(57)【要約】【課題】  電磁波または光の反射率と透過率の減衰機能を有し、かつ機械的、熱的に強く、種々の加工もしやすい、金属もしくは合金などの非誘電体含有フラクタル構造体を提供すること。【解決手段】  相似の構造を複数回形成されたフラクタル構造を金属もしくは合金などの非誘電体のみで形成するか、このフラクタル構造体の中に非誘電体粉末を含有させるか、もしくは上記フラクタル構造体の表面を非誘電体で被覆する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非誘電体のみで構成されるか、誘電体で構成された構造体表面に非誘電体が被覆されているか、もしくは非誘電体と誘電体の複合体で構成されるフラクタル構造を一部又は全部に有し、該フラクタル構造に特有の波長の電磁波又は光を反射も透過もさせずに内部に閉じ込め吸収させることを特徴とするフラクタル構造体。
【請求項２】
前記非誘電体が、ベリリウム、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、白金、銀、インジウム、スズ、テルル、タンタル、タングステン、レニウム、金、鉛、ビスマスからなる群から選ばれる金属もしくは合金、または導電性を有する炭素、セラミックス、化合物、半導体、あるいは有機物であることを特徴とする請求項１記載のフラクタル構造体。
【請求項３】
非誘電体のみで構成されるか、誘電体で構成された構造体表面に非誘電体が被覆されているか、もしくは非誘電体と誘電体の複合体で構成されるフラクタル構造の縦および/又は横各辺の両端から１辺の１／３〜１／９の任意の領域を共有させて複数個連結させた壁状あるいは柱状をしたメンジャースポンジ型フラクタル構造の集合体をなし、特定波長の電磁波又は光がほとんど透過しないことおよび反射率が小さい特性を有することを特徴とするフラクタル構造集合体。
【請求項４】
非誘電体のみで構成されるか、誘電体で構成された構造体表面に非誘電体が被覆されているか、もしくは非誘電体と誘電体の複合体で構成されるフラクタル構造の縦および/又は横各辺の両端から１辺の１／３〜１／９の任意の厚みで板状に切り取られ、特定波長の電磁波又は光の反射のみをほとんど起こさせないことを特徴とするフラクタル構造体。
【請求項５】
非誘電体のみで構成されているか、誘電体で構成された構造体表面に非誘電体が被覆されているか、もしくは非誘電体と誘電体の複合体で構成されるフラクタル構造体の縦および／又は横各辺の両端から１辺の１／３〜１／９の任意の厚みで切断された板状フラクタル構造体の縦および／もしくは横各辺の両端から１辺の１／３〜１／９の任意の領域を共有させて複数個連結させた壁状あるいは柱形状の集合体をなし、特定波長の電磁波又は光の反射のみをほとんど起こさせないことを特徴とするフラクタル構造集合体。
【請求項６】
エネルギー線の照射により硬化するエネルギー線硬化性樹脂液に非誘電体を混合させる工程と、上記エネルギー線を照射してエネルギー線硬化性樹脂を硬化させることにより、最終的３次元フラクタル構造体を複数に分割した形状を有する２次元構造体を作製し、複数回２次元構造体を繰り返し積み重ねて、３次元フラクタル構造体を形成する工程とを備えることを特徴とするフラクタル構造体の製造方法。
【請求項７】
エネルギー線を照射してエネルギー線硬化性樹脂を硬化させることにより、最終的３次元フラクタル構造体の反転構造を複数に分割した形状を有する各２次元基本構造体を作製し、複数回２次元構造体を繰り返し積み重ねて、３次元フラクタル構造体の反転構造を作製する工程と、該反転構造を鋳型にして、非誘電体融液または熱硬化性樹脂に非誘電体粉末を混合してなるスラリーを該鋳型に流し込む工程と、該非誘電体融液またはスラリーを硬化させる工程とを備えることを特徴とするフラクタル構造体の製造方法。
【請求項８】
エネルギー線を照射してエネルギー線硬化性樹脂を硬化させることにより、最終的３次元フラクタル構造体を複数に分割した形状を有する２次元構造体を作成し、複数回２次元構造体を繰り返し積み重ねて、３次元フラクタル構造形状に形成する工程と、フラクタル構造体を鋳型として耐熱性硬化性スラリーを注入し、固化して反転構造を成形する工程と、該フラクタル構造の反転構造に、非誘電体融液または非誘電体を含む誘電体スラリーを注入し、固化させる工程を備えることを特徴とするフラクタル構造体の製造方法。
【請求項９】
誘電体または誘電体と非誘電体との複合体を非誘電体で被覆してなるフラクタル構造体を製造する方法であって、エネルギー線を照射してエネルギー線硬化性樹脂を硬化させることにより、最終的３次元フラクタル構造体を複数に分割した形状を有する２次元構造体を作製し、複数回２次元構造体を繰り返し積み重ねて、３次元フラクタル構造体形状に形成する工程と、該フラクタル構造体を非誘電体で被覆する工程とを備えることを特徴とするフラクタル構造体の製造方法。
【請求項１０】
