(57)【要約】  電界を利用することによって、単分散粒子または単分散粒子の混合物の規則的格子の粒子間隔を生成させ、制御する方法である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界を使用することにより、実質的に単分散性の粒子または単分散粒子の混合物の規則的格子の粒子間隔を制御する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記粒子の格子はフォトニック結晶を形成することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法であって、
前記格子は、電界によって生成されることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１，２または３のいずれか１つに記載の方法であって、
２個またはそれ以上のペアの電極によって電圧が供給され、電極の各ペアは独立した電圧源に接続され、前記電圧源の相対的位相が制御されることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の方法であって、
前記印加された電界の周波数は、１００Ｈｚと２０ｋＨｚの間であることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、
前記印加された電界の周波数は、１０００Ｈｚと１０ｋＨｚの間であることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１つに記載の方法であって、
前記粒子の大きさは１００ｎｍから６００ｎｍの範囲であることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１つに記載の方法であって、
前記粒子の大きさは６００ｎｍから１０００μｍの範囲であることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１から６のいずれか１つに記載の方法であって、
前記粒子の大きさは１ｍｍから１０ｍｍの範囲であることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１つに記載の方法であって、
前記粒子は、少なくとも±１０ｍＶゼータ電位あるいは、より好ましくは±４０ｍＶまたはそれを超える表面電荷を有し、粒子が相互に反発することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれか１つに記載の方法であって、
前記粒子は、表面活性剤またはオリゴマもしくは高分子からなる、あるいはより小さな帯電粒子の１層または複数の層を有し、粒子間の立体反発を創出し、粒子を相互に反発させることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１つに記載の方法であって、
前記電界の強度は５０００から１０００００Ｖｍ-1の範囲であることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、
前記電界の強度は１０００から８００００Ｖｍ-1の範囲であることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１つに記載の方法であって、
前記結晶格子構造は、異なる軸に沿って異なる大きさの力を加えることにより、六方最密充填もしくは面心立方から立方最密充填構造に体系的に移行され、フォトニックバンドギャップが改善されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１から１３のいずれか１つに記載の方法であって、
前記結晶格子の対称性は、楕円、棒状または板状の粒子あるいはその他の非球状粒子等、アスペクト比の高い粒子を含めることによって体系的にシフトされることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１から１３のいずれか１つに記載の方法であって、
前記結晶格子の対称性は、より小さな粒子の大きさを適当に選択することによってより大きな粒子の格子の対称性を変化させることができるように、大きさの比率が調整される、２つまたはそれ以上の粒子サイズを混合させて使用することによって体系的にシフトされることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか１つに記載の方法であって、
