JP4556612B2

JP4556612B2 - 微粒子構造体の形成方法及び微粒子構造体

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Publication number: JP4556612B2
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Inventors: 由利子貝野; 茂洋山北; 淳戸田
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Publication date: 2010-10-06
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Description

本発明は、微粒子構造体の形成方法に関するものであり、また、その微粒子構造体の形成方法により形成された微粒子構造体及びスクリーンに関するものである。

光を操る新しい構造として、ナノからマイクロメオートル程度の微粒子を自己組織化させて３次元の規則的な周期構造からなるフォトニック結晶が注目されており、微粒子を自己組織化させて、３次元の規則的な周期構造を作るための方法として、種々の方法が報告されている（例えば、非特許文献１及び２参照）。基板を微粒子の分散した微粒子分散溶液に静置し、微粒子自身の重みにより徐々に沈殿させる重力沈降法がある（例えば、非特許文献３参照）。また、微粒子よりも大きなスペーサーを挟んだマイクロセルを微粒子分散溶液に垂直に差し込み静置し、毛管現象により微粒子分散溶液をセル内に充填し、微粒子分散溶液が蒸発するときに微粒子の自己組織化を起こす方法がある（例えば、非特許文献４参照）。そして、微粒子分散溶液に微粒子と親和性の高い基板を垂直に差し込み、この基板を引き上げることで、基板に微粒子を写し取り、微粒子分散溶液の溶媒の蒸発過程で微粒子の自己組織化を起こす引き上げ法（例えば、非特許文献５、６及び７参照）がある。

しかしながら、重力沈降法は、多くの部分が多結晶状態となり、広範囲で規則的な周期構造を形成することができない。また、自然に沈降するのを待たなければならず、長い時間が必要となり、大面積の微粒子結晶を得ることが困難である。また、非特許文献４の方法も多結晶状態となり、これを解消するためには非常に長い時間を必要とする。

引き上げ法は、比較的短時間で２次元、３次元の微粒子結晶を得ることができるが、多層積層させると結晶中に結晶欠陥が多く形成され、結晶性が低下してしまう。引き上げ法で形成された結晶表面をＡＦＭで観察した結果を図１に示す。図中の実線に沿って欠陥の一種である転位が形成されていることがわかる。また、溶媒の蒸発過程が最表面から起こり、最表面にできた微結晶が溶媒ほどの表面張力を持たない場合、その表面を支えきれずに崩壊してしまう。その結果、大きな亀裂が発生し、結晶の崩壊を招きやすくなり、長期に安定した微粒子結晶とはならない。

このような方法で種々の粒径の微粒子からなる微粒子層を積層させた場合、層を重ねるにつれて機械的強度が弱くなってしまう。また、シリカ微粒子自体に柔軟性が期待できないことにより、引っ張りや曲げに対して弱い構造となる。そこで、微粒子を固定化する方法が提案されている。

基板と微粒子を分散させる分散媒との親和性が周期的に異なるような周期変調パターンを形成すると共にその周期方向が微粒子膜相と分散媒相との固液界面の移動方向と略平行にして、基板に微粒子分散液を展開し、任意の方向から基板上の分散媒を乾燥させて微粒子膜を作成する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

また、基板に両親媒性分子からなるバインダー層を設け、その表面に微粒子を積層させた微粒子を固定させた微粒子膜の形成方法がある（例えば、特許文献２参照）。さらに、電荷を有する微粒子とその逆の電荷を有する微粒子とを高分子化合物を吸着させ、その微粒子同士を電場の印加により接着させる方法がある（例えば、特許文献３参照）。

またさらに、官能基を有する微粒子同士を３次元的に結合させるフォトニック結晶が報告されている（例えば、特許文献４参照）。また、微粒子を有する微粒子層を複数積層させた微粒子層積層膜の微粒子同士を高分子によって接着させる方法がある（例えば、特許文献５参照）。

Ｐ．Ｊｉａｎｇｅｔａｌ．，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．，１１，２１３２（１９９９）Ｙ．Ｘｉａｅｔａｌ．，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，１２（１０），６９３（２０００）Ｈ．Ｍｉｇｕｅｚｅｔａｌ．，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，１０（６），４８０（１９９８）Ｂ．Ｇａｔｅｓ，Ｄ．Ｑｉｎ，Ｙ．Ｘｉａ，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，１１，４６６（１９９９）Ｋ．Ｎａｇａｙａｍａ，Ｊ．Ｓｏｃ．ＰｏｗｄｅｒＴｅｃｈｎｏｌ．，Ｊａｐａｎ，３２，４７６（１９９５）Ｊ．Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ，Ｎａｔｕｒｅ，４１４（１５），２５７（２００１）Ｙ．−Ｈ．Ｙｅｅｔａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７８（１），５２（２００１）特開２００３−１８１２７５号公報特開平０８−２２９４７４号公報特開２００２−２２２７４２号公報特開２００２−３４１１６１号公報特開２００２−３６１７６７号公報

特許文献１の方法は、基板表面に微粒子分散溶液の分散媒との親和性が周期的に異なるような周期変調パターンを形成することで、形成される微粒子膜の欠陥を所定の場所に掃き集め、それ以外の領域の微粒子膜を無欠陥とすることができる。しかしながら、無欠陥の領域を形成するためには、所定の間隔をもって欠陥が集中する領域が形成される。無欠陥領域を広くしようとすると、従来同様に無欠陥領域内に欠陥が生じてしまう可能性がある。したがって、無欠陥領域の大きさに制限がある。

特許文献２の方法は、バインダー層により基板と微粒子とを固定化することができるものの、微粒子を規則的に配列させるためには、微粒子を配列させる基板が平坦であり、基板と微粒子との親和性が高いものでなければならない。特許文献３の方法は、電荷を有する微粒子にその電荷と反対側の電荷を有する高分子を吸着させるため、使用する微粒子が電荷を有するものに制限される。また、微粒子同士を固定化させるためには、電場を印加する必要がある。

特許文献４のフォトニック結晶は、官能基を有する微粒子とその官能基と反応する別の官能基を有する微粒子とを１層ずつ交互に積層させなければ、微粒子同士を化学結合により固定化できない。そのため、微粒子層を厚くしようとする場合、何度も同じ工程を行わなければならない。特許文献５の方法は、静電的相互作用により基板と微粒子及び微粒子と高分子とを接着させるものである。したがって、微粒子を帯電させる必要がある。

そこで、本発明はこのような上記実状に鑑み、結晶粒界及び亀裂の少ない微粒子層を形成することができ、高結晶性で機械的強度を向上させることができる微粒子構造体の形成方法を提供することを目的とする。また、その形成方法により形成された結晶性の高い微粒子構造体及びスクリーンの提供を目的とする。

本発明の微粒子構造体の形成方法は、配列微粒子を自己組織化により規則的に配列させた微粒子配列層を有する微粒子構造体の形成方法であって、上記微粒子配列層の下地となる下地微粒子を基体に堆積させて下地微粒子層を形成する工程と、上記下地微粒子層の上記下地微粒子を固定剤により固定化する工程と、上記下地微粒子層の層上に上記配列微粒子を分散させた配列微粒子溶液を塗布し、上記配列微粒子溶液を乾燥させて上記微粒子配列層を形成する工程とを有することを特徴とする。

本発明の微粒子構造体の形成方法によれば、下地微粒子層の下地微粒子を固定剤により固定化することで、基板の配列微粒子を配列させる面を略平坦にすることができ、微粒子配列層の結晶欠陥を少なくすることができる。また、結合剤は下地微粒子層に柔軟性を与えることができ、乾燥に伴う亀裂を防ぐことができる。すなわち、微粒子を帯電させるといったような特別な操作を必要とせずに、結晶性の高い微粒子構造体を形成することができる。

本発明の微粒子構造体は、基体と、上記基体上に配列微粒子を自己組織化により規則的に配列させた微粒子配列層と、下地微粒子を堆積させ、上記基体上に上記微粒子配列層の下地となる下地微粒子層と上記下地微粒子層の上記下地微粒子を固定化する固定剤とを有することを特徴とする。

本発明の微粒子構造体によれば、配列微粒子を規則的に配列させた微粒子配列層の結晶粒界が少ないため、結晶性が高い。例えば、この微粒子構造体を所定の波長域の光を反射するフォトニック結晶とする場合、粒界が少なく結晶性の高いフォトニック結晶となり、反射特性の高いフォトニック結晶となる。そして、微粒子構造体は下地微粒子を固定化することで、微粒子構造体の機械的強度が向上し、曲げや引っ張りに強くなる。