前記非誘電体で被覆する工程が、スパッタリング、ＣＶＤ、蒸着、イオンプレーティング、無電解メッキ法により被覆されることを特徴とする請求項９に記載のフラクタル構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光領域からマイクロ波における電磁波の制御機能、とくに特定周波数の電磁波の局在化、閉じ込め、無反射、吸収、蓄積、増幅、濾波機能を備える電気伝導性を有する金属、もしくは合金、または導電性を有する炭素、セラミックス、化合物、半導体、有機物、あるいは金属、もしくは合金、または導電性を有する炭素、セラミックス、化合物、半導体、有機物、を含有する誘電体で構成されたフラクタル構造体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは、立方形状のメンジャースポンジ型フラクタル構造単体が、特定波長の電磁波や光の反射率を−５ｄＢ以下、透過率を−２０ｄＢ以下に減衰させ、内部に局在させることができることを見出し、特願２００３−３１５７６８号で該フラクタル構造体に関する出願を行った。また、電磁波を局在させるフラクタル構造をフォトニックフラクタルと命名し、国際学術誌の論文として報告している（非特許文献１、２）。さらに、特定波長の電磁波や光の反射率の減衰機能、および局在機能を維持したまま、該フラクタル構造体を分割および集積化する方法を見出し、特願２００４−１２２９２号でフラクタル構造体の分割と集積化に関する出願を行った。
【０００３】
他方、電気的に良導体である金属で構成したフラクタル構造に対する光や電磁波特性に関しては、これまで多くの研究がなされている。例えば、銀の微粒子をコロイド状にして沈殿させてできた不規則なパターンが、フラクタル次元約１.８の複雑なフラクタル構造となるが、そこにレーザ光を一様に照射すると局部的に強く反射する箇所が観測され、フラクタル構造特有の光の局在化が生じたためと解析されている（非特許文献３）。また、誘電体基板上に銅のフラクタルパターンを貼り付けた構造にマイクロ波を照射すると、一定の周波数周期で反射率と透過率が交互に１と０の間を変化する現象が観測されている（非特許文献４）。これら光や電磁波の励起を示す特異な現象は、入射電磁波に対し、金属で構成されたフラクタルパターンに生じる誘導電流や表面プラズモンの励起によって誘起される電磁波との干渉作用により生じると解析されている。
【０００４】
しかしながら、これまでの金属フラクタル構造は、いずれも２次元までであり、従って特定の周波数の光や電磁波が強く励起されることはあっても、内部に閉じ込めることは構造上出来なかった。したがって、３次元の金属製フラクタル構造に対する電磁波局在については全く報告されていない。
【非特許文献１】M.W.Takeda, S.Kirihara, Y.Miyamoto, K.Sakoda, and K. Honda, Phys. Rev. Lett.,92, 093902-1 (2004)
【非特許文献２】Y.Miyamoto, S.Kirihara, M.W.Takeda, K.Sakoda, and K. Honda, Int. J. Appl. Ceram. Tech.,1, 40 (2004)
【非特許文献３】D.P.Tsai, J.Kovacs, Z. Wang, M.Moskovits, V.M.Shalaev, J.S.Suh and R. Butet, Phys. Rev. Lett., 72, 4149 (1994)
【非特許文献４】W.Wen, L.Zhou, J.Li, W.Ge, C.T.Chen, and P.Sheng, Phys. Rev. Lett., 89, 223901 (2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
フォトニックフラクタルを実用化するには、より電磁波や光の反射率と透過率の減衰機能を向上させ、かつ機械的、熱的に強く、種々の加工もしやすいことが望まれる。しかしながら、金属に代表される非誘電体からなるフラクタル構造体は材質の面で製造に限界があった。そこで、本発明者らは鋭意研究の結果，非誘電体または非誘電体と誘電体の複合体からなるフラクタル構造体を、もしくは誘電体を非誘電体で被覆したフラクタル構造体を製造すると、誘電体のみで構成されたフラクタル構造に特有の効果が上記非誘電体からなるフラクタル構造においても発現し、しかも誘電体の場合よりも強く発現することを見出した。したがって，本発明の目的は、金属および合金に代表される非誘電体によりフラクタル構造体を形成し、電磁波もしくは光の反射率および透過率の減衰機能が向上し、しかも機械的熱的強度を有し、さらに機械加工が容易なフラクタル構造体およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、フラクタル構造を構成する材質を金属などの非誘電体のみ、もしくは非誘電体で被覆した誘電体、あるいは非誘電体と誘電体を複合化することにより、誘電体で構成したフラクタル構造体以上に、反射率と透過率の減衰機能がより向上し、機械的、熱的にも強化できることを新たに見出している。したがって，本発明において，非誘電体とは以下に定義される金属材料だけでなく，導電性を有する炭素、セラミックス、化合物、半導体、有機物、もしくは金属、もしくは合金、または導電性を有する炭素、セラミックス、化合物、有機物を含有する誘電体を含む。また、かかる非誘電体からなるフラクタル構造体はその一部を板状に切り取ったフラクタルの部分構造体も、反射率のみ、より大きく減衰する特性をもつことを見出した。すなわち、本発明は、上記知見に基づき以下のフラクタル構造体およびその製造方法を提供するものである。
【０００７】
