセラミックス二次粒子２００が均一に分散していることが分かる。
【００６６】
ここで、棒状体１１の誘電率をε１とする。隣り合う棒状体１１間には空間２０が存在する。空間２０の誘電率をε２とする。これにより、誘電率ε１の棒状体１１と誘電率ε２の空間２０とが三次元的かつ連続的に配置された格子状の周期的な繰り返し構造が得られる。
【００６７】
ＴｉＯ2 からなる粒子２０１の表面をＳｉＯ2 からなる粒子２０２で被覆することにより図１のセラミックス二次粒子２００を形成し、セラミックス二次粒子２００をエポキシ樹脂組成物中に均一に分散させた混合物を用いて二次元基本構造体２１，２２，２３，２４を作製した場合、それらの二次元基本構造体２１，２２，２３，２４の誘電率は約１１程度となる。このように、高誘電率のフォトニック結晶を構成する三次元周期構造体を作製することができる。
【００６８】
このように、三次元周期構造体の誘電率を高めることにより、三次元周期構造体の周期を短くすることが可能となる。それにより、三次元周期構造体により実現されるフォトニック結晶デバイスの小型化および軽量化が可能となる。
【００６９】
各棒状体１１の寸法は任意に設定することができ、本実施例では、例えば１ｍｍ×１ｍｍ×５０ｍｍとする。また、周期ｄは任意に設定することができ、本実施例では、周期ｄを０．１ｍｍ〜３０ｍｍに設定する。一例として、周期ｄを２ｍｍとする。
【００７０】
なお、本実施例では、四角形の断面形状を有する棒状体１１を用いているが、棒状体１１の断面形状は円形等の他の形状であってもよい。また、本実施例では、三次元周期構造として立方格子構造を用いているが、立方格子構造に限らず三次元周期性を有する他の結晶構造を用いてもよい。
【００７１】
本実施例の三次元周期構造体１においては、セラミックス二次粒子を構成する第１のセラミックスからなる粒子および第２のセラミックスからなる粒子の配分比率または樹脂組成物およびセラミックス二次粒子の配分比率を調整することにより、棒状体１１の誘電率を容易に調整することができる。それにより、棒状体１１の屈折率を任意に調整することができる。また、棒状体１１の間隔を任意に設定することにより、周期ｄを任意に設定することができる。したがって、任意の波長に対応したフォトニックバンドギャップ効果を得ることが可能になり、特定の波長を有する電磁波を完全に遮蔽することができる。
【００７２】
特に、周期ｄを１ｍｍから３ｍｍに設定した場合、周波数２ＧＨｚ〜８０ＧＨｚの帯域の電磁波を制御することが可能となる。
【００７３】
また、棒状体１１が樹脂組成物およびセラミックス二次粒子の混合物を硬化させることにより形成されるので、加工および成形が容易であり、製造コストが安くなる。
【００７４】
図９は図５〜図７の三次元周期構造体の製造方法の一例を示す模式的断面図、図１０は図５〜図７の三次元周期構造体の製造方法の一例を示す模式的斜視図である。以下、図９および図１０を参照しながら図５〜図７の三次元周期構造体の製造方法の一例について説明する。ここでは、液状の光硬化性樹脂組成物の感光反応を利用した光造形法を用いる。
【００７５】
図９および図１０において、矢印Ｘおよび矢印Ｙは平面内で互いに直交する２方向を示し、矢印Ｚは鉛直方向を示す。
【００７６】
光硬化性樹脂としてはエポキシ系光硬化性樹脂、アクリレート系光硬化性樹脂等を用いる。この光硬化性樹脂中に図１、図２または図３に示したセラミックス二次粒子を混合し分散させる。
【００７７】
まず、図９（ａ）および図１０（ａ）に示すように、テーブル５０上に所定の厚み分の液状の光硬化性樹脂組成物が膜状に供給されるように、テーブル５０を光硬化性樹脂組成物１０に浸漬させる。この状態で、紫外線レーザ光３０を矢印Ｘの方向に走査させる。それにより、紫外線レーザ光３０の被照射部分の光硬化性樹脂組成物が硬化し、棒状体１１が形成される。紫外線レーザ光３０を矢印Ｘの方向と平行に繰り返し走査させることにより、矢印Ｘの方向に平行な複数の棒状体１１を所定間隔で形成する。これにより、テーブル５０上に第１層目の二次元基本構造体が形成される。
【００７８】
次に、図９（ｂ）および図１０（ｂ）に示すように、テーブル５０を所定の厚み分矢印Ｚの方向に下降させる。それにより、テーブル５０上に形成された第１層目の二次元基本構造体上に所定の厚み分の液状の光硬化性樹脂組成物が供給される。この状態で、紫外線レーザ光３０を矢印Ｙの方向に走査させる。それにより、紫外線レーザ光３０の被照射部分の光硬化性樹脂組成物が硬化し、棒状体１１が形成される。紫外線レーザ光３０を矢印Ｙの方向と平行に繰り返し走査させることにより、矢印Ｙと平行な複数の棒状体１１が形成される。それにより、第１層目の二次元基本周期構造体上に第２層目の二次元基本構造体が形成される。
【００７９】
同様にして、テーブル５０を矢印Ｚの方向に下降させ、紫外線レーザ光３０を矢印Ｘの方向に平行に繰り返し走査させることにより、第３層目の二次元基本構造体を形成し、さらにテーブル５０を矢印Ｚの方向に下降させ、紫外線レーザ光３０を矢印Ｙの方向に平行に繰り返し走査させることにより、第４層目の二次元基本構造体を形成する。
【００８０】
以下同様にして、第１層目、第２層目、第３層目および第４層目の二次元基本構造体を所定の回数繰り返し順次積層する。
【００８１】
このような光造形法を用いると、０．１ｍｍ〜３０ｍｍの周期ｄを有する三次元周期構造体１を容易に作製することができる。
【００８２】