本発明のスクリーンは、基体と、上記基体上に配列微粒子を自己組織化により規則的に配列させた微粒子配列層と、下地微粒子を堆積させ、上記基体上に上記微粒子配列層の下地となる下地微粒子層と上記下地微粒子層の上記下地微粒子を固定化する固定剤とを有することを特徴とする。

本発明のスクリーンによれば、結晶粒界の少ない微粒子層を形成することができ、選択的に反射率の高いスクリーンとなり、コントラスト比や画質が低下しないスクリーンとなる。そして、機械的強度が向上するため、曲げや引っ張りに対して強いスクリーンとなる。

また、本発明の別の微粒子構造体の形成方法は、微粒子を分散させた微粒子溶液を基体に塗布する工程と、上記基体に塗布された微粒子溶液を乾燥させて上記基体に上記微粒子を自己組織化により規則的に配列させた微粒子層を形成する工程と、上記微粒子層の上記微粒子と共有結合する結合剤により上記微粒子を固定化する工程とを有することを特徴とする。

本発明の別の微粒子構造体の形成方法によれば、微粒子を規則的に配列させた微粒子層に結合剤で微粒子と共有結合を形成し、分子間力よりも強い共有結合で微粒子が固定化されることで機械的強度をもたせることができる。また、微粒子と共有結合を形成させるため結合剤の溶媒への再溶解を防ぐことができ、形成される微粒子層の均一な面を保つことができる。これにより、微粒子層を積層させるような場合、層上に形成される微粒子層の結晶性の悪化を防ぐことができる。

本発明の別の微粒子構造体は、基体と、上記基体上に微粒子を自己組織化により規則的に配列させた微粒子層と、上記微粒子層の上記微粒子と反応して共有結合を形成する結合剤とを有することを特徴とする。

本発明の微粒子構造体によれば、結合剤によって微粒子を共有結合により固定化することで、機械的強度を向上させることができる。そして、結合剤の溶媒への再溶解を防ぐことができ、形成された微粒子層の均一な面を保つことができる。そのため、微粒子層を積層させるような場合、層上に形成される微粒子層の結晶性の悪化を防ぐことができる。例えば、この微粒子構造体を所定の波長域の光を反射するフォトニック結晶とする場合、反射率の高い微粒子構造体を形成することができる。

本発明の別のスクリーンは、基体と、上記基体上に微粒子を自己組織化により規則的に配列させた微粒子層と、上記微粒子層の上記微粒子と反応して共有結合を形成する結合剤とを有することを特徴とする。

本発明のスクリーンは、微粒子と結合剤とで共有結合を形成することで、機械的強度を向上させ、溶媒に結合剤が再溶出することがなく、均一な面を保つことができる微粒子層を備えることができる。したがって、選択的で反射率の高いスクリーンとなり、コントラスト比や画質が低下しないスクリーンとなる。

本発明の微粒子構造体の形成方法は、下地微粒子層の下地微粒子を固定剤により固定化することで、基板の配列微粒子を配列させる面を略平坦にすることができ、微粒子配列層の結晶欠陥を少なくすることができる。また、結合剤は下地微粒子層に柔軟性を与えることができ、乾燥に伴う亀裂を防ぐことができる。すなわち、微粒子を帯電させるといったような特別な操作を必要とせずに、結晶性の高い微粒子構造体を形成することができる。また、結合剤で配列微粒子を固定化することで、微粒子構造体の機械的強度を向上させると共に、結合剤の溶媒への再溶解を防ぎ形成される微粒子配列層の均一な面を保つことができる。これにより、結晶性の高い微粒子構造体を形成することができる。

本発明の微粒子構造体は、配列微粒子を規則的に配列させた微粒子配列層の結晶粒界が少ないため、結晶性が高い。例えば、この微粒子構造体を所定の波長域の光を反射するフォトニック結晶とする場合、粒界が少なく結晶性の高いフォトニック結晶となり、反射特性の高いフォトニック結晶となる。そして、微粒子構造体は下地微粒子を固定化することで、微粒子構造体の機械的強度が向上し、曲げや引っ張りに強くなる。また、結合剤で配列微粒子を固定化することで機械的強度を向上させ、微粒子配列層の均一な面を保つことができ、結晶性の高い微粒子構造体を形成することができる。

本発明のスクリーンは、結晶粒界の少ない微粒子層を形成することができ、選択的に反射率の高いスクリーンとなり、コントラスト比や画質が低下しないスクリーンとなる。そして、機械的強度が向上するため、曲げや引っ張りに対して強いスクリーンとなる。また、結合剤で配列微粒子を固定化することで機械的強度を向上させ、反射特性の高いスクリーンとなる。

以下、本発明の微粒子構造体の形成方法、微粒子構造体及びスクリーンについて図面を参照しながら説明する。なお、本発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

［実施の形態１］
図２は、本発明の微粒子構造体の一例を示す図である。図２で示される本発明の微粒子構造体１の形成方法は、基板１０に配列微粒子１２を自己組織化により規則的に配列させた微粒子配列層１５を形成するために、微粒子配列層１５の下地となり、下地微粒子１１を基板１０に堆積させてなる下地微粒子層１４を形成し、その下地微粒子層１４の下地微粒子１１を固定剤１３によって固定化し、下地微粒子１１が固定化された下地微粒子層１４を有する基板１０に配列微粒子１２を溶媒に分散させた配列微粒子溶液を塗布し、基板１０上の配列微粒子溶液を乾燥させることで形成することができる。本実施の形態では、下地微粒子１１と固定剤１３とを溶媒に分散させた下地微粒子溶液を用いて下地微粒子層１４が形成される。

基板１０は、形成する微粒子構造体１の基体となるものである。この基板１０に下地微粒子１１の堆積させて下地微粒子層１４を形成し、さらにその層上に配列微粒子１２を規則的に配列させた微粒子配列層１５を備えることができる。基板１０の形状は、特に限定されるものではないが、微粒子構造体１の用途により適宜変更することができる。例えば、微粒子構造体１をスクリーンとして使用する場合、所定の大きさを有するシート状の部材を使用してもよい。

基板１０の材質としては、下地微粒子１１や配列微粒子１２を分散させる溶媒に膨潤しないものであれば特に限定するものではなく、適宜変更することができる。例えば、ガラス等の無機酸化物やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の有機材料でもよい。また、基板１０の表面は親水性であっても親油性であってもよく、使用する微粒子及び溶媒の性質等により適宜変更することができる。また、微粒子の積層を助けるために基板１０をサンドブラスト等により凹凸を設けてもよい。

下地微粒子１１は、微粒子配列層１５を形成する配列微粒子１２よりも小さい粒径を有している。この下地微粒子１１を溶媒に分散させた下地微粒子溶液を基板１０に塗布し、乾燥させることで下地微粒子溶液の溶媒が徐々に蒸発し、基板１０上に下地微粒子１１が堆積する。下地微粒子１１の材質としては、特に限定されるものではないが、親水性のシリカや親油性のポリスチレン等が挙げられる。

下地微粒子１１は、溶媒に分散させた下地微粒子溶液として基板１０に塗布される。その溶媒としては、大気中に蒸発できるものであれば特に限定されるものではなく、使用する下地微粒子１１に応じて適宜変更することができる。例えば、水やアルコール等が挙げられ、これらの混合溶媒でもよい。水やアルコールは比較的容易に蒸発させることができる。

下地微粒子溶液は、溶媒に下地微粒子１１を分散させた溶液である。この溶液を基板１０に塗布し、基板１０に塗布された下地微粒子溶液の溶媒を蒸発させることで基板１０上に下地微粒子１１を堆積させることができる。このとき、下地微粒子１１同士が集合し、基板１０の表面を略平坦にすることができる。また、この下地微粒子溶液に下記で説明する固定剤１３を下地微粒子１１と一緒に分散させる。

配列微粒子１２は、所要の粒径を有している。この粒径は、下地微粒子１１よりも大きい粒径を有している。この配列微粒子１２を溶媒に分散させた配列微粒子溶液を下地微粒子１１を堆積させてなる下地微粒子層１４を有する基板１０に塗布する。塗布後、乾燥させることで、配列微粒子溶液の溶媒が徐々に蒸発し、下地微粒子層１４の層上に配列微粒子１２が自己組織化により規則的に配列し、微粒子配列層１５を形成することができる。配列微粒子１２の材質としては、特に限定されるものではなく、例えば、親水性のシリカや親油性のポリスチレン等が挙げられる。