前記格子の組立に使用される前記粒子が中空であることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか１つに記載の方法であって、
前記格子の組立に使用される前記粒子が中空であり、金属もしくは誘電材料あるいは金属と誘電材料の組み合わせによる複数の層を備えることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項２から１８のいずれか１つに記載の方法であって、
前記フォトニック結晶の組立に使用される粒子は、高分子、有機、無機、セラミック、金属、金属酸化物または金属塩あるいは金属被覆粒子であることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれか１つに記載の方法であって、
使用される前記粒子は、界面部分で帯電粒子を吸収することによって安定化された限定的合体乳濁液の単分散液滴であることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法であって、
前記液滴は、光学応答性をさらに調整するために、液晶材料からなる、あるいはこれを含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１から２０のいずれか１つに記載の方法であって、
前記粒子は、光学応答性をさらに調整するために、液晶材料中に懸濁されることを特徴とする方法。
【請求項２３】
波長可変コロイドフォトニック結晶装置の製造方法であって、
懸濁液中の結晶内の格子間隔が、懸濁液に電界を印加することによって制御されることを特徴とする製造方法。
【請求項２４】
可逆的に調整可能なフォトニック特性を有する懸濁液を用いたフォトニック結晶装置であって、
格子の寸法が請求項１に記載の方法によって制御されることを特徴とするフォトニック結晶装置。
【請求項２５】
可逆的に調整可能なフォトニック特性を有する懸濁液を用いたフォトニック結晶カラーフィルタ装置であって、
格子の寸法は、請求項１に記載の方法によって制御され、反射型または透過型ディスプレイの部品として、特定の波長の光を選択的に反射もしくは透過するために使用できることを特徴とするフォトニック結晶カラーフィルタ装置。
【請求項２６】
可逆的に調整可能なフォトニック特性を有する懸濁液を用いたフォトニック結晶カラーフィルタ装置であって、
前記装置は粒子の鎖状体を含み、この鎖状体は前記鎖状体の角度方向によって決定される周期の回折格子を形成し、請求項１に記載の方法によって制御され、反射型もしくは透過型ディスプレイの部品として、特定の波長の光を選択的に反射もしくは透過するために使用されることを特徴とするフォトニック結晶カラーフィルタ装置。
【請求項２７】
可逆的に調整可能なフォトニック特性を有する懸濁液を用いたフォトニック結晶カラーフィルタ装置であって、
格子の寸法は請求項１に記載の方法によって制御され、ＣＭＯＳまたはＣＣＤあるいはその他の画像撮影素子のフィルタアレイの一部として、特定の波長の光を選択的に反射もしくは透過するために使用されることを特徴とするフォトニック結晶カラーフィルタ装置。
【請求項２８】
可逆的に調整可能なフォトニック特性を有する懸濁液を用いたフォトニック結晶カラーフィルタ装置あって、
前記装置は粒子の鎖状体を含み、この鎖状体は前記鎖状体の角度方向によって決定される周期の回折格子を形成し、請求項１に記載の方法によって制御され、ＣＭＯＳまたはＣＣＤあるいはその他の画像撮影素子上のフィルタアレイの一部として、特定の波長の光を選択的に反射もしくは透過するために使用されることを特徴とするフォトニック結晶カラーフィルタ装置。
【請求項２９】
可逆的に調整可能なフォトニック特性を有する懸濁液を用いたフォトニック結晶カラーフィルタ装置であって、
格子の寸法は請求項１に記載の方法によって制御され、フィールドシーケンシャルモードで動作する画像撮影もしくは表示装置の部品として、特定の波長の光を選択的に反射もしくは透過するために使用されることを特徴とするフォトニック結晶カラーフィルタ装置。
【請求項３０】
可逆的に調整可能なフォトニック特性を有する懸濁液を用いたフォトニック結晶カラーフィルタ装置であって、
前記装置は粒子の鎖状体を含み、この鎖状体は前記鎖状体の角度方向によって決定される周期の回折格子を形成し、請求項１に記載の方法によって制御され、フィールドシーケンシャルモードで動作可能な画像撮影もしくは表示装置の部品として、特定の波長の光を選択的に反射もしくは透過するために使用されることを特徴とするフォトニック結晶カラーフィルタ装置。