本発明に係るフラクタル構造体は、非誘電体のみで構成されるか、誘電体で構成された構造体表面に非誘電体が被覆されているか、もしくは非誘電体と誘電体の複合体で構成され、特定波長の電磁波又は光を反射も透過もさせずに内部に閉じ込め吸収させる特性を有する。このようにフラクタル構造体を形成し、この構造体中に金属もしくは合金などの非誘電体を混合することにより、例えば特定波長の電磁波もしくは光の透過率を最大−９０ｄＢ以下に、あるいはその反射率を最大−５０ｄＢ以下に減衰することもできる。即ち、フラクタル構造体を誘電体物質で形成した場合より、電磁波もしくは光の反射率を４０ｄＢ及び透過率を７０ｄＢ以上低下させることができる。また、フラクタル構造体に非誘電体を混合させると、フラクタル構造体にレーザ光を照射した場合に発生する熱衝撃破損の危険性が減少する。ここで、フラクタル構造体とは、全体（第０次構造体）を等分割した第１次構造体が第０次構造体と相似関係を有する構造パターンを有し、さらに各第１次構造体をより細かく等分割した第２次構造体も第０次構造体と相似関係を有する構造パターンを備えるように階層的な入れ子構造を有するものをいい、繰り返される階層数がフラクタル構造のステージ数ｍとして定義され、ｍが大きくなると、基本的な構造パターンが幾重にも重畳され、より微細なパターンで構成された複雑なフラクタル構造となる。特に、第０次立方体の１辺ａを３等分してできる同一の第１次立方体２７個のうち、第０次立方体の面に接する６つの第１次立方体と第０次立方体の中央部に位置する第１次立方体１つとを抜き取り、残された２０個の第１次立方体の１辺ａ／３を３等分してできる同一の第２次立方体２７個のうち、第１次立方体の面に接する第２次立方体と第１次立方体の中央部に位置する第２次立方体を抜き取り、さらに、残された２０個の第２次立方体の１辺ａ／９を３等分してできる同一の第３次立方体２７個のうち、第２次立方体の面に接する第３次立方体と第２次立方体の中央部に位置する第３次立方体とを抜き取ったものをステージ３のメンジャースポンジ型フォトニックフラクタル構造体という。ここで、第０次構造体とは、フラクタル構造体の外形をなす構造体である。また、第１次構造体とは、第０次構造体を分割して形成された構造体である。また、第２次構造体とは、第１次構造体を分割して形成された構造体であって、第１次構造体と相似関係を有する構造体である。即ち、第ｎ次構造体（ｎ＝１，２，３，４，・・・・・・）とは、第（ｎ−１）次構造体を分割して形成された構造体であって、第１次から第（ｎ−１）次構造体全てと相似関係を有する構造体をいう。
【０００８】
また、本発明は、上記の非誘電体のみで構成されるか、誘電体で構成された構造体表面に非誘電体が被覆されているか、もしくは非誘電体と誘電体の複合体で構成されるフラクタル構造の縦および/又は横各辺の両端から１辺の１/３〜１/９の任意の領域を共有させて複数個連結させた壁状あるいは柱状をしたメンジャースポンジ型フラクタル構造の集合体をなし、特定波長の電磁波又は光がほとんど透過しないことおよび反射率が小さい特性を有することを特徴とするフラクタル構造集合体にある。フラクタル構造体を上記のように構成すると、フラクタル構造体単体を単純に積み上げた場合では発現しなかった特定波長の局在が見られるようになる。
【０００９】
さらに、本発明は、非誘電体のみで構成されるか、誘電体で構成された構造体表面に非誘電体が被覆されているか、もしくは非誘電体と誘電体の複合体で構成されるフラクタル構造の縦および/又は横各辺の両端から１辺の１/３〜１/９の任意の厚みで板状に切り取られ、特定波長の電磁波又は光の反射がほとんど起こらないことを特徴とする板状フラクタル構造体にある。上記のような構成とすると、特定波長の電磁波もしくは光の反射のみをほとんど起こさせないことができる。
【００１０】
また、本発明は、上記板状フラクタル構造体を、更に縦および／もしくは横各辺の両端から１辺の１／３〜１／９の任意の領域を共有させて複数個連結させた壁状あるいは柱状をした２次元メンジャースポンジ型フラクタル構造の集合体にある。このような集合体にすると、特定波長の電磁波もしくは光の反射のみをほとんど起こさせないことができる。
【００１１】
上記非誘電体フラクタル構造体を製造する方法としては、光造形法が代表的であるが、エネルギー線（電磁波、例えば、α線、β線、γ線等を含む放射線、紫外線から赤外線に至る光だけでなく、電子線、イオン線を含み、広くエネルギーを有するものをいう）を利用して、最終的３次元フラクタル構造体を複数に分割した形状を有する各２次元基本構造体を作製し、複数回２次元構造体を繰り返し積み重ねて、直接、非誘電体と誘電体の複合体から１，複合３次元フラクタル構造体を作製するか、２．上記造形法で誘電体または上記複合体から３次元フラクタルを作製しこれを非誘電体で被覆して被覆３次元フラクタル構造体を作製するか、または３．同様の造形法またはフラクタル構造体を鋳型として反転構造を作製し、これを鋳型として非誘電体または複合体を鋳造し、３次元フラクタル構造体を作製する方法に大別される。通常、非誘電体のみからなる３次元フラクタル構造体は上記造形法で直接製造する方法より、一旦反転構造を製造し、これを鋳型として鋳造されるか、上記複合体の誘電体を熱等で消失または除去させる方法により製造されるのがよい。以下、本件発明で採用される具体的方法を列挙する。
【００１２】
本発明の第１の方法は、非誘電体と誘電体とを複合したフラクタル構造体を製造する方法であって、エネルギー線硬化性樹脂液、例えば光硬化性樹脂液に非誘電体を混合させる工程と、エネルギー線を照射してエネルギー線硬化性樹脂を重合または架橋により硬化させることにより、最終的３次元フラクタル構造体を複数に分割した形状を有する２次元構造体を作製し、複数回２次元構造体を繰り返し積み重ねて、３次元フラクタル構造体形状に形成する工程とを備えることを特徴とする。本発明によれば、エネルギー線を利用する造形法により、非誘電体フラクタル構造体を容易に作成することができる。