配列微粒子１２は、溶媒に分散させた配列微粒子溶液として基板１０に塗布される。その溶媒としては、大気中に蒸発できるものであれば特に限定されるものではなく、使用する配列微粒子１２に応じて適宜変更することができる。例えば、水やアルコール又はそれらの混合溶媒等が挙げられ、これらの混合溶媒でもよい。水やアルコールは比較的容易に蒸発させることができる。

配列微粒子溶液は、溶媒に配列微粒子１２を分散させた溶液である。この溶液を基板１０に塗布し、基板１０に塗布された配列微粒子溶液の溶媒を蒸発させることで、配列微粒子１２が基板１０上で自己組織化により規則的に配列し、微粒子配列層１５を形成することができる。

固定剤１３は、基板１０に堆積した下地微粒子１１を固定化することができる。固定剤１３は、下地微粒子１１と一緒に溶媒に分散されることで、下地微粒子１１に絡まるように付着し、下地微粒子１１とともに基板１０に堆積する。下地微粒子１１が基板１０に堆積し、乾燥させることで下地微粒子１１の表面の固定剤１３が他の下地微粒子１１や基板１０に付着することで、下地微粒子１１を固定化することができる。

固定剤１３としては、微粒子を固定化することができるものであれば特に限定されるものではないが、親水性又は親油性の高分子を使用することができる。例えば、親水性の高分子としてはポリビニルアルコール等が挙げられ、親油性の高分子としてはポリスチレン等が挙げられる。また、これらの共重合体も使用することができる。さらに、親水性及び親油性の両方の性質を有する両親媒性の高分子を用いてもよい。

これにより、基板１０の表面に略平坦な配列微粒子を積層させる面を形成することができる。そして、この略平坦な面により配列微粒子１２が自己組織化により規則的に配列し、結晶欠陥の少ない微粒子配列層１４を形成することができる。また、固定剤１３で下地微粒子１１を固定化することで、引っ張りや曲げに対する機械的強度を向上させることができる。

例えば、サンドブラストにより凹凸を形成した基板に下地微粒子層を形成するとき、最表面から蒸発が進み、微粒子の微結晶がその表面を支えるのが困難になることがある。この場合、表面に亀裂が形成されてしまう。すなわち、微粒子が早い段階から微結晶を作ってしまうと考えられる。この固定剤１３は、この亀裂を防止することができる。すなわち、微粒子を固定することで最も早く乾燥する最表面を支えるとともに、微粒子の微結晶に柔軟性を持たせることで、溶媒の蒸発に伴ってかかる力を分散することができる。

また、基板１０とは異なるぬれ性の材質からなる固定剤１３を使用することで、基板１０のぬれ性を変化させることができる。これにより、基板１０と配列微粒子１２とのぬれ性が異なる場合でも、この固定剤１３の材質を選択することで、微粒子配列層１５の形成を容易にすることができる。例えば、ポリスチレン等の親油性の材質を主成分とする固定剤１３を使用することにより、親水性の基板１０に親油性の配列微粒子１２を積層することもできる。また逆に、ポリビニルアルコール等の親水性の材質を主成分とする固定剤１３を使用することにより、親油性の基板１０に親水性の配列微粒子１２を積層することもできる。また、親水性及び親油性の両方の性質を有する両親媒性の高分子を用いても、基板１０とぬれ性の異なる配列微粒子１２を積層させることができる。

本発明の微粒子構造体１の形成方法は、まず、基板１０を下地微粒子１１と固定剤１３とを溶媒に分散した下地微粒子溶液に浸漬させる。この基板１０を下地微粒子溶液から引き上げることで、基板１０に下地微粒子溶液を塗布することができる。このとき、基板１０にサンドブラスト等により凹凸を設けてもよい。これにより、下地微粒子１１を堆積させやすくすることもできる。この塗布方法は、このような引き上げ法に限られるものではない。例えば、スクリーンコータ、カーテンコータ、ナイフコータ等により塗布してもよい。

次に、基板１０に塗布された下地微粒子溶液を乾燥させる。このとき、基板１０上の下地微粒子溶液の溶媒が徐々に蒸発する。そして、下地微粒子１１が基板１０に堆積し、下地微粒子１１の表面の固定剤１３が他の下地微粒子１１や基板１０に付着して下地微粒子１１を固定化することができる。これにより、略平坦な下地微粒子層１４を形成することができる。

略平坦な下地微粒子層１４を形成した基板１０は、配列微粒子１２を溶媒に分散させた配列微粒子溶液に浸漬させる。この基板１０を配列微粒子溶液から引き上げることで、基板２０に形成された下地微粒子層１４の層上に配列微粒子溶液を塗布することができる。この塗布方法は、このような引き上げ法に限られるものではない。例えば、スクリーンコータ、カーテンコータ、ナイフコータ等により塗布してもよい。

そして、配列微粒子溶液が塗布された基板１０を乾燥させる。これにより、配列微粒子溶液の溶媒が徐々に蒸発し、下地微粒子層１４上で配列微粒子１２が自己組織化により規則的に配列し、微粒子配列層１５を形成することができる。

このように形成される微粒子配列層１５は、略平坦な下地微粒子層１４によって粒界が少なくなる。また、固定剤１３で下地微粒子１１を固定化することで、引っ張りや曲げに対する機械的強度を向上させることができる。また、固定剤１３により、微粒子配列層１５の亀裂の発生を防ぐことができる。

本発明の微粒子構造体１の形成方法は、基板１０のぬれ性を変えることができる。すなわち、基板１０と異なるぬれ性の固定剤１３を使用することで基板１０のぬれ性を変えることができる。

例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる親油性の基板１０と、ポリビニルアルコールを有する親水性の固定剤１３とを使用し、上記の方法により下地微粒子層１４を形成すると、形成された下地微粒子層１４の表面のぬれ性は、親油性から親水性と変化させることもできる。また、ガラスからなる親水性の基板１０と、ポリスチレンを有する親油性の固定剤１３を使用し、上記の方法により下地微粒子層１４を形成すると、形成された下地微粒子層１４の表面のぬれ性は、親水性から親油性と変化させることもできる。

このように、下地微粒子１１を固定化する固定剤１３により基板１０のぬれ性を変化させることができる。これにより、基板１０のぬれ性と異なるぬれ性を有する配列微粒子１２を溶媒に分散させた配列微粒子溶液を付着させやすくなり、均一な塗布を可能とする。したがって、基板１０のぬれ性と異なるぬれ性を有する配列微粒子１２を使用しても、配列微粒子１２を自己組織化により規則的に配列させ、より結晶粒界の少ない微粒子配列層１４を形成させることができる。また、微粒子に電荷をかける必要が無く、固定剤１３を下地微粒子１１と一緒に溶媒に分散させるだけで結晶性の高い微粒子構造体１を形成することができる。

本発明の微粒子構造体１の形成方法は、これに限られるものではない。例えば、下地微粒子層１４と微粒子配列層１５との間に、ぬれ性を変える改質剤を備えてもよい。改質剤は、親水性と親油性の両方の性質を有している。これにより、微粒子層のぬれ性を変えることができる。例えば、下地微粒子層１４の表面が親水性である場合、この改質剤を設けることで、親油性の配列微粒子１２も積層させることができる。また、この改質剤は、固定剤１３と一緒に層内に存在していてもよい。

また、下地微粒子１１を固定剤１３により固定化した後、形成された下地微粒子層１４の層上に、再び下地微粒子１１を堆積させ第２の下地微粒子層を形成し、その上に配列微粒子１２を積層させて微粒子配列層１５を形成してもよい。このとき、第２の下地微粒子を形成する下地微粒子１１は、下地微粒子層１４と同様に、溶媒に固定剤１３と一緒に分散された下地微粒子溶液を使用してもよい。

またさらに、配列微粒子１２と共有結合を形成する官能基を有する結合剤を使用して、微粒子を固定化してもよい。結合剤は、微粒子を共有結合により結合することができる官能基を有している。結合剤としては、微粒子と共有結合する官能基を有していれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリビニルアルコールを主成分とする高分子が挙げられる。