【請求項３１】
反射型もしくは透過型表示装置に使用するための請求項２４から３０のいずれかに記載の、独立して制御される調整可能なフォトニック結晶カラーフィルタ装置。
【請求項３２】
可逆的に調整可能なフォトニック特性を有する懸濁液を用いたフォトニック結晶装置であって、
前記格子の寸法は、調整可能な負屈折率を有するフラットレンズ装置を作製するための材料を使って請求項１に記載の方法によって制御されることを特徴とするフォトニック結晶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶分野、特に結晶内の粒子間の格子間隔の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
先行技術において、フォトニック結晶には光電子工学、レーザ、フラットレンズ、センサ、波長フィルタ、表示装置における幅広い応用範囲があることは良く知られている。フォトニック結晶の一般的な製造方法は、コロイド微粒子のコロイド結晶への自己組織化を利用するものである。この自己組織化工程は、沈降、遠心分離、ろ過、せん断配向または蒸着等、さまざまな方法で実現できる。さらに、電界を使ってコロイドの最密充填アレイを構成できることも周知である。たとえば、（Ｒ．Ｃ．ヘイワード、Ｄ．Ａ．サヴィーユ、Ｉ．Ａ．アクセイのElectrophoretic assembly of colloidal crystals with optically turnable micropatterns, Nature, vol 404, p56, 2000）およびその中で引用されている参考文献を参照のこと。これ以外に、ＡＣ電圧を２枚の平面電極に印加することによって構成されるコロイド結晶の例がティーイン・ゴン、デイヴィッドＴ．ウー、デイヴィッドＷ．Ｍ．マーの"Electric Field-Reversible Three-Dimensional Colloidal Crystals", Langmuir, vol 19 p.5967, 2003およびサイモンＯ．ラムズドン、エリックＷ．ケイラー、オーリンＤ．ヴェルヴの"Two-Dimensional Crystallization of Microspheres by a Coplanar AC Electric Field", Langmuir, vol 20, p2108, 2004において紹介されている。
【０００３】
四重極電極構造を使って不均一な電界勾配を発生させ、これを電気泳動による粒子の制御と操作に利用することは周知であり、その最も初期の例のいくつかを説明したものが、Ｈ．Ｐ．プールの"Dielectrophoresis" Cambridge University Press (1987）である。さらに、「粒子回転」とも呼ばれる回転電界を液体懸濁液中の粒子（多くの場合、細胞等の生物学的粒子）の操作に応用することもよく知られている。たとえば、ジョーンズ，Ｔ．Ｂ．の"Electromechanics of Particles", (Cambridge University Press, Cambridge, 1995, p83)を参照のこと。特に、四重極電極構造を使って回転電界を印加する方法は、米国特許第６，０５６，８６１号に記載されている。
【０００４】
しかしながら、上記の先行技術の中に、本明細書で説明するような方法によって、構成されたコロイド結晶の格子間隔を、電界を使って能動的に制御することを提案しているものはない。
【０００５】
一般に、結晶の格子間隔は、最密充填化された単分散球状粒子の直径によって決定され、いったん結晶構造が形成されると変化しない。
【０００６】
フォトニック結晶の格子間隔が制御可能であることは有益である。なぜなら、このパラメータが光学ストップバンドの位置を決定し、したがって結晶内の伝播が禁じられるために反射される波長を決定するからである。そこで、フォトニック結晶内の格子間隔を相互作用的に調整できれば、それによって各種の電気光学デバイスの創作が可能となるため、これは好ましい特性である。波長可変フォトニック結晶の作製方法は、米国特許第５，２８１，３７０号や、最近では米国特許出願公開２００４０１３１７９９号において開示されている。しかしながら、これらの格子間隔変更方法はどちらも、幾何学的に変形された高分子マトリクスに埋め込まれたフォトニック結晶について実現されるものである。