なお、樹脂組成物中に高い誘電率を有するセラミックス粒子を単独で分散させて混合した場合、セラミックス粒子の比重、大きさ、樹脂組成物中のセラミックス粒子の分量、樹脂組成物の光硬化反応におけるセラミックス粒子の光透過特性および反射特性等の種々の条件に起因して、樹脂組成物の光硬化反応を良好に維持することが困難になる場合が生じる。
【００８３】
これに対して、図１〜図３に示したセラミックス二次粒子２００，２１０，２２０を樹脂組成物中に分散させて混合した場合には、第２のセラミックスからなる粒子２０２，２１２または第２のセラミックスの溶融凝固体２２２の働きにより樹脂組成物の硬化反応を損なうことなく三次元周期構造体を形成することが可能となる。
【００８４】
図１〜図３の例では、二次粒子を構成する誘電体材料としてセラミックスを用いているが、セラミックスに限らず他の誘電体材料を用いてもよい。この場合、第２の誘電体材料としては、光透過特性が良好であり、光硬化性樹脂組成物の光硬化反応性を妨げず、光硬化性樹脂組成物の混合物として流動性に優れた材料を選択することが好ましい。例えば、第２の誘電体材料としてガラスを用いることができ、あるいはラテックス、アクリル等のポリマを用いることができる。この場合、図１の第２のセラミックスからなる粒子２０２、図２のセラミックスからなる粒子２１２および図３の溶融凝固体２２２の代わりにガラス、ポリマ等を用いる。
【００８５】
図１１は本発明の他の実施例における三次元周期構造体の正面図である。
図１１の三次元周期構造体１においては、一部分に格子欠陥６０が設けられている。この格子欠陥６０の部分では、周期性が他の部分の周期性と異なる。そのため、格子欠陥６０を除く部分で特定の波長を有する電磁波に対するフォトニックバンドギャップ効果が得られ、格子欠陥６０の部分では、特定の波長を有する電磁波に対するフォトニックバンドギャップ効果が得られない。
【００８６】
したがって、格子欠陥６０を連続的に形成することにより、特定の波長を有する電磁波を伝搬する導波路が形成される。
【００８７】
また、三次元周期構造体１に異なる周期性を有する領域を形成し、異なる周期性を有する領域の界面を対向させることにより、特定の波長を有する電磁波に対する共振器を形成することができる。
【００８８】
このように、三次元周期構造体１の一部に周期性の異なる部分を設けることにより、電磁波の指向性を制御することができる。
【００８９】
図１２は図５〜図７の三次元周期構造体をアンテナに応用した例を示す模式的斜視図である。
【００９０】
図１２において、図５〜図７の構造を有する平面状の三次元周期構造体１によりアンテナが形成されている。この三次元周期構造体１の一方の面に１対の電極８０が設けられている。三次元周期構造体１が特定の波長を有する電磁波に対する遮蔽効果を有するため、電極８０から発生される特定の波長の電磁波１００は矢印Ａの方向に放射され、矢印Ｂの方向には放射されない。
【００９１】
このように、図５〜図７の三次元周期構造体１を用いることにより高指向性のアンテナが実現する。三次元周期構造体１の周期ｄを１ｍｍ〜３ｍｍに設定した場合、２ＧＨｚ〜８０ＧＨｚの電磁波に対する波長選択性および高指向性が得られる。
【００９２】
例えば、飛行船通信に応用する場合、利用が予定されている約３０ＧＨｚのミリ波帯の電磁波に対して高い誘電率を示す図１、図２または図３のセラミックス二次粒子２００，２１０，２２０を均一に分散させた樹脂組成物を用いることにより、アンテナに高指向性を付与することができる。
【００９３】
したがって、図１２のアンテナを用いることにより、ミリ波領域およびマイクロ波領域の電磁波を使用する通信機器の出力特性の高性能化が可能となる。また、電磁波が特定の方向に集中するため、エネルギー利用効率が向上し、携帯機器の使用時間を延長することが可能となる。さらに、電磁波の放射角が限定されるので、使用者や他の電子機器に対する電磁障害が防止される。
【００９４】
以上のように、上記実施例の三次元周期構造体１において、棒状体１１の誘電率の選択および周期構造の制御により、特定の波長を有する電磁波を完全に遮蔽することができる。それにより、種々のデバイスに電磁波の波長選択性、指向性および導波機能を付与することができ、特定方向への送信効率の向上および電磁障害の防止が可能となる。
【００９５】
したがって、三次元周期構造体１を用いて新しい高機能通信機器用の部品の作製が可能となるとともに、通信機器の高出力化に伴って高効率化および電磁障害防止を図ることができる。それにより、グローバル移動体通信、超高速インターネット、ビデオオンデマンド、高品位テレビ伝送などを利用したマルチメディア社会に必要な高速大容量通信インフラストラクチャおよび電磁波障害に強い通信システムを提供することが可能となる。
【００９６】
また、高指向性マイクロ波移動体通信機用のアンテナの量産技術を提供することにより、人工衛星を利用したグローバル移動体通信システムおよび飛行船を中継基地とする高速大容量通信システムにおけるミリ波帯通信機器の高性能化および小型化が可能となる。さらに、自動運転を可能にする高度道路交通システム用のミリ波帯アンテナの高性能化による交通安全世界の実現など、通信環境の一層の発展を期待できる。
【００９７】
特に、ミリ波帯またはマイクロ波帯通信の高機能化および電磁漏洩に対する安全性を確保する電磁障害防止デバイスとしての製造技術を提供することが可能となる。