また、この官能基としては、特に限定されるものではないが、使用する微粒子により適宜変更することができる。例えば、微粒子がシリカである場合、シリカ微粒子とシランカップリングできるような官能基が挙げられる。シランカップリングすることができる官能基としては、−ＯＲ、−Ｃｌ、−ＮＲ_２（Ｒは、水素又は炭化水素基）といった加水分解基とケイ素が結合したものが挙げられる。例えば、シリカ微粒子とシランカップリングできるような官能基としては、トリメトキシシリル基、トリエトキシシリル基、メチルジメトキシシリル基、トリアセトキシシリル基、トリクロロシリル基、アミノシリル基、ジメチルアミノシリル基等が挙げられる。

シランカップリングは、シリカ等のケイ素を有する物質と比較的容易に共有結合を形成することができる。そのため、この結合剤を使用することで、微粒子と容易に共有結合を形成し、微粒子を固定化することができる。この結合剤も、改質剤と同様に微粒子層の層上や層内のどちらに存在していてもよい。この結合剤は、例えば、スプレーで噴霧したり、スクリーンコータ、カーテンコータ、ナイフコータ等を利用して塗布されたりしてもよい。

このように、結合剤で配列微粒子１２を固定化することで、形成される微粒子構造体の機械的強度を向上させることができる。また、例えば、上記の方法を使用して複数の微粒子を積層させる等のように、溶媒に形成した微粒子配列層１５を有する基板１０を浸漬させる場合に結合剤の溶媒への再溶解を防ぐことができる。これにより、形成された微粒子配列層の均一な面を保つことができる。

また、この結合剤と同様に、下地微粒子１１と共有結合を形成する高分子を固定剤１３として使用することもできる。これにより、下地微粒子１１を固定化すると共に、下地微粒子層１４の形成後に、例えば配列微粒子１２を配列させるために配列微粒子溶液に基板１０を浸漬させる場合等で固定剤１３の溶媒への再溶解を防ぐことができる。そして、形成される下地微粒子層の均一な面を保つことができ、下地微粒子層１４の層上に形成される微粒子配列層１５の結晶粒界を少なくし、結晶性の高い微粒子構造体１を形成することができる。

上記方法により形成される本発明の微粒子構造体１は、図２のように、基板１０と、基板１０上に配列微粒子１２を自己組織化により規則的に配列させた微粒子配列層１５と、微粒子配列層１５の下地となる下地微粒子１１を堆積してなる下地微粒子層１４と、下地微粒子層１４の下地微粒子１１を固定化する固定剤１３とを有している。この下地微粒子１１と固定剤１３は、ともに溶媒に分散させることで、下地微粒子１１の表面に絡まるように付着し、基板に塗布後乾燥させることで、下地微粒子１１を固定化することができる。

このような微粒子構造体１は、形成される微粒子配列層１５の結晶粒界及び亀裂が少ないことで、結晶性の高い微粒子構造体となる。例えば、この構造体を所定の波長を反射することができるフォトニック結晶として用いる場合、結晶性が高いことにより、反射率や選択性の高くすることができる。さらに、曲げや引張りに対して機械的な強度が向上しているため、この微粒子構造体を曲げたり引っ張ったりしても、微粒子配列層１５が傷まず、応用範囲を広げることができる。

［実施の形態２］
本発明の微粒子構造体の形成方法は、上記実施の形態１の方法に限られるものではない。以下、別の微粒子構造体の形成方法について説明する。図３は、本発明の微粒子構造体２の一例を示す図である。図３で示される本発明の微粒子構造体２の形成方法は、基体である基板２０に配列微粒子２２を自己組織化により規則的に配列させた微粒子配列層２５を形成するために、微粒子配列層２５の下地となり下地微粒子２１を基板２０に堆積させてなる下地微粒子層２４を形成し、その下地微粒子層２４に下地微粒子２１を固定化する固定剤２３を塗布することで下地微粒子２１を固定化し、下地微粒子２１が固定化された下地微粒子層２４を有する基板２０に配列微粒子２２を溶媒に分散させた配列微粒子溶液を塗布し、基板２０上の配列微粒子溶液を乾燥させることで形成する方法である。

本実施の形態で使用する基板２０、下地微粒子２１及び配列微粒子２２は上記実施の形態１で使用する基板、下地微粒子及び配列微粒子と同様である。また、本実施の形態は、実施の形態１で使用してもよい改質剤や結合剤を使用してもよい。

固定剤２３は、実施の形態１と同様に基板２０に堆積した下地微粒子２１を固定化することができる。固定剤２３は、下地微粒子層２４の形成後に下地微粒子層２４に塗布される。塗布された固定剤２３は、下地微粒子層２４の下地微粒子２１を固定化することができる。

固定剤２３としては、実施の形態１で説明した固定剤と同様に、微粒子を固定化することができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば親水性又は親油性の高分子を使用することができる。例えば、親水性の高分子としてはポリビニルアルコール等が挙げられ、親油性の高分子としてはポリスチレン等が挙げられる。また、これらの共重合体も使用することができる。さらに、親水性及び親油性の両方の性質を有する両親媒性の高分子を用いてもよい。

これにより、基板２０の表面に略平坦な配列微粒子を積層させる面を形成することができる。そして、この略平坦な面により配列微粒子２２が自己組織化により規則的に配列し、結晶欠陥の少ない微粒子配列層２４を形成することができる。

本発明の微粒子構造体２の形成方法は、まず、基板２０を下地微粒子２１を溶媒に分散した下地微粒子溶液に浸漬させる。この基板２０を下地微粒子溶液から引き上げることで、基板２０に下地微粒子溶液を塗布することができる。このとき、基板２０にサンドブラスト等により凹凸を設けてもよい。これにより、下地微粒子２１を堆積させやすくすることもできる。この塗布方法は、このような引き上げ法に限られるものではない。例えば、スクリーンコータ、カーテンコータ、ナイフコータ等により塗布してもよい。

次に、基板２０に塗布された下地微粒子溶液を乾燥させる。このとき、基板２０上の下地微粒子溶液の溶媒が徐々に蒸発する。そして、下地微粒子２１が基板２０に堆積し、下地微粒子層２４を形成することができる。

そして、基板２０上の形成された下地微粒子層２４に固定剤２３を塗布する。この固定剤２３は、スクリーンコータ、カーテンコータ、ナイフコータ等を使用して下地微粒子層２４に塗布してもよい。また、スプレーを使用して下地微粒子層２４に噴霧してもよい。固定剤２３は、下地微粒子層２４の層上のみ塗布することもできるが、毛管現象によって下地微粒子層２４の層内にまで染み込ませることもできる。固定剤２３を層上のみとすることで、使用量を少なくすることができる。また、固定剤２３を層内に存在させることで、より多くの下地微粒子２１を固定化することができる。これにより、略平坦な下地微粒子層２４を形成することができる。

略平坦な下地微粒子層２４を形成した基板２０は、配列微粒子２２を溶媒に分散させた配列微粒子溶液に浸漬させる。この基板２０を配列微粒子溶液から引き上げることで、基板２０に形成された下地微粒子層２４の層上に配列微粒子溶液を塗布することができる。この塗布方法は、このような引き上げ法に限られるものではない。例えば、スクリーンコータ、カーテンコータ、ナイフコータ等により塗布してもよい。

そして、配列微粒子溶液が塗布された基板２０を乾燥させる。これにより、配列微粒子溶液の溶媒が徐々に蒸発し、下地微粒子層２４上で配列微粒子２２が自己組織化により規則的に配列し、微粒子配列層２５を形成することができる。

基板には、サンドブラスト等のように意図的に凹凸を備えるものも含まれるが、意図的に凹凸を備えなくても、小さな傷や窪み等があり、完全に平坦にすることは難しい。この基板の凹凸を埋めるように下地微粒子層を堆積させたとしても、その下地微粒子層に微粒子を分散させる溶媒が染み込んでしまう。この染み込み深さは、下地微粒子層の表面から基板までの距離であるため、図４のように、基板の凹凸に依存することになる。これにより、下地微粒子層の層上に形成する微粒子配列層に結晶粒界が発生してしまう。この染み込み深さの影響を無くすために溶媒とぬれ性の異なる固定剤を使用することで、溶媒の染み込みを防ぐことができる。

このように、固定剤２３は、図３のように、下地微粒子層２４に塗布することで、下地微粒子層２４への溶媒の侵入を防ぐことができ、溶媒の染み込み深さの影響による結晶粒界の発生を防ぎ、結晶粒界の少ない微粒子配列層２４を形成することができる。また、微粒子に電荷をかける必要が無く、固定剤２３を下地微粒子層２４に塗布又は噴霧するだけで結晶性の高い微粒子構造体１を形成することができる。