これは、静電界を用いて液体懸濁液中のフォトニック結晶の間隔を相互作用的に制御する本発明とは大きく異なる。フォトニック結晶を高分子マトリクス内に埋め込む方法の限界は、結晶が多結晶としての性質を有する傾向があるという点である。その結果、幅が増大し、強度が低下し、反射されたピークの位置が不確実となる。これらのシステムにおいて格子間隔を調整できる範囲は、高分子マトリクスの柔軟性によって限定され、デバイスが動作できる波長が制限される。さらに、格子間隔を変更できる速度も、高分子マトリクスをどれだけ高速に圧縮または延引できるかに依存する。一般に、０．５から１秒のオーダーの時間が必要であり、高分子マトリクス装置のフォトニック結晶は、光学スイッチやビデオレートアプリケーション用のディスプレイ等、ミリ秒単位もしくはそれ以下の応答時間が要求される各種の電気光学装置には不適当である。
【０００７】
フォトニック結晶を反射型表示装置内の光学フィルタとして用いる利点が、国際公開番号００／７７５６６号および欧州特許第１３５９４５９号において提案されている。しかしながら、このような反射型表示装置に本発明を応用することにより、製造しやすさと性能の点でさらに改善することができる。なぜなら、赤、緑、青の画素のための３つの個別のフォトニック結晶フィルタを使うのではなく、波長可変フォトニック結晶を１個使って、高分子に埋め込まれたフォトニック結晶では実現できなかった高速切替速度で、これら３色すべての応答を可能にするからである。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，２８１，３７０号
【特許文献２】米国特許第６，０５６，８６１号
【特許文献３】米国特許出願公開２００４０１３１７９９号
【特許文献４】国際公開番号００／７７５６６号
【特許文献５】欧州特許第１３５９４５９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、先行技術における周知の方法の問題や制約とは無縁の、懸濁液中の粒子の格子間隔を制御する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電界を使って液体懸濁液中のフォトニック結晶の間隔を相互作用的に制御するものである。
【００１１】
本発明によれば、実質的に単分散した粒子または粒子混合物の規則的格子の粒子間隔を制御する方法が提案される。
【００１２】
本発明によれば、結晶内の２つの独立した軸に沿った粒子間隔を動的かつ可逆的に制御することが可能となる。粒子は帯電しているため、静電力によって表面が接触しない。しかしながら、粒子は電界によって誘発される一時的双極子によって、六方最密充填（ＨＣＰ）パターンに保持される。結晶内の粒子間の分離距離は電界によって制御されるため、電界強度を変えることによって格子間隔を変化させることができる。格子間隔の変化は可逆的かつ高速であり、１秒の何分の１かで行われる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、懸濁液内の粒子の正確、可逆的、動的な位置決めが可能となる。間隔は、高速、可逆的、再現可能な方法で制御できる。本発明はまた、アスペクト比の制御を可能にするため、間隔を軸ごとに変えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の特徴と利点は、添付の図面に関連する以下の説明から明確となるであろう。
【００１５】
図１は、本発明の方法を説明するために使用される電極のレイアウトを示す。
【００１６】
４個の電極１，２，３，４が観察領域周辺に配置される。電極１，２は信号増幅器５に接続されている。離電極３，４は、信号増幅器６に接続されている。４個の電極は同一平面上にある。実施された実験において、電極１，４と２，３の間の距離は１５９μｍである。電極１，３と２，４の距離は１４２μｍである。しかしながら、ギャップは、必要に応じて調整可能である。距離が短ければ、所望の効果、つまり、３００００Ｖｍ-1のオーダーの電界強度を得るための電圧が低くてすむ。
【００１７】
電極は、ガラス製の顕微鏡スライド上にスパッタリング被覆した厚さ４０ｎｍのプラチナの層である。一般に行われるように、アニオン性ポリスチレンラテックス粒子の希釈懸濁液、１０μＬアリコートを電極間に流し込み、顕微鏡カバースリップで覆った。各電極のエッジ・エッジ間電気抵抗は１００Ω未満、いずれか２個の電極間の抵抗は、懸濁液が存在する状態で５ＭΩより大きかった。正の位相シフトとは、信号増幅器５が信号増幅器６に先行することを示す。