【００９８】
さらに、サブミリ単位の三次元周期構造体１により約８０ＧＨｚ帯のミリ波帯アンテナへの応用が可能となるとともに三次元周期構造体１を利用したアンテナ以外の多種多様なデバイスの製作が可能となる。
【００９９】
また、光領域においては、高効率のレーザ発振を可能とする光共振器、光導波路等の実現が可能となる。
【０１００】
また、三次元周期構造体の誘電率を高めることにより、三次元周期構造体の周期を短くすることが可能となる。それにより、三次元周期構造体により実現されるフォトニック結晶デバイスの小型化および軽量化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における三次元周期構造体の形成に用いるセラミックス二次粒子第１の例を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施例における三次元周期構造体の形成に用いるセラミックス二次粒子の第２の例を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施例における三次元周期構造体の形成に用いるセラミックス二次粒子の第３の例を示す模式図である。
【図４】第１の例のセラミックス二次粒子の顕微鏡写真を示す図である。
【図５】本発明の一実施例における三次元周期構造体の平面図である。
【図６】図４の三次元周期構造体の正面図である。
【図７】図１の三次元周期構造体の側面図である。
【図８】図５〜図７の三次元周期構造体を構成する二次元基本構造体の１つの棒状部材の端部の一部切欠き平面図である。
【図９】図５〜図７の三次元周期構造体の製造方法の一例を示す模式的断面図である。
【図１０】図５〜図７の三次元周期構造体の製造方法の一例を示す模式的斜視図である。
【図１１】本発明の他の実施例における三次元周期構造体の正面図である。
【図１２】図５〜図７の三次元周期構造体をアンテナに応用した例を示す模式的斜視図である。
【符号の説明】
１ 三次元周期構造体
１０ 光硬化性樹脂組成物
１１ 棒状体
２０ 空間
２１〜２４ 二次元基本構造体
３０ 紫外線レーザ光
６０ 格子欠陥
２００，２１０，２２０ セラミックス二次粒子
２０１，２１１，２２１ 第１のセラミックスからなる粒子
２０２，２１２ 第２のセラミックスからなる粒子
２２２ 第２のセラミックスの溶融凝固体
Claims (9)
- 光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される複数の棒形状の単位構成要素を備え、
前記誘電体粒子は、第１の誘電体材料からなる粒子の表面が第２の誘電体材料からなる複数の粒子で取り囲まれてなる二次粒子であり、
前記第１の誘電体材料は、前記第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有するセラミックスであり、
前記第２の誘電体材料は、ガラスまたはポリマであり、
前記複数の単位構成要素が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第１の二次元基本構造体と、前記複数の単位構成要素が前記第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第２の二次元基本構造体とが交互に積層されることにより、前記複数の単位構成要素が三次元周期的に組み合わされたことを特徴とする三次元周期構造体。 - 光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される複数の棒形状の単位構成要素を備え、
前記誘電体粒子は、第１の誘電体材料からなる粒子の表面が第２の誘電体材料からなる複数の粒子で取り囲まれてなる二次粒子であり、
前記第１の誘電体材料は、前記第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有し、
前記第２の誘電体材料は、酸化シリコンであり、
前記複数の単位構成要素が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第１の二次元基本構造体と、前記複数の単位構成要素が前記第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第２の二次元基本構造体とが交互に積層されることにより、前記複数の単位構成要素が三次元周期的に組み合わされたことを特徴とする三次元周期構造体。 - 光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される複数の棒形状の単位構成要素を備え、
前記誘電体粒子は、第１の誘電体材料からなる粒子が第２の誘電体材料の溶融凝固体中に混入されてなる二次粒子であり、
前記第１の誘電体材料は、前記第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有するセラミックスであり、
前記第２の誘電体材料は、ガラスまたはポリマであり、
前記複数の単位構成要素が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第１の二次元基本構造体と、前記複数の単位構成要素が前記第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第２の二次元基本構造体とが交互に積層されることにより、前記複数の単位構成要素が三次元周期的に組み合わされたことを特徴とする三次元周期構造体。 - 光硬化性樹脂組成物および誘電体粒子の混合物を硬化させることにより形成される複数の棒形状の単位構成要素を備え、