【００１３】
また、第２の方法は、非誘電体と誘電体とを複合したフラクタル構造体を製造するにあたり、反転構造を利用する方法であって、エネルギー線、例えば光を照射して光硬化性樹脂を硬化させることにより、最終的３次元フラクタル構造体の反転構造を複数に分割した形状を有する各２次元基本構造体を作製し、複数回２次元構造体を繰り返し積み重ねて、３次元フラクタル構造体の反転構造を作製する工程と、該反転構造を鋳型にして、熱硬化性樹脂に非誘電体粉末を混合してなるスラリーを該鋳型に流し込む工程と、該スラリーを乾燥させ熱硬化性樹脂を硬化させる工程と、光硬化性樹脂を焼失などにより消失させる工程とを備えることを特徴とする。この方法によれば、誘電体に対する非誘電体の比率を２０体積％程度から６０体積％程度へ上昇させることができる。
【００１４】
さらに、第３の方法は、非誘電体のみからなるフラクタル構造体を製造する方法であって、エネルギー線、特に光を照射して硬化性樹脂を硬化させることにより、最終的３次元フラクタル構造体の反転構造を複数に分割した形状を有する各２次元基本構造体を作製し、複数回２次元構造体を繰り返し積み重ねて、３次元フラクタル構造体の反転構造を作製する工程と、該反転構造体を鋳型にして、熱硬化性樹脂液に非誘電体粉末を混合してなるスラリーを流し込む工程と、該スラリーを乾燥させ熱硬化性樹脂を硬化させる工程と、光硬化性樹脂を焼失、分解等により消失させて該反転構造体を取り除く工程と、該熱硬化性樹脂を加熱などにより除去する工程とからなることを特徴とする。本発明に係る非誘電体フラクタル構造体の製造方法によれば、多孔性の非誘電体フラクタル構造体を作製することができる。
【００１５】
さらに、第４の方法は、非誘電体のみからなるフラクタル構造体を製造する方法であって、エネルギー線、特に光を照射して光硬化性樹脂を硬化させることにより、最終的３次元フラクタル構造体の反転構造を複数に分割した形状を有する各２次元基本構造体を作製し、複数回２次元構造体を繰り返し積み重ねて、３次元フラクタル構造体の反転構造を作製する工程と、該反転構造体を鋳型にして、熱硬化性樹脂液に非誘電体粉末を混合してなるスラリーを流し込む工程と、該スラリーを乾燥させ熱硬化性樹脂を硬化させる工程と、光硬化性樹脂を焼失、分解などにより消失させて該反転構造体を取り除く工程と、該熱硬化性樹脂を加熱などにより除去する工程とからなることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第５の方法は、非誘電体のみからなるフラクタル構造体を製造する方法であって、エネルギー線、例えば光を照射して光硬化性樹脂を硬化させることにより、最終的３次元フラクタル構造体を複数に分割した形状を有する２次元構造体を作製し、複数回２次元構造体を繰り返し積み重ねて、３次元フラクタル構造体形状に形成する工程と、該フラクタル構造体を鋳型として石膏の耐熱性硬化性のスラリーを注入する工程と、該スラリーを固化し反転型を成形する工程と、該フラクタル構造の反転型に、溶融した非誘電体を注入し、該非誘電体を固化させる工程と、該石膏などの反転型を取り除く工程とからなることを特徴とする。上記の非誘電体のみからなるフラクタル構造体の製造方法により作成された非誘電体フラクタル構造体は多孔性であるのに対し、本発明に係る方法によれば、非多孔性の非誘電体フラクタル構造体を作製することができる。
【００１７】
本発明の第６の方法は、誘電体を非誘電体で被覆してなるフラクタル構造体を製造する方法であって、エネルギー線、例えば光を照射して硬化性樹脂を硬化させることにより、最終的３次元フラクタル構造体を複数に分割した形状を有する２次元構造体を作製し、複数回２次元構造体を繰り返し積み重ねて、３次元フラクタル構造体形状に形成する工程と、該構造体を非誘電体で被覆する工程とを備えることを特徴とする。
【００１８】
また，本発明第７の方法は、誘電体を非誘電体で被覆してなるフラクタル構造体を製造する方法であって、エネルギー線、例えば光硬化性樹脂液に非誘電体を混合させる工程と、エネルギー線、特に光を照射して硬化性樹脂を硬化させることにより、最終的３次元フラクタル構造体を複数に分割した形状を有する２次元構造体を作製し、複数回２次元構造体を繰り返し積み重ねて、３次元フラクタル構造体形状に形成する工程と、該構造体を非誘電体で被覆する工程とを備えることを特徴とする。
【００１９】
さらに，本発明の第８の方法は、誘電体を非誘電体で被覆してなるフラクタル構造体の製造方法であって、エネルギー線、例えば光を照射して硬化性樹脂を硬化させることにより、最終的３次元フラクタル構造体の反転構造を複数に分割した形状を有する各２次元基本構造体を作製し、複数回２次元構造体を繰り返し積み重ねて、３次元フラクタル構造体の反転構造を作製する工程と、該反転構造体を鋳型にして、硬化性樹脂、例えば熱硬化性樹脂液に非誘電体を混合してなるスラリーを流し込む工程と、該硬化性樹脂液を硬化させる工程と、エネルギー線硬化性樹脂を焼失、分解等で消失させて該鋳型を取り除く工程と、該構造体を非誘電体で被覆する工程とを備えることを特徴とする。フラクタル構造体を非誘電体で被覆する工程はスパッタリング、蒸着、ＣＶＤ、イオンプレーティング等が有るが、フラクタル構造のように複雑な形状に対しては特に無電解メッキを用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るフラクタル構造体によれば、金属もしくは合金などの非誘電体のみからなるフラクタル構造体とするか、フラクタル構造体中に非誘電体を含有させるか、若しくはフラクタル構造体表面を上記非誘電体で被覆することにより、電磁波もしくは光に対する反射率及び透過率の減衰機能、および機械的熱的強度を向上させ、さらに機械加工を容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（フラクタル構造体）
