(57)【要約】【課題】  緻密な模様や文字を簡単に施し、且つ種々の色を着色することができる着色方法を提供する。加えて、模様や文字を３次元に施すことのできる着色方法を提供する。【解決手段】  着色対象物に、少なくとも一種類以上の色素を含む着色層を複数有する多層着色膜を形成する工程と、該多層着色膜を加工する工程を有する着色方法であって、前記多層着色膜を形成する工程において、前記色素の組成が夫々異なる複数の前記着色層を、該複数の着色層の間を分離する層分離層と交互に形成し、前記多層着色膜を、レーザー等を用いて加工することにより着色対象物に着色することを特徴とする着色方法である。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
着色対象物に、少なくとも一種類以上の色素を含む着色層が複数積層された多層着色膜を形成する工程と、該多層着色膜を加工する工程を有する着色方法であって、
前記多層着色膜を形成する工程において、前記色素の組成が夫々異なる複数の前記着色層を、該複数の着色層の間を分離する層分離層と交互に積層し、
前記多層着色膜を加工する工程において、該多層着色膜を穿孔して、該多層着色膜の内部にある前記着色層の一定範囲を露出させることを特徴とする着色方法。
【請求項２】
前記色素が遷移金属イオン、又は希土類金属イオンであることを特徴とする請求項１記載の着色方法。
【請求項３】
前記分離層が発光素子であることを特徴とする請求項１又は２記載の着色方法。
【請求項４】
前記層分離層が酸化亜鉛を主成分とする層であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の着色方法。
【請求項５】
前記多層着色膜の加工をレーザーを照射することで行うことを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の着色方法。
【請求項６】
前記レーザーがフェムト秒レーザーであることを特徴とする請求項５記載の着色方法。
【請求項７】
着色対象物に、少なくとも一種類以上の色素前駆体を含む着色層が複数積層された多層着色膜を形成する工程と、該多層着色膜に活性エネルギーを照射する工程を有する着色方法であって、
前記多層着色膜を形成する工程において、前記色素前駆体の組成が夫々異なる複数の該着色層を、該複数の着色層の間を分離する層分離層と交互に積層し、
前記多層着色膜に活性エネルギーを照射する工程において、該多層着色膜の前記着色層の一定範囲に活性エネルギーを集束して照射することを特徴とする着色方法。
【請求項８】
前記多層着色膜を形成する工程において、前記着色層が複数積層された該多層着色膜を、複数積層することを特徴とする請求項７記載の着色方法。
【請求項９】
前記着色層が、前記色素前駆体としてコロイド粒子を含む結晶コロイドであることを特徴とする請求項７又は８記載の着色方法。
【請求項１０】
前記色素前駆体が遷移金属、又は希土類金属であることを特徴とする請求項７又は８記載の着色方法。
【請求項１１】
前記分離層が発光素子であることを特徴とする請求項７乃至１０記載の着色方法。
【請求項１２】
前記層分離層が酸化亜鉛を主成分とする層であることを特徴とする請求項６乃至１１いずれか記載の着色方法。
【請求項１３】
前記活性エネルギーがレーザーであることを特徴とする請求項６乃至１２いずれか記載の着色方法。
【請求項１４】
前記レーザーがフェムト秒レーザーであることを特徴とする請求項１３記載の着色方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は着色対象物に着色する着色方法に係り、より詳しくは、多彩な色の着色が可能な着色方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属、ガラス、プラスチック、セラミックス等に模様や文字を施すには、例えば、刻印が用いられていた。また、刻印により施された模様や文字等に色を着色する方法としては、塗装、印刷、エッチング、ブラスト等に代表される、インク等の液体を流し込むことによって着色する方法が行われてきた。
しかしながら、上記方法は手作業によるものが殆どであり、量産性や品質の均一性に問題がある。また、作業が手作業であるため、緻密な模様や文字が表現されたものを大量に作成することは困難である。
【０００３】
そこで、金属等の着色対象物にレーザーを照射させることで、レーザーの照射部分を変色させ、模様や文字を施す方法が下記特許文献１に示されている。金属等の表面に火炎やレーザー等の熱源を加えることで、金属等の表面が変色することは古くから知られており、当該方法はこの現象を応用したものである。当該方法はレーザーを使用するため、量産性や品質の均一性に優れているといった効果を有する。また、近年のレーザー技術の向上により、緻密な模様や文字を作成することも可能となる。
しかしながら、当該方法では、色の種類が限られており、種々の色を着色することができないといった問題がある。
【０００４】
そこで、下記特許文献２において、金属の表面へのレーザーでの照射