以下、本発明の微粒子構造体の形成方法の変形例について説明する。本発明の微粒子構造体の形成方法は、図５乃至図７のように実施の形態１で説明した改質剤２６を使用してもよい。改質剤２６は、親水性と親油性の両方の性質を持つ両親媒性高分子である。したがって、親水性或いは親油性であった下地微粒子層２１の表面を両親媒性とすることができ、親水性、親油性のどちらの配列微粒子２２も積層させることができる。これにより、固定剤２４とのぬれ性の異なる微粒子を配列微粒子２２として使用しても、自己組織化により規則的に配列させることができる。そして、結晶粒界の少ない微粒子配列層２５を形成することができる。よって結晶性の高い微粒子構造体を形成することができる。

改質剤２６は、固定剤２３と同様に下地微粒子層２４の層上又は層内のいずれに存在していてもよい。例えば、図５のように、固定剤２３が下地微粒子層２４の層内に存在し、その層上に改質剤２６を存在させて、その上に配列微粒子２２を配列させてもよい。これは、下地微粒子層２４の形成後に、固定剤２３を下地微粒子層２４の層内にも存在させるように塗布する。そして、塗布後に、層上にのみ存在するように改質剤２６を塗布することで形成できる。

また、例えば、図６のように、固定剤２３が下地微粒子層２４の層上に存在し、その層上に改質剤２６を存在させて、その上に配列微粒子２２を配列させてもよい。これは、下地微粒子層２４の形成後に、固定剤２３を下地微粒子層２４の層上にのみ存在させるように塗布する。そして、塗布後に、層上にのみ存在するように改質剤２６を塗布することで形成できる。

また、例えば、図７のように、固定剤２３と改質剤２６が下地微粒子層２４の層内に存在し、その上に配列微粒子２２を配列させてもよい。これは、下地微粒子層２４を形成後に、固定剤２３を下地微粒子層２４の層内にも存在させるように塗布する。そして、塗布後に、層内にも存在するように改質剤２６を塗布することで形成できる。また、固定剤２３及び改質剤２６を混合して塗布してもよい。

また、本発明の微粒子構造体３の形成方法は、下地微粒子層３４の形成後、その下地微粒子層３４の層上に再び下地微粒子３１を堆積させてもよい。この場合、形成される微粒子構造体３は、図８のように、再び下地微粒子３１を堆積することで形成された第２の下地微粒子層３７が下地微粒子層３４と微粒子配列層３５との間に形成されることになる。この第２の下地微粒子層３７により、より平坦な面を基板３０に形成することができる。したがって、より結晶粒界の少ない微粒子配列層３５を形成することができる。

また、第２の下地微粒子層は、図９乃至図１１のように、改質剤３６が存在していもよい。この場合も、同様に、より平坦な面を基板３０に形成することができ、より結晶粒界の少ない微粒子配列層３５を形成することができる。

例えば、図９のように、固定剤３３が下地微粒子層３４の層内に存在し、その層上に改質剤３６を存在させ、その層上に再び下地微粒子３１を堆積させて第２の下地微粒子層３７を形成し、その上に配列微粒子３２を配列させてもよい。これは、下地微粒子層３４を形成後に、固定剤３３を下地微粒子層３４の層内にも存在させるように塗布する。そして、塗布後に、層上にのみ存在するように改質剤３６を塗布することで形成できる。

また、例えば、図１０のように、固定剤２３が下地微粒子層３４の層上に存在し、その層上に改質剤３６を存在させ、その層上に再び下地微粒子３１を堆積させて第２の下地微粒子層３７を形成し、その上に配列微粒子３２を配列させてもよい。これは、下地微粒子層２４を形成後に、固定剤３３を下地微粒子層３４の層上にのみ存在させるように塗布する。そして、塗布後に、層上にのみ存在するように改質剤３６を塗布することで形成できる。

また、例えば、図１１のように、固定剤３３と改質剤３６が下地微粒子層３４の層内に存在し、その層上に再び下地微粒子３１を堆積させて第２の下地微粒子層３７を形成し、その上に配列微粒子３２を配列させてもよい。これは、下地微粒子層３４を形成後に、固定剤３３を下地微粒子層３４の層内にも存在させるように塗布する。そして、塗布後に、層内にも存在するように改質剤３６を塗布することで形成できる。また、固定剤３３及び改質剤３６を混合して塗布してもよい。

さらに、本実施の形態で説明した第２の下地微粒子層は、上述のように、下地微粒子層を形成する下地微粒子を溶媒に分散させた下地微粒子溶液を再び使用して基板に堆積させてもよいが、このとき、固定剤を下地微粒子と一緒に溶媒に分散させて形成された下地微粒子溶液を使用してもよい。これにより、形成される配列微粒子の亀裂を防ぐことができる。そして、形成される微粒子構造体の曲げや引っ張りに対する機械的な強度を向上させることもできる。

またさらに、実施の形態１と同様に、使用する下地微粒子及び配列微粒子は、これら微粒子と共有結合を形成する官能基を有する結合剤を使用して、微粒子を固定化してもよい。このように、結合剤で微粒子を固定化することで、微粒子構造体の機械的強度を向上させることができる。また、例えば、上記の方法を使用して複数の微粒子を積層させる場合等のように、形成した微粒子層を有する基板を溶媒に浸漬させる場合に結合剤の溶媒への再溶解を防ぎ、形成される微粒子層の均一な面を保つことができる。これにより、結晶性の高い微粒子構造体を形成することができる。

上記方法により形成される本発明の微粒子構造体は、基板と、基板上に配列微粒子を自己組織化により規則的に配列させた微粒子配列層と、微粒子配列層の下地となる下地微粒子を堆積してなる下地微粒子層と、下地微粒子層の下地微粒子を固定化する固定剤とを有している。この固定剤は、下地微粒子層を形成した後に塗布されたもので、下地微粒子を固定化し、下地微粒子への溶媒の染み込みを防ぐことができる。また、下地微粒子層と微粒子配列層との間に下地微粒子の堆積によって形成される第２の下地微粒子層を有していてもよい。これにより、基板がより平坦な面を有することで、より結晶粒界の少ない微粒子配列層を形成することができる。

このような微粒子構造体は、形成される微粒子配列層の結晶粒界が少ないことで、結晶性の高い微粒子構造体となる。例えば、この構造体を所定の波長を反射することができるフォトニック結晶として用いる場合、結晶性が高いことにより、反射率や選択性の高くすることができる。

［実施の形態３］
上記実施の形態１及び実施の形態２に示された微粒子構造体の形成方法により、本発明のスクリーン５を形成することができる。図１２は、本発明のスクリーン５の一部拡大断面図である。このスクリーン５は、基体として可視光吸収層を兼ねる基板１００上に、下地微粒子を堆積してなる下地微粒子層２０４と、微粒子配列層として赤色の光４０１を反射する微粒子層２０１、緑色の光４０２を反射する微粒子層２０２、及び、青色の光４０３を反射する微粒子層２０３の３つの層とが形成されている。これは、まず、下地微粒子と固定剤２０５で上記の方法を用いて下地微粒子層２０４を形成する。そして、下地微粒子層２０４の層上に、上記の方法を使用して微粒子層２０１を形成する。その上に、微粒子層２０１を形成した方法で粒径の異なる微粒子を使用して微粒子層２０２を形成する。さらにその上に、微粒子層２０１を形成した方法で粒径の異なる微粒子を使用して微粒子層２０３を形成させる。このように、上記の微粒子構造体の形成方法のうち、微粒子配列層の形成工程を３回繰り返すことにより作製することができる。このとき使用される３種類の微粒子は、粒径は異なるものの自己組織化により規則的に配列し、形成された微粒子層は、それぞれ所定の波長の光を反射することができるフォトニック結晶である。

微粒子層２０１、２０２、２０３は、例えば、プロジェクタ等の光投影装置から投影される３原色光を反射して、フルカラーの画像を表示させることができる。通常、このスクリーン５には光投影装置以外から発生する外部光４０４も照射されている。微粒子層２０１、２０２、２０３は、所定の光、この例においては、微粒子層２０１は赤色の光４０１、微粒子層２０２は緑色の光４０２、微粒子層２０３は青色の光４０３を選択的に反射し、それ以外の光は透過させることができる。したがって、外部光４０４は、３つの微粒子層を透過し、可視光を吸収する基板１００に吸収されることとなる。したがって、このスクリーン５は、赤色の光４０１、緑色の光４０２、青色の光４０３の３つの光すなわち３原色光のみを反射することが可能となり、外部光４０４による画質の低下を防ぎ、鮮明な画像を映し出すことができる。