以下、本件発明を光造形法による具体的な形態に基づいて詳細に説明するが、本発明方法は光造形法に限らず、広くエネルギー線（電磁波、例えば、α線、β線、γ線等を含む放射線、紫外線から赤外線に至る光だけでなく、電子線、イオン線を含む）を利用して造形する方法を適用できる。
【００２２】
図１はメンジャースポンジ型３次元フラクタル構造体の立体図であり、図２はその３次元フラクタル構造体１の平面パターンに相当し、一般にシアンピンスキーカーペットと称される。一定の厚みを有する第０次立方体１は、同様のパターンを有する２０個の第１次立方体１０で構成され、その第１次立方体は、中央に空洞を有する２０個の第２次立方体１１で構成された、自己相似的な階層構造になっている。階層が３段になっているのでステージ３のメンジャースポンジ型フラクタルと称される。図２も２次元平面上で同様の操作を繰り返して形成される。
【００２３】
またメンジャースポンジ型フォトニックフラクタル構造体を、ある端面から１／３〜１／９の位置でその端面と平行に切断してできた構造体を分割メンジャースポンジ型フォトニックフラクタルという。これらは２次元のカーペットではなく３次元のメンジャースポンジをスライスした構造である。
【００２４】
上記メンジャースポンジ型フォトニックフラクタル構造体は、樹脂、セラミックス、化合物、ガラス、金属、あるいはこれら２種以上の混合物により，導電性を有する非誘電体材料で構成することができ、全体と部分が同じ構造パターンを有し、どこをとっても互いに相似的な構造となるように成形されることにより構成することができる。
【００２５】
また、本明細書において、フラクタル次元Ｄは、メンジャースポンジ型フラクタル構造が全体を１／Ｓに分割した要素Ｎ個で構成される場合、Ｎ＝ＳＤで定義され、構造の複雑さを数値的に示す指標となる。すなわち、Ｄが１，２，３のように整数であれば通常の単純な１次元、２次元、３次元を示すことになる。フラクタル構造ではフラクタル次元Ｄが非整数となるのが特徴で、２以上３以下の、例えば２．７のようになると２次元でも３次元でもない複雑な構造パターンとなるが、本発明では２以上のフラクタル次元を有するフラクタル構造体を３次元フラクタル構造体と定義する。
【００２６】
本発明においては、フラクタル構造体は、電気的良導体である金属などの非誘電体のみで構成されているか、あるいは誘電体で構成された表面に非誘電体が被覆されているか、もしくは非誘電体と誘電体の複合体で構成されることを特徴とする。このようにして製造した３次元フラクタル構造体は、特定波長の電磁波を反射も透過もさせずに内部に閉じ込め吸収させる電磁波の完全吸収体として利用することが可能であり、種々の用途に利用することができる。ここで、誘電体と非誘電体との複合体フラクタル構造体とは、セラミックス等の誘電体中に、金属等の非誘電体を含有させてなるフラクタル構造体であって、一般的に２０〜６０体積％の非誘電体を含む。また、本明細書において、ほとんど透過しないこと、および反射しないこととは、一般に透過率−２０ｄＢ以下、反射率−５ｄＢ以下をいうが、好ましくは透過率が−３０ｄＢ以下で、反射率が−５ｄＢ以下である特性をいい、より好ましくは透過率が−４０ｄＢ以下で、反射率が−２０ｄＢ以下である特性をいう。
【００２７】
本発明に係るフラクタル構造体は、非誘電体のみで構成してもよいし（１．非誘電体フラクタル構造体）、樹脂、セラミックス、半導体等の誘電体、もしくはそれら２種以上の誘電体の混合体で構成したフラクタル構造体を金属もしくは合金などの非誘電体で被覆してもよい（２．非誘電体被覆フラクタル構造体）。さらに、少なくとも１種以上の非誘電体と、樹脂、セラミックス、半導体、有機物のうち１種、もしくは２種以上とを混合した媒質で構成してもよい（３．非誘電体／誘電体複合フラクタル構造体）。ここで、上記金属および合金としては、ベリリウム、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、白金、銀、インジウム、スズ、テルル、タンタル、タングステン、レニウム、金、鉛、ビスマスから選ばれる少なくとも１つの金属もしくは合金であることが好ましい。鋳造法により非誘電体フラクタル構造体を構成する場合は、低融点金属および合金を用いるのが製造上有利である。ここで、低融点合金として、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系ウッド合金を用いることが好ましい。ウッド合金は、組成によりその融点を５０〜１００℃の範囲で調整可能である。なお、導電性を有する炭素、化合物、半導体、有機物等でも導電性の程度に応じて金属又は合金と同様の効果が得られる。光造形法を利用する場合は、レーザ光による光硬化性樹脂の硬化を阻害せず、光硬化性樹脂液に混合したときに沈降しにくい比重の軽い金属が望ましい。
【００２８】
（フラクタル集合体）