【００１８】
標準的な手法を使って合成された単分散アニオン性ポリスチレンラテックス粒子のアレイの凝集、運動および粒子間分離距離を観察した。粒子は、Ｂｒｏｏｋｈａｖｅｎ  Ｚｅｔａｐｌｕｓ光散乱測定器を使って特徴付けられ、その結果、ゼータ電位は０．０１ｍＭ  ＫＣｌで−４０．６ｍＶ、平均直径０．９３μｍ（多数分散性０．０１２）であった。実験は、ＫＣｌ電解質濃度０．０１ｍＭの希釈水性懸濁液（０．２９重量％）を使用して行われた。カメラとビデオ録画装置を取り付けた光学顕微鏡を使い、４個の電極の間の中央領域を観察した（図１参照）。図１に詳細に示される４個の同一平面上にある電極１，２，３，４は、２個の信号増幅器５，６に接続され、１６００Ｈｚの周波数の正弦波交流電圧を出力する。通常通りに、この配置によって？３０，０００Ｖrmsｍ-1の電界強度が得られ、これによって、粒子は電圧の相対的な大きさと位相に応じて、鎖または回転六方最密充填（ＨＣＰ）結晶の状態に配列した。観察結果を以下にまとめる。
【００１９】
電界が印加されていないときは、粒子のランダムなブラウン運動がはっきりと見られ、粒子は凝集しなかった。１個の信号増幅器だけが作動すると（電極１と２または３と４）、粒子は自発的に柔軟な鎖状体を形成した。時間の経過とともにより多くの鎖状体が形成されると、隣接する鎖状体は周期的に一緒に漂流し(drifted together)、六方最密充填（ＨＣＰ）結晶構造を構成した。電界をオフにすると、ブラウン運動によって結晶構造は「分解」した。信号増幅器５だけが動作している状態で形成された鎖状体は、信号増幅器６だけが動作している状態で形成されるものに対して垂直であることが観察された。
【００２０】
信号増幅器５，６の両方が相対的位相シフト０°で動作している時も鎖状体は形成され、この場合、図１のｘ軸に平行に配列された。相対的な意味で、この鎖状体は、一方のみの信号増幅器が動作中のときに得られる鎖状体に対して４５°回転していた。両方の信号増幅器が相対的位相シフト１８０°で動作する時には、位相シフトがない場合に得られた鎖状体に垂直な、ｙ軸（図１）に並行に配列した鎖状体が形成された。しかしながら、相対的位相シフトが９０°の場合、中間鎖は形成されず、その代わりに、１秒以内にＨＣＰ結晶が形成された。これらの結晶は、毎分約５０から５００回転の速度で回転し、この回転速度は結晶の大きさに反比例する。隣接する結晶は、周期的に漂流し、相互に結合し、結晶の大きさが増す一方で、回転速度は低下した。信号増幅器の片方を切断すると、回転は即座に停止し、結晶の各部分が裂けて鎖状体となった。電極間の中央領域から離れて漂流する結晶も、徐々に裂けて鎖状体になるのが観察された。回転速度は電界強度に比例していた。相対的位相シフトを２７０°に切り替えると、回転方向が逆転した。１サイクルごとに相対的位相シフトを９０°と２７０°で交互に切り替える、あるいは一方の電圧源の周波数を半分にすることにより、回転する結晶の回転を防止することができる。
【００２１】
先行技術において、コロイド結晶の可逆的形成は、懸濁液内の粒子に関連する電気的に誘発された双極子の相互作用によって実現できることが知られている。特に、サイモンＯ．ラムズドン、エリックＷ．ケイラー、オーリンＤ．ヴェルヴの"Two-Dimensional Crystallization of Microspheres by a Coplanar AC Electric Field", Langmuir, vol 20, p2108, 2004においては、同一平面上にある電極を使って、低周波数（＜２０，０００Ｈｚ）の交流電界（回転しない）を発生させ、これによってラテックス粒子が鎖状体となり、その後２次元平面を形成した。重要な点として、この研究の粒子は、結晶アレイに保持され、その表面の間隔は最大１５０ｎｍであった。これは、引力と斥力のバランスによって実現された。引力は、電気的に誘発された双極子から発生した。静電斥力は、粒子表面の電荷から発生した。
【００２２】
２つの平行な電極（図１の電極１，４と同様）の間に回転しない交流電界を使用するラムズドン等のものに類似した実験において、電界平行軸に沿った粒子間表面分離距離は、電界垂直軸に沿ったものより常に６５％短かった。これを図２に示す。
【００２３】
図２において、すべてのデータポイントは単独の交流電界において測定された粒子間表面分離距離を示す。白いひし形は電界平行軸の粒子分離距離、白丸は電界垂直軸の粒子分離距離である。