以上のように、本発明のスクリーン５は、下地微粒子層２０４を形成し、その下地微粒子層２０４の下地微粒子を固定剤２０５で固定化することで、下地微粒子層２０４の層上の微粒子層２０１、２０２、２０３の結晶粒界や亀裂を少なくすることができる。したがって、形成される微粒子層２０１、２０２、２０３は、結晶性の良いフォトニック結晶となる。これにより、選択的に所定の波長域の光を反射することができる。そして、このスクリーン５は、３原色光の波長のみを反射させることが可能となり、鮮明な映像を映し出すことができる。また、スクリーン５の機械的強度を向上させることができ、曲げや引っ張りに対して強いスクリーン５となる。

また、本発明のスクリーンは、実施の形態２のように、下地微粒子層を形成し、固定剤を塗布や噴霧して下地微粒子層の下地微粒子を固定化してもよい。その上に微粒子配列層として赤色の光を反射する微粒子層と緑色の光を反射する微粒子層と青色の光を反射する微粒子層を形成させるといったように、上記の微粒子構造体の形成方法のうち、微粒子配列層の形成工程を３回繰り返すことにより作製することができる。このとき使用される３種類の微粒子は、粒径は異なるものの自己組織化により規則的に配列し、形成された微粒子層は、それぞれ所定の波長の光を反射することができるフォトニック結晶である。これにより、形成される微粒子層は、結晶性の高いフォトニック結晶となり、反射率の高い選択的に光を反射するスクリーンとなる。したがって、実施の形態１で説明したスクリーンと同様に、３原色光のみを反射することが可能で、外部光による画質の低下を防ぎ、鮮明な画像を映し出すことができる。また、スクリーンの機械的強度を向上させることができ、曲げや引っ張りに対して強いスクリーンとなる。

［実施の形態４］
図１３は、本発明の微粒子構造体６の一例を示す図である。図１３に示される微粒子構造体６の形成方法は、基体である基板６０に微粒子６２を分散させた微粒子溶液を塗布し、基板６０に塗布された微粒子溶液を乾燥させて基板６０に微粒子６２を自己組織化により規則的に配列させた微粒子層６５を形成し、形成された微粒子層６５の微粒子と共有結合する結合剤６３により微粒子を固定化する工程とを有することで形成する方法である。

本実施の形態で使用する基板６０及び微粒子６２は上記実施の形態１で説明した基板及び配列微粒子と同様である。また、本実施の形態は、実施の形態１で説明した下地微粒子を堆積してなる下地微粒子層や改質剤を有していてもよい。

結合剤６３は、微粒子配列層６５の層上又は層内に有している。また、結合剤６３は、配列微粒子６２を共有結合により結合することができる官能基を有している。結合剤６３としては、微粒子と共有結合する官能基を有していれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリビニルアルコールを主成分とする高分子が挙げられる。

シランカップリングは、シリカ等のケイ素を有する物質と比較的容易に共有結合を形成することができる。そのため、この結合剤６３を使用することで、微粒子６２と容易に共有結合を形成し、微粒子６２を固定化することができる。この結合剤６３も、改質剤と同様に微粒子層６５の層上や層内のどちらに存在していてもよい。この結合剤６３は、例えば、スプレーで噴霧したり、スクリーンコータ、カーテンコータ、ナイフコータ等を利用して塗布されたりしてもよい。

本発明の微粒子構造体６の形成方法は、まず、基板６０を微粒子６２を分散させた微粒子溶液に浸漬させる。この基板６０を微粒子溶液から引き上げることで、基板６０に微粒子溶液を塗布することができる。この塗布方法は、引き上げ法に限られるものではない。例えば、スクリーンコータ、カーテンコータ、ナイフコータ等により塗布してもよい。

次に、基板６０に塗布された微粒子溶液を乾燥させる。このとき、基板６０上の微粒子溶液の溶媒が徐々に乾燥する。そして、微粒子６２が基板６０上で自己組織化により規則的に配列し、微粒子層６５を形成することができる。

そして、基板６０上の形成された微粒子層６５に結合剤６３を塗布する。この結合剤６３は、微粒子層６５の層上のみに塗布することもできるが、毛管現象によって微粒子層６５の層内にまで染み込ませることもできる。結合剤６３を層上のみとすることで、使用量を少なくすることができる。また、結合剤６３を層内に存在させることで、より多くの微粒子６２を固定化することができる。

本発明の微粒子構造体６の形成方法は、実施の形態１に示される微粒子層６５の下に微粒子層６５の下地となる下地微粒子からなる下地微粒子層を形成してもよい。この場合、下地微粒子層は実施の形態１で説明した固定剤、改質剤を有していてもよい。また、結合剤により下地微粒子層を固定化してもよい。これにより、下地微粒子によるより平坦な面を基板６０に形成することができ、下地微粒子層の層上に形成される微粒子層６５の欠陥を少なくすることができる。このとき、基板６０は、サンドブラスト等によって凹凸を形成していてもよい。これにより、微粒子を付着させやすくすることができる。

このように、形成される微粒子構造体６は、微粒子６２を規則的に配列した微粒子層６５を有し、結合剤６３により固定化されている。これにより、形成される微粒子構造体６の機械的強度を向上させることができる。

また、本発明の微粒子構造体の形成方法は、上述のように微粒子層６５を形成した後、図１４のように、異なる粒径の第２の微粒子６６を微粒子層６５の層上に同様に配列させた第２の微粒子層６７を形成することもできる。このとき、第２の微粒子６６は、溶媒に分散された微粒子溶液として微粒子層６５上に塗布され、乾燥させることで形成される。

微粒子層６５を形成する微粒子６２は、結合剤６３と共有結合している。そのため、第２の微粒子層６７の形成時に結合剤６３が溶媒に再溶解しない。すなわち、形成された微粒子層６５の均一な面が保たれる。よって、その層上に形成される第２の微粒子層６７に凹凸の影響による結晶粒界の発生を防ぐことができる。したがって、結晶性の高い微粒子構造体６を形成することができる。

本発明の微粒子構造体６は、図１３のように、基体である基板６０と、基板６０上に微粒子６２を自己組織化により規則的に配列させた微粒子層６５と、この微粒子層６５の微粒子６２と反応して共有結合を形成する結合剤６３とを有し、上述の微粒子構造体６の形成方法で形成することができる。

これにより、形成される微粒子構造体６は、結晶性の高い微粒子構造体６となる。そして、結合剤６３を有することで、溶媒への再溶解を防ぐことができ、形成される微粒子層６５の均一性を保つことができる。したがって、結晶性の高い微粒子構造体６となる。例えば、形成される微粒子構造体が所定の波長の光を反射することができるフォトニック結晶である場合、結晶性が高いことで、より選択的に光を反射することができ、反射特性の高いフォトニック結晶となる。また、粒径の異なる微粒子層が形成されていることで複数の波長の光を反射することもできる。

本発明のスクリーン７は、図１５のように、基体として可視光吸収層を兼ねる基板７００上と、微粒子層として赤色の光７４１を反射する微粒子層７２１、緑色の光７４２を反射する微粒子層７２２、及び青色の光７４３を反射する微粒子層７２３の３つの微粒子層が形成されている。これは、まず、上記の方法で自己組織化により規則的に配列することで赤色の光７４１を反射する微粒子で微粒子層７２１を形成する。形成された微粒子層７２１の微粒子は、共有結合を形成する結合剤７３１により固定化される。微粒子層７２１を形成した方法と同様に、微粒子層７２１の層上に自己組織化により規則的に配列することで緑色の光７４２を反射する微粒子で微粒子層７２２を形成する。形成された微粒子層７２２の微粒子は、共有結合を形成する結合剤７３２により固定化される。結合剤７３１と結合剤７３２は、同じものであってもよいが異なるものでもよい。微粒子層７２２の層上に自己組織化により規則的に配列することで青色の光７４３を反射する微粒子で微粒子層７２３を形成する。このように、赤色の光７４１を反射する微粒子層７２１、緑色の光７４２を反射する微粒子層７２２、及び、青色の光７４３を反射する微粒子層７２３を有するスクリーンを形成することができる。