１辺ａの立方体形状をしたメンジャースポンジ型の１．非誘電体フラクタル構造体、２．非誘電体被覆フラクタル構造体、もしくは、３．非誘電体／誘電体複合フラクタル構造体の縦および／又は横各辺の両端から１辺ａの１／３〜１／９の任意の領域を共有させ複数固連結させることによって、壁状あるいは柱状に集合体を形成してもよい。これらのフラクタル構造体または集合体は、いずれの場合も、特定波長の電磁波又は光がほとんど透過しないことおよび反射率が小さい特性を有する。また、１辺ａの立方形状をしたメンジャースポンジ型の１〜３のフラクタル構造体の縦および／又は横各辺の両端から１辺ａの１／３〜１／９の任意の厚みで板状に切り取り、このメンジャースポンジ型フラクタル構造の部分構造体としてもよい。
【００２９】
また前項に記載のメンジャースポンジ型フラクタル部分構造体の縦および／又は横各辺の両端から１辺ａの１／３〜１／９の任意の領域を共有させ、複数個連結させることによって、壁状あるいは柱状をした２次元メンジャースポンジ型フラクタル構造の集合体を形成してもよい。また、１辺ａの正方形状をした２次元シアピンスキーカーペット型フラクタルパターンを面に垂直方向に一定の厚みで貫通した板状構造体としてもよい。また、前項記載の貫通型シアピンスキーカーペット型フラクタル構造体を更に縦および／又は横各辺に両端から１辺ａの１／３〜１／９の任意の領域を共有させて複数個連結させた壁状あるいは柱状をした２次元貫通型シアピンスキーカーペット型フラクタル構造の集合体を形成してもよい。いずれの場合も、特定波長の電磁波又は光の反射率をほとんど起こさせないことができる。
【００３０】
（フラクタル構造体の用途）
金属もしくは合金、または導電性を有する炭素、セラミックス、化合物、半導体、有機物、（以下、金属等の非誘電体という）のみ、もしくはこれら金属等の非誘電体を表面に被覆した誘電体、あるいは金属等の非誘電体と誘電体の複合体で構成した３次元フラクタル構造体は、特定波長の電磁波を、ほとんど反射も透過もさせずに内部に閉じ込め吸収させる電磁波の完全吸収体として利用することが可能であり、種々の用途に利用することができる。しかも、非誘電体のみ、もしくは非誘電体と誘電体との複合体で構成することにより、フラクタル構造体の強度や靭性、耐熱性を向上させることができ、より高エネルギーの電磁波を閉じ込めることが可能になる。また、構造の靭性が向上するため、水冷や空冷等の冷却孔もフラクタル構造を構成する金属、もしくは金属／誘電体複合体に設けることができ、高温での使用が可能になる。
【００３１】
また、３次元フラクタル構造により、特定波長の電磁波又は光を該フラクタル構造内に局在させ、特定波長の電磁波および光を反射しないようにすると、特定波長の電磁波を完全遮断するフィルターや無反射板として利用することができる。
【００３２】
また、３次元フラクタル構造体および集合体空洞内にＺｎＴｅやＬｉＮｂＯ３などの非線形光学結晶またはＧａＡｓなどを使った光伝導アンテナである非線形光学素子を挿入すると、非線形光学効果の励起により特定波長の高調波を効率よく、かつ高エネルギービームとしても発生させる発振装置に利用できる。
【００３３】
非誘電体のみ、もしくは非誘電体で被覆した誘電体、あるいは非誘電体／誘電体の複合体で構成し、表面もしくは全体にわたって電気伝導性を持たせたフラクタル構造体および集合体とすることによって、特定波長の電磁波を局在させ、局在した電磁エネルギーを電流に変換する装置に利用できる。
【００３４】
３次元フラクタル構造体および集合体に、特定波長の電磁波を局在させて金属に吸収させることにより、該フラクタル構造を熱源として利用することができる。
【００３５】
本発明に係る３次元フラクタル構造体は、これらの構造体にひずみを生じさせることにより、特定波長の電磁波変調および広域化を行う変調装置に利用することができる。
【００３６】
（フラクタル構造体の製造方法）
金属／誘電体複合体、金属のみ、金属被覆誘電体の３次元フラクタル構造の製造方法の具体例について説明する。
３次元的な形状を有するフラクタル構造を製造するには、制御する電磁波の波長に応じ、単位形状と大きさ、フラクタル構造の階層を示すステージ数、全体形状と大きさ、細部構造パターンの寸法、構成する金属の電気伝導率、キャリヤー濃度、含有率、誘電体の誘電率等を最適化して設計する。
【００３７】
（金属／誘電体複合のフラクタル構造体の製造方法）
１．複雑な３次元フラクタル構造の製造には、ＣＡＤ／ＣＡＭシステムを用いた３次元自由造形法によるのが適している。ここで、液状の光硬化性樹脂の感光反応を利用した光造形法を用いる。図３は、光造形法に用いる装置の概略図である。図３において、矢印Ｘおよび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。
図３（ａ）および（ｂ）に示すように、テーブル４０上に所定の厚み分の液状の光硬化性樹脂（エポキシ樹脂ディーメック社製の商品名ＳＣＲ‐７３０）が膜状に供給されるように、テーブル４０を光硬化性樹脂２０に浸漬させる。光硬化性樹脂としては、イミド系樹脂、ウレタン系樹脂、オキセタン系樹脂を用いることができるが、好ましく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である。これらの樹脂の中に金属もしくは合金等の非誘電体を含有させる。ここで、非誘電体としては、ベリリウム、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、白金、銀、インジウム、スズ、テルル、タンタル、タングステン、レニウム、金、鉛、ビスマスからなる群から選ばれる少なくとも１つから構成される金属もしくは合金を用いることが好ましい。特に、比較的比重の低いマグネシウムやアルミニウム、或いはこれら軽金属元素を含む合金を用いるのが好ましい。なお、これらの金属の代わりに導電性を有する半導体、炭素、セラミックス、化合物、有機物等でも同様の効果が得られる。