【００２４】
結晶は、鎖状体の間の引力が各鎖状体の中の粒子間の引力よりはるかに小さいため、非対称（細長）であった。これは、隣接する鎖状体の中の双極子の準最適配列と位置決めの制約による。
【００２５】
非対称性は、電界を使って制御できることがわかっている。
【００２６】
本発明においては、同一平面上の四重極電極を使って低周波数（１６００Ｈｚ）で回転する電界を生成した。しかしながら、１００Ｈｚから２０ｋＨｚまでの範囲の周波数も使用できる。当業者は、電界が回転していることは本発明の本質的要素ではなく、電界のベクトルに時間による変化が生じることが重要であることを理解するであろう。
【００２７】
実験における結晶の回転は、電界が回転する方向（時計回り、反時計回り）を周期的に切り替えることによって防止された。これによって、２次元結晶構造内の内部間隔を測定することができた。
【００２８】
１サイクルごとに９０°と２７０°と相対的位相シフトを交互に切り替えることによって結晶の回転を防止した状態で、スチルビデオフレームの画像解析を行った。グラディキュール(gradicule)（Ｇｒａｄｉｃｕｌｅｓ  Ｓｅｒ  ＣＳ１７８７，５０×２ミクロン）を使って校正した長さ測定の結果、両方の信号増幅器が同じ交流電圧で動作する時、電極１と２の間の対角線軸に沿った粒子間表面分離距離は電極３と４の間の対角線軸に沿ったそれとほぼ等しいことがわかった。信号増幅器５によって伝達された交流電圧の大きさを縮小することによって、電極１と２の間の軸に沿った粒子間分離距離は結晶構造内で３４％増大した。これと同時に、電極３と４の間の軸に沿った粒子間分離距離は８％減少した。これを図３に示す。
【００２９】
図３において、すべてのデータポイントは回転電界の中で形成された結晶内で測定した粒子間表面分離距離を示す。白丸は電極３と４の間の軸に平行な分離距離を示す（±１０°）。×印は電極１と２の間の軸に平行な分離距離を示す（±１０°）。実線と破線は、直線回帰フィットである。明確を期すために、電極１と２の間の電界強度を個別に計算したものをｘ軸に使用した。電極３と４の間の交流電圧の大きさは一定であるため、計算された最大電界成分は３８，０９０Ｖrmsｍ-1である（実際の電界強度と方向は、ベクトルの和で計算される）。
【００３０】
ＨＣＰ結晶構造への複合効果として、結晶構造は１つの軸に沿って引き伸ばされた。実験中の流体の流れの存在によってＨＣＰ構造がゆがめられ、その結果、立方最密充填（ＣＣＰ）構造に近いものとなることがわかった。このように格子をゆがめる能力を利用して、フォトニックバンドギャップの大きさを改善できる。
【００３１】
図１に示す実験セットを使い、０．０１ｍＭ  ＫＣｌに懸濁された７６０ｎｍポリスチレンラテックス球状粒子（Ｊｏｅｌ  ＪＳＭ−６３３０Ｆ  ＳＥＭにより測定）の格子間隔を制御した。ここで、電極は、先端部に高い電界領域が発生しないように、先端を丸くしたものであった。同一平面上の四重極電極系に１０００Ｈｚの周波数の回転電界を印加したところ、電界強度は１５から３５Ｋｖｍ-1の範囲で変化した。結晶の格子間隔は、２種類の方法で測定した。ひとつ目はｉｎ−ｓｉｔｕでのＰＳ粒子の光学顕微鏡画像による方法、二つ目は２Ｄ結晶を通じたダイオードレーザからの６３５ｎｍの光を照射するとによって得られる第一次回折点の観察と測定による方法である。その結果を図４に示す。
【００３２】
図４は、レーザ回折により測定された格子間隔（白い四角）が、光学顕微鏡により測定されたもの（黒い四角）より常に約２０ｎｍ高いことを示している。しかしながら、どちらの方法で測定された間隔も、電界強度に対して同じ反応を示している。つまり、電界強度が増すと結晶の格子間隔は減少する。
【００３３】
下表は、図４に示す装置に白色光を〜３０から５０度で照射したときの視認可能な色の観察結果を示す。この実験において、電界強度は３５Ｋｖｍ-1で変わらないが、電界の方向と位相は異なる。
【００３４】
【表１】
2008525836.tif 000002
上記の実験において、単分散球状粒子は鎖状体へと組織化され、電界の方向に沿って配列した。この装置を使って鎖状体の配列を能動的に制御することにより、反射光の波長を調整することが可能である。鎖状体の集合は回折格子の役割を果たし、格子周期は入射光によって定められる角度と鎖状体の長軸によって決まる。この装置のさらに別の利点は、球状粒子に垂直に分散する選択された波長の光が、視角によってほとんど変化しないことである。