微粒子層７２１、７２２、７２３は、例えば、プロジェクタ等の光投影装置から投影される３原色光を反射して、フルカラーの画像を表示させることができる。通常、このスクリーン７には光投影装置以外から発生する外部光７４４も照射されている。微粒子層７２１、７２２、７２３は、所定の光、この例においては、微粒子層７２１は赤色の光７４１、微粒子層７２２は緑色の光７４２、微粒子層７２３は青色の光７４３を選択的に反射し、それ以外の光は透過させることができる。したがって、外部光７４４は、３つの微粒子層を透過し、可視光を吸収する基板７００に吸収されることとなる。本発明のスクリーン７は、微粒子層７２１及び微粒子層７２２が結合剤により微粒子を固定化することで、その上の微粒子層形成時に結合剤及び微粒子の溶媒への再溶出を防ぐことができる。よって、基板７００上に形成される微粒子層７２１、７２２、７２３はそれぞれ均一な微粒子層となり、反射特性の高い微粒子層となる。すなわち、これの微粒子層７２１、７２２、７２３を有する本発明のスクリーン７は、赤色の光７４１、緑色の光７４２、青色の光７４３の３つの光すなわち３原色光のみを選択的に反射することが可能となり、外部光７４４による画質の低下を防ぎ、鮮明な画像を映し出すことができる。

以下、本発明の微粒子構造体に関する実施例を示す。なお、本発明においては、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

［実施例１］亀裂の予防
表面の崩壊を防ぐために、下地微粒子として粒径９０ｎｍのシリカ微粒子を水に分散させ、微粒子濃度１５．６ｗｔ％となるように下地微粒子溶液を調製した。その下地微粒子５００ｍｌに、水に溶解させた２ｗｔ％のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）水溶液（分子量１５万、けん化度９９．７％）を１ｍｌ滴下してよく攪拌した。この下地微粒子溶液に、基体としてサンドブラストで凹凸を用いて引き上げ法により下地微粒子層を形成した。このときの引き上げ速度は０．２ｃｍ／ｓで、浸漬及び引き上げ工程は２回行った。そのＳＥＭ写真を図１６に示す。比較として、ＰＶＡを滴下しないで下地微粒子を堆積させた。そのＳＥＭ写真を図１７に示す。

図１７のように、ＰＶＡを用いないと、基板を平坦にすることができるが、大きな亀裂があることがわかった。一方、図１６のように、ＰＶＡを用いることで亀裂の大きさが圧倒的に小さくなっていることが確認できた。これは、ＰＶＡを入れることで、微粒子層自身に柔軟性を持たせることができ、水の蒸発に伴ってかかる力を分散させることができためであることが確認できた。

［実施例２］機械的強度の向上
次に、下地微粒子のみからなる下地微粒子溶液から形成された下地微粒子層(サンプル１)と、実施例１のようにＰＶＡと下地微粒子からなる下地微粒子溶液から形成された下地微粒子層(サンプル２)とで、その機械的な強度の違いを比較した。サンプル１、サンプル２それぞれを下地微粒子層として堆積させ、下地微粒子層上に下地微粒子の直径の約３．３倍のシリカ微粒子を溶媒に分散させた微粒子溶液を用いて引き上げ法により塗布した。このときの引き上げ速度は１ｃｍ／ｓで、浸漬及び引き上げ工程は１回行った。

サンプル１とサンプル２にＳＥＭ写真では、表面形状に大差は見られなかった。しかしながら、引き上げ方向と同じ方向となるように基板を５回歪ませた場合、サンプル１は、崩壊してしまったのに対し、サンプル２は崩壊せずに残った。つまり、ＰＶＡにより微粒子を固定化し、下地の亀裂を無くすことで微粒子層の曲げや引張りに対する機械的な強度を向上させることができることがわかった。

［実施例３］基板の凹凸の平坦化
粒径９０ｎｍシリカ微粒子を水に分散させて、濃度が１５．６ｗｔ％となるように調製された下地微粒子溶液に、２ｗｔ％ＰＶＡ水溶液（分子量１５万、けん化度９９．７％）を滴下し、よく攪拌させた。このＰＶＡ入り下地微粒子溶液から、引き上げ法でＰＥＴ基板に微粒子層を形成した。このときの引き上げ速度は０．２ｃｍ／ｓで、浸漬及び引き上げ工程は２回行った。また、ＰＥＴ基板はサンドブラスト処理されており、その凹凸サイズは平均で３．８７μｍ（最大で５．３９μｍ）である。そのＳＥＭ写真を図１８に示す。図１８（ｂ）に示すようにＰＶＡが微粒子に付着した状態で結晶化するため、ミクロには空隙が見られる。図１８（ａ）のように、全体としてはサンドブラストの凹凸が平坦化されていることがわかる。

［実施例４］基板のぬれ性を変える
片面をサンドブラストで凹凸を形成し、もう片面を略平坦な面（鏡面）としたＰＥＴ基板を用いて、基板のぬれ性の変化について調べた。ぬれ性は一般的には液滴の接触角で評価でき、液滴を水とする場合、ＰＥＴのサンドブラスト面の接触角は７０．１°、鏡面では７６．３°であった。

基板のＰＥＴは、水との親和性がよくなく、また、微粒子結晶の状態で接触角が５．６°であるシリカ微粒子とも親和性がよくない。したがって、水に分散させたシリカ微粒子は、ＰＥＴ基板の鏡面に堆積させることは難しい。一方、サンドブラスト面の場合、鏡面より水及び微粒子との親和性がよく、凹凸による引っ掛かりがあるため、シリカ微粒子を積層させることができる。

粒径９０ｎｍシリカ微粒子を水に分散させ、濃度を１５．６ｗｔ％に調製した下地微粒子溶液に２ｗｔ％ＰＶＡ水溶液（分子量１５万、けん化度９９．７％）を滴下し、よく攪拌させた。このＰＶＡ入り下地微粒子溶液を用いて、サンドブラスト面と鏡面を有するＰＥＴ基板に下地微粒子層を形成したところ、鏡面にも微粒子結晶が形成されることがわかった。その鏡面側のＰＶＡ入り下地微粒子層のＳＥＭ写真を図１９に示す。下地微粒子層を形成したＰＥＴ基板の接触角を測定したところ、サンドブラスト面は７０．１°から１０．７°となり、鏡面は７６．３°から１３．７°となった。すなわち、本発明の微粒子構造体の形成方法により、基板のぬれ性を変化させることができることわかった。

［実施例５］従来法での微粒子配列層の形成
９０ｎｍシリカ微粒子を水に分散させて濃度が２０ｗｔ％となるように調製された下地微粒子溶液を使用して、サンドブラストしたＰＥＴ基板（凹凸サイズは平均で３．８７μｍ、最大で５．３９μｍ）に引き上げ法で下地微粒子を堆積させた。引き上げ速度は０．２ｃｍ／ｓで、浸漬及び引き上げ工程は２回行った。このようにして形成された下地微粒子層を有する基板を使用し、粒径３００ｎｍのシリカ微粒子を水に分散させて濃度が２０ｗｔ％となるように調製された配列微粒子溶液を使用して引き上げ法により微粒子配列層を形成した。このときの引き上げ速度は１ｃｍ／ｓで、浸漬及び引き上げ工程は３回行った。形成された微粒子構造体の反射率は２６％で、光散乱強度は２２ｃｄ／ｍ^２であった。

［実施例６］本発明の方法での微粒子配列層の形成
９０ｎｍシリカ微粒子を水に分散させて濃度が２０ｗｔ％となるように調製された下地微粒子溶液に、２ｗｔ％ＰＶＡ水溶液を滴下し、よく攪拌させた。この下地微粒子溶液を使用して、サンドブラストしたＰＥＴ基板（凹凸サイズは平均で３．８７μｍ、最大で５．３９μｍ）に引き上げ法で下地微粒子を堆積させた。引き上げ速度は０．２ｃｍ／ｓで、浸漬及び引き上げ工程は２回行った。この下地微粒子溶液に、０．３３ｗｔ％のポリスチレン／トルエン溶液を２．１μｌ／ｃｍ^２で噴霧した。ポリスチレンは分子量２８００００のものを用いた。よく乾燥させた後、可溶化処理をし、両親媒性高分子のポリ（エチレン−ｃｏ−ビニルアルコール）０．３３ｗｔ％溶液（イソプロピルアルコール／水＝１／１混合溶媒）を２．１μｌ／ｃｍ^２で噴霧してよく乾燥させた。以上のような鏡面化処理をした基板に、さらに、上記ＰＶＡ入り下地微粒子溶液から引き上げ法を使って下地微粒子を再度堆積させた。このときの引き上げ速度は０．２ｃｍ／ｓで、浸漬及び引き上げ工程は１回で行った。そして、その下地微粒子層の上に、粒径３００ｎｍのシリカ微粒子水に分散させて濃度を２０ｗｔ％となるように調製した配列微粒子溶液を使用して、引き上げ法により微粒子配列層を形成した。形成された微粒子構造体の反射率は４１％で、光散乱強度は９ｃｄ／ｍ^２であった。