この状態で、紫外線レーザー光３０を矢印Ｘの方向に走査させる。それにより、紫外線レーザー光３０の被照射部分の光硬化性樹脂が硬化する。紫外線レーザー光３０をＳＴＬデータに従って矢印Ｘの方向に平行に、必要に応じて矢印Ｙの方向に平行に、あるいは曲線状に繰り返し走査させることにより、２次元構造体が基板上に形成される。ＳＴＬデータとは、ＣＡＤで描いた３次元フラクタル構造を薄い層の積層体に分割し各層の形状を数値化した数値データである。
同様にして、テーブル４０を矢印Ｚの方向に１層分下降させ、紫外線レーザー光３０をＳＴＬデータに従って走査させることにより、第２層目の２次元構造体を形成する。
以下、同様にして、第１層目、第２層目および第３層目の２次元構造体を所定の回数繰り返し順次積層する。このような光造形法（例えば、ディーメック社製のＳＣＳ-３００Ｐ）を用いると、金属／誘電体複合のフラクタル構造体を容易に作製することができる。
【００３８】
２．また、以下のように作製してもよい。まず、必要とするフラクタル構造の反転構造体を上記光造形法で作製する。それを鋳型にして、熱硬化性樹脂液に金属もしくは合金粉末を必要量混合したスラリーを真空注入法を用いて含浸させる。その後、この熱硬化性樹脂液を室温で硬化させ、反転構造体を取り除く。ここで、熱硬化性樹脂としては、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、アリル樹脂、ケイ素樹脂、ベンゾオキサジン系樹脂、フェノール樹脂、及びビスマレイミドトリアジン樹脂からなる群から選択される少なくとも一つであることが好ましい。この方法では、例えば６０体積％以下の金属（もしくは合金）粉末を添加することができる。
【００３９】
（金属のみのフラクタル構造体の製造方法）
上記１および２の方法により作製された金属／誘電体複合フラクタル構造体を、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気もしくは真空中で加熱処理することにより樹脂を分解消失させ焼結させて、金属のみからなるフラクタル構造体を作製することができる。この場合に得られる金属製のフラクタル構造は多孔質的であることが多い。
また、以下のように作製してもよい。まず、光硬化性樹脂の３次元フラクタル構造を光造形し、それを鋳型にして石膏等のスラリーを注入する。ついでスラリーを乾燥させ、空気中で約５００℃で加熱し、樹脂を分解ガス化することにより、石膏からなる、フラクタル構造の反転型を作製する。この石膏型に溶融金属を注入し、この金属を固化させ、石膏を取り除く。この方法によれば、より緻密な金属製フラクタル構造とすることができる。
【００４０】
上記の方法以外にも、機械的な方法で金属フラクタル構造を作製することが可能である。例えば、銅の立方体に、ＮＣ加工機（数値制御加工機）や放電加工機を用いて各方向から孔空けを行えばよい。ただし、３次元フラクタル構造は貫通すべき孔が多いため加工が困難であるが、２次元的なフラクタル構造に対しては、加工が容易な方法である。
【００４１】
光造形法に頼らずとも、金属の３次元自由造形法である種々のラピッドプロトタイピング法、すなわち粉末固着法なども、光造形法と同じ造形原理で金属のみの３次元フラクタル構造を形成することができる。ここで、ラピッドプロトタイピング法とは、ＣＡＤ／ＣＡＭシステムによる自由造形方法であり、粉末固着法とは、セラミックスや金属粉末を１層々積層し造形した後に焼結固化するか、１層々レーザ焼結し造形する方法である。
【００４２】
（金属被覆フラクタル構造体の製造方法）
上記１および２の方法により樹脂製のフラクタル構造体を作製する。このフラクタル構造体にスパッタリング、蒸着、ＣＶＤ、イオンプレーティング、無電解メッキ等を用いて銅、アルミニウム、ニッケル、金、白金、亜鉛等の金属を該フラクタル構造の外表面と内表面に付着させる。なお、これらの方法を用いて表面に導電性を付与後、電気メッキを行っても良い。
【００４３】
（電磁波特性）
図４は、非誘電体のみ、非誘電体被覆、非誘電体／誘電体フラクタル構造に対する電磁波特性の測定方法の一例を示している。この場合はホーンアンテナを使って自由空間で測定している。該フラクタル構造が小さい場合は、導波管に該フラクタル構造を挿入してもよい。
【００４４】
図５は、光造形法により作製した３次元メンジャースポンジ型フラクタルの反転構造を鋳型に使い、低融点合金（例えば、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ系ウッド合金）を２００℃で真空封入して作製した金属の３次元メンジャースポンジ型フラクタルで表面は厚さ１ｍｍのエポキシ樹脂で覆われている構造の電磁波透過と反射特性を示す。１６ＧＨｚ付近に、反射率、透過率とも大きく減衰しており、透過率の減衰率は−８０ｄＢ以上に達している。また、７ＧＨｚ以下の領域では反射率がほぼ０ｄＢで、透過率が−８０ｄＢに達しカットオフされていることを示している。このことは、この周波数以下では波長が長く、電磁波が中央空洞に進入できないことを示している。またほぼ完全に透過せず、全て反射していることから、該フラクタル構造が金属で構成されていることを示している。透過率の減衰も１６ＧＨｚ付近で、カットオフ領域と同じ−８０ｄＢに達していることから、この周波数で透過が完全に遮断されていることが分かる。