【００３５】
上記の実験では、電界におけるコロイド結晶の高速な組織化が実証された。さらに、これらの実験によって、結晶の回転の制御および独立した軸に沿った格子間隔に対する動的かつ高速かつ可逆的な制御が可能であることも証明された。フォトニック結晶の格子間隔を相互作用的に調整できることは、光電子機器において、波長可変フィルタ素子、あるいは調整可能な光学特性を有するフラットレンズにとって、またディスプレイ内の波長可変色素子の部品として、あるいはＣＣＤ，ＣＭＯＳまたはフィルムカメラやサーマルイメージャ等のその他の画像撮影装置用の波長可変光学フィルタとして使用可能なディスプレイ業界において特に有益である。そのほか、赤、緑、青のフィールドが連続的に撮影もしくは表示される、フィールドシーケンシャルモードでの撮影もしくは表示を利用するアプローチもある。
【００３６】
コロイド粒子の大きさを適当に選択することによって、このデバイスを電磁スペクトルの異なる領域を制御するために使用できる。たとえば、１００から６００ｎｍの範囲の大きさの粒子は、スペクトルの可視領域において動作するデバイスに使用され、マイクロメートルの範囲の大きさの粒子は、スペクトルの赤外線領域でデバイスを動作させるのに使用される。さらに大きな粒子の使用により、スペクトルのテラヘルツおよびマイクロ波領域における動作が可能となる。
【００３７】
ポリスチレンまたはシリカの単分散球状粒子の使用に加え、機能性球状粒子も利用でき、あるいはセラミック、金属酸化物もしくは金属塩、高分子または金属層等、異なるひとつまたは複数の材料のシェルあるいは金属の層を有するコア粒子を含む球状粒子を使って表面プラズモンを操作し、またはフォトニックバンドギャップを改善できる。さらに、中空の粒子もしくは気泡を使い、懸濁する液体と粒子の間の誘電コントラストをより大きくすることが可能である。中空の粒子により、構成された格子はシェルの内側と外側で異なる長さスケールを持ち、これを利用してバンドギャップを改善できる。さらに高度なものとするためには、複数の、制御可能な長さスケールを持たせるために、異なる誘電率を有する材料からなる複数の交互に重ねられた層を持つ中空の粒子を使用する。バンドギャップを大きくするための別の方法として、２つの異なる大きさの単分散球状粒子を使って、大きさごとの量の比率を調整し、最終的な格子の充填構造を変更してもよい。この方法のバリエーションとして、アスペクト比が１より大きい楕円、棒状または板状の粒子等の非対称粒子を使い、充填対称性を変化させる方法がある。このような形状の異なる粒子は、個別にも、組み合わせても使用できる。さらに、たとえば液体または高分子の単分散液滴を有する限定的合体乳濁液を使用することも可能であり、この液滴は液滴表面に結合させた粒子によって安定化され、このようにして、表面電荷を発生させる安定化粒子を使って液滴が表面電荷を帯びるようにすることができる。液滴を電界の印加によってその誘電特性を変化させる液晶材料とするか、あるいは液滴にこうした液晶材料を含めることにより、フォトニック結晶の光学応答を選択的に調整する、また別の機会を得ることができる。
【００３８】
例として紹介した粒子は、その表面に一定の電荷を有し、これが斥力を発生させて粒子を分離した状態に保つ。この力は、電界によって発生される双極子の引力と平衡が保たれる。しかしながら、最小限の要求事項は粒子が相互反発することであり、これは、表面活性剤またはオリゴマもしくは高分子等の１層または複数の吸収層や、たとえば粒子表面上の帯電粒子その他の分散剤の層による立体反発を利用する等、その他の手段でも実現でき、これによって永久的に表面電荷を持たせることに対する要求が緩和される。
【００３９】
本発明を好ましい実施形態に関連して説明した。当業者は、本発明の範囲内で変更や改変が可能であると理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態において使用される電極のレイアウトの概略図である。
【図２】非回転電界を使用した場合の電界強度に対する粒子間の表面分離距離を示すグラフである。
【図３】回転電界を使用した場合の電界強度に対する粒子間の表面分離距離を示すグラフである。
【図４】格子間隔対印加される電界の強度を示す別のグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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