［実施例７］比較
実施例５と実施例６とを比較する。図２０は実施例５で形成された微粒子構造体の表面形状のＳＥＭ写真で、図２１は実施例６で形成された微粒子構造体の表面形状のＳＥＭ写真である。図２０のように、実施例５で形成された微粒子構造体には無数の結晶粒界があるのに対し、図２１のように、実施例６で形成された微粒子構造体にはほとんど結晶粒界がないことがわかる。結晶性の指標である反射率は、結晶の厚さにも依存するため単純比較はできないが、散乱強度を同じにした場合、実施例６の微粒子構造体の反射率は実施例５の微粒子構造体の反射率よりも約５倍となり、高い反射率を有することがわかった。

［実施例８］
粒径３００ｎｍのシリカ微粒子を水に分散させた微粒子溶液を使用して、引き上げ法により基板にシリカ微粒子層を形成した。ここに、０．３３ｗｔ％のポリビニルアルコール(分子量１５万、けん化度９９％)水溶液および、シラン系ポリビニルアルコール（（株）クラレ、Ｒ２１３０、けん化度９８〜９９％）水溶液を０．１２ｍｌ／ｃｍ^２を３回にわけて噴霧した。スプレーはタミヤ模型スプレーワークＨＧを用い、液滴の大きさは１ミリメートル以下とした。また、噴霧時には噴霧口をサンプルより３０ｃｍ離した。１回噴霧する毎に、完全に乾燥させた。３回噴霧後、２４時間乾燥させた。この基板に、粒径２５０ｎｍのシリカ微粒子を水に分散させて濃度を２０ｗｔ％となるように調製した微粒子溶液を使用して引き上げ法でシリカ微粒子層を形成した。引き上げ速度は１ｃｍ／ｓｅｃで、浸漬及び引き上げ工程を２回繰り返した。よく乾燥させた後、それぞれの反射スペクトルを測定し、標準偏差を求めた。

その結果、ＰＶＡを使った場合、その反射率の平均値および標準偏差は９．２８±４．０％であったのに対し、シラン系ＰＶＡを使った場合、１５．７０±２．６％となった。ＰＶＡは溶媒に再溶解してしまうので、結果として、積層させた２５０ｎｍの微粒子結晶の結晶性を悪くし、さらに、再溶解したＰＶＡが液だれを起こすため、面内の均一性が下がっていた。一方で、シラン系ＰＶＡを用いると、シランカップリング反応により、シリカ微粒子表面とシラン系ＰＶＡとの間に共有結合ができるため、再溶解を阻止することができる。よって、多層積層させた場合にも、結晶性を悪くすることがなく、また、面内の均一性も保たれていることがわかった。

従来の引き上げ法により形成された微粒子結晶の表面のＡＦＭ像を示す図である。本発明の微粒子構造体の形成方法により形成される固定剤を混ぜた下地微粒子溶液を使用して形成された下地微粒子層を有する微粒子構造体の一例を示す図である。本発明の微粒子構造体の形成方法により形成される固定剤を塗布した下地微粒子層を有する微粒子構造体の一例を示す図である。基板に形成された下地微粒子層への溶媒の染み込み深さを説明する図である。本発明の微粒子構造体の形成方法により形成される固定剤と改質剤を塗布した下地微粒子層を有する微粒子構造体の一例を示す図である。本発明の微粒子構造体の形成方法により形成される固定剤と改質剤を塗布した下地微粒子層を有する微粒子構造体の一例を示す図である。本発明の微粒子構造体の形成方法により形成される固定剤と改質剤を塗布した下地微粒子層を有する微粒子構造体の一例を示す図である。本発明の微粒子構造体の形成方法により形成される固定剤を塗布した下地微粒子層を有し、その層上に第２の下地微粒子層を有する微粒子構造体の一例を示す図である。本発明の微粒子構造体の形成方法により形成される固定剤と改質剤を塗布した下地微粒子層を有し、その層上に第２の下地微粒子層を有する微粒子構造体の一例を示す図である。本発明の微粒子構造体の形成方法により形成される固定剤と改質剤を塗布した下地微粒子層を有し、その層上に第２の下地微粒子層を有する微粒子構造体の一例を示す図である。本発明の微粒子構造体の形成方法により形成される固定剤と改質剤を塗布した下地微粒子層を有し、その層上に第２の下地微粒子層を有する微粒子構造体の一例を示す図である。本発明のスクリーンの一例を示す拡大断面図である。本発明の微粒子構造体の形成方法により形成される配列微粒子を結合剤で固定化した微粒子配列層を有する微粒子構造体の一例を示す図である。本発明の微粒子構造体の形成方法により形成される配列微粒子を結合剤で固定化した微粒子配列層を有し、その層上に別の微粒子を配列させた微粒子層を有する微粒子構造体の一例を示す図である。本発明のスクリーンの一例を示す拡大断面図である。本発明のＰＶＡを溶解させた下地微粒子溶液を使って形成された下地微粒子層の表面の状態を示す図である。下地微粒子のみを分散させた下地微粒子溶液を使って形成された下地微粒子層の表面の状態を示す図である。本発明のＰＶＡを溶解させた下地微粒子溶液を使って、サンドブラストにより凹凸を形成した基板上に形成された下地微粒子層の表面の状態を示す図である。本発明のＰＶＡを溶解させた下地微粒子溶液を使って、基板の略平坦な面に形成された下地微粒子層の表面の状態を示す図である。実施例５により形成された微粒子構造体の表面の状態を示す図である。実施例６により形成された微粒子構造体の表面の状態を示す図である。

符号の説明

１、２、３、６微粒子構造体
１０、２０、３０、６０、１００、７００基板
１１、２１、３１下地微粒子
１２、２２、３２配列微粒子
１３、２３、３３固定剤
１４、２４、３４下地微粒子層
１５、２５、３５微粒子配列層
２６、３６改質剤
３７第２の下地微粒子層
６２微粒子
６３、７３１、７３２結合剤
６６第２の微粒子
６５、２０１、２０２、２０３、７２１、７２２、７２３微粒子層
６７第２の微粒子層
５、７スクリーン

Claims

配列微粒子を自己組織化により規則的に配列させた微粒子配列層を有する微粒子構造体の形成方法であって、
上記微粒子配列層の下地となる下地微粒子を分散させた溶媒に基体を浸漬させ、上記基体に堆積させて下地微粒子層を形成する工程と、
上記下地微粒子層の上記下地微粒子を、この下地微粒子と共有結合を形成する官能基を有する高分子である固定剤により固定化する工程と、
上記配列微粒子を分散させた配列微粒子溶液に上記基板を浸漬させて、上記下地微粒子層の層上に上記微粒子配列層を形成する工程と、
上記微粒子配列層の上記配列微粒子を、この配列微粒子と共有結合を形成する結合剤により固定化する工程と、を有する
ことを特徴とする微粒子構造体の形成方法。
上記下地微粒子層は、上記下地微粒子を上記固定剤により固定化した後、上記下地微粒子層の層上に再び上記下地微粒子を堆積させることを特徴とする請求項１記載の微粒子構造体の形成方法。
基体と、
上記基体上に配列微粒子を自己組織化により規則的に配列させた微粒子配列層と、
上記微粒子配列層の上記配列粒子を固定化する、上記配列微粒子と共有結合を形成する結合剤と、
下地微粒子を堆積させ、上記基体上に上記微粒子配列層の下地となる下地微粒子層と、
上記下地微粒子層の上記下地微粒子を固定化する、下地微粒子と共有結合を形成する官能基を有する高分子である固定剤とを有する
ことを特徴とする微粒子構造体。