【００４５】
図６は、光造形法により作製した、銅を３０体積％含むポリエステル樹脂からなる３次元メンジャースポンジ型フラクタル構造の電磁波透過と反射特性を示す。２３ＧＨｚ付近に、反射率、透過率とも大きく減衰しており、透過率の減衰率は−８０ｄＢ以上に達している。また、１０ＧＨｚ以下の領域では反射率がほぼ０ｄＢで、透過率が−８０ｄＢ以上に達しカットオフされていることを示している。このことは、この周波数以下では波長が長く、電磁波が中央空洞に進入できないことを示している。またほぼ完全に透過せず、全て反射していることから、金属が分散された誘電体であっても、この周波数域の電磁波にとっては該フラクタル構造が金属で構成されているとみなされていることを示している。
【００４６】
図７に、ポリエステル樹脂で作製した３次元メンジャースポンジ型フラクタル構造に無電解メッキ法で銅を被覆した時の、電磁波透過・反射特性を示す。１１ＧＨｚ付近で、反射率、透過率とも大きく減衰している。透過率の減衰ピークの幅がやや広いが、このことは、内部表面の被覆が十分でないことを示唆していることが考えられる。
【００４７】
図８に、銅を３０体積％含有するポリエステル樹脂で構成した、図２に示すシアピンスキーカーペット型フラクタル構造の電磁波の反射特性を示す。１３．３ＧＨｚと２４．８ＧＨｚで反射率の大きな減衰が見られる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明に係るフラクタル構造体は、特定波長の電磁波を完全遮断するフィルターや無反射板として利用することができる。また、フラクタル構造体および集合体空洞内にＺｎＴｅやＬｉＮｂＯ３などの非線形光学結晶またはＧａＡｓなどを使った光伝導アンテナである非線形光学素子を挿入した場合、非線形光学効果の励起により特定波長の高調波を効率よく、かつ高エネルギービームとしても発生させる発振装置に利用できる。金属のみ、もしくは金属被覆した誘電体、あるいは金属／誘電体の複合体で構成し、表面もしくは全体にわたって電気伝導性を持たせたフラクタル構造体および集合体とすることによって、特定波長の電磁波を局在させ、局在した電磁エネルギーを電流に変換する装置に利用できる。フラクタル構造体および集合体に、特定波長の電磁波を局在させて金属に吸収させることにより、このフラクタル構造自体を熱源として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、本発明に係るメンジャースポンジ型フラクタル構造体である。
【図２】図２は、本発明に係るシアピンスキーカーペット型フラクタル構造体である。
【図３】図３（ａ）および（ｂ）は、メンジャースポンジ型フラクタル構造体の製造方法の一例を示す図である。
【図４】図４（ａ）および（ｂ）は、金属のみ、金属被覆、金属／誘電体フラクタル構造に対する電磁波特性の測定方法の一例を示した図である。
【図５】図５（ａ）および（ｂ）は、光造形法により作製した、メンジャースポンジ型フラクタル構造を有するエポキシ樹脂製鋳型に対して、低融点金属の溶湯を流し込み鋳造したフラクタル構造の電磁波反射と透過特性を示す図である。
【図６】図６（ａ）および（ｂ）は、光造形法により作製した、銅を３０体積％含むポリエステル樹脂からなる３次元メンジャースポンジ型フラクタル構造の電磁波反射と透過特性を示す図である。
【図７】図７（ａ）および（ｂ）は、ポリエステル樹脂で作製した３次元メンジャースポンジ型フラクタル構造に無電解メッキ法で銅を被覆した時の、電磁波反射と透過特性を示す図である。
【図８】図８（ａ）および（ｂ）は、銅を３０体積％含有するポリエステル樹脂で構成した２次元シアピンスキーカーペット型フラクタル構造の電磁波反射と透過特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１−ステージ３のメンジャースポンジ型フラクタル構造体
１０−ステージ３のメンジャースポンジ型フラクタル構造体を２７等分した構造体
１１−ステージ３のメンジャースポンジ型フラクタル構造体を２７等分した構造体をさらに２７等分した構造体
１２−フラクタル構造体１の面心を貫通する角柱空洞
１３−第２段階目の基本構造パターン１０の面心を貫通する角柱空洞
１４−第３段階目の基本構造パターン１１の面心を貫通する角柱空洞
２０−光硬化性樹脂液
３０−紫外線レーザー光
４０−造形テーブル
５０−フラクタル構造体サンプル
６０−モノポールアンテナ
７０−ホーンアンテナ
８０−フラクタル構造体サンプル
９０−３次元フラクタル構造体１の面心を貫通する角柱空洞
１１０−３次元フラクタル構造体１の体心位置にある立方体空洞
【図１】
2006005251.tif 000003
【図２】
2006005251.tif 000004
【図３】
2006005251.tif 000005
【図４】
2006005251.tif 000006
【図５】
2006005251.tif 000007
【図６】
2006005251.tif 000008
【図７】
2006005251.tif 000009
【図８】
2006005251.tif 000010