前記誘電体粒子は、第１の誘電体材料からなる粒子が第２の誘電体材料の溶融凝固体中に混入されてなる二次粒子であり、
前記第１の誘電体材料は、前記第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有し、
前記第２の誘電体材料は、酸化シリコンであり、
前記複数の単位構成要素が第１の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第１の二次元基本構造体と、前記複数の単位構成要素が前記第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列されてなる複数の第２の二次元基本構造体とが交互に積層されることにより、前記複数の単位構成要素が三次元周期的に組み合わされたことを特徴とする三次元周期構造体。 - 前記第１の誘電体材料は酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、酸化タンタル、酸化鉛および酸化バリウムよりなる群から選択された１または複数のセラミックスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の三次元周期構造体。
- 第１の誘電体材料からなる粒子の表面を第２の誘電体材料からなる複数の粒子で被覆して二次粒子である誘電体粒子を作製する工程と、
光硬化性樹脂組成物と前記誘電体粒子との混合物を生成する工程と、
前記混合物を光造形法により棒形状に硬化させることにより第１の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第１の二次元基本構造体と、前記第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第２の二次元基本構造体とを、交互に積層して前記複数の単位構成要素を三次元周期的に組み合わせる工程とを備え、
前記第１の誘電体材料は、前記第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有するセラミックスであり、
前記第２の誘電体材料は、ガラスまたはポリマであることを特徴とする三次元周期構造体の製造方法。 - 第１の誘電体材料からなる粒子の表面を第２の誘電体材料からなる複数の粒子で被覆して二次粒子である誘電体粒子を作製する工程と、
光硬化性樹脂組成物と前記誘電体粒子との混合物を生成する工程と、
前記混合物を光造形法により棒形状に硬化させることにより第１の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第１の二次元基本構造体と、前記第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第２の二次元基本構造体とを、交互に積層して前記複数の単位構成要素を三次元周期的に組み合わせる工程とを備え、
前記第１の誘電体材料は、前記第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有し、
前記第２の誘電体材料は、酸化シリコンであることを特徴とする三次元周期構造体の製造方法。 - 第１の誘電体材料からなる粒子を第２の誘電体材料の溶融凝固体内に混合して二次粒子である誘電体粒子を作製する工程と、
光硬化性樹脂組成物と前記誘電体粒子との混合物を生成する工程と、
前記混合物を光造形法により棒形状に硬化させることにより第１の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第１の二次元基本構造体と、前記第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第２の二次元基本構造体とを、交互に積層して前記複数の単位構成要素を三次元周期的に組み合わせる工程とを備え、
前記第１の誘電体材料は、前記第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有するセラミックスであり、
前記第２の誘電体材料は、ガラスまたはポリマであることを特徴とする三次元周期構造体の製造方法。 - 第１の誘電体材料からなる粒子を第２の誘電体材料の溶融凝固体内に混合して二次粒子である誘電体粒子を作製する工程と、
光硬化性樹脂組成物と前記誘電体粒子との混合物を生成する工程と、
前記混合物を光造形法により棒形状に硬化させることにより第１の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第１の二次元基本構造体と、前記第１の方向に交差する第２の方向に平行に所定間隔で配列される複数の棒形状の単位構成要素からなる第２の二次元基本構造体とを、交互に積層して前記複数の単位構成要素を三次元周期的に組み合わせる工程とを備え、
前記第１の誘電体材料は、前記第２の誘電体材料よりも高い誘電率を有し、
前記第２の誘電体材料は、酸化シリコンであることを特徴とする三次元周期構造体の製造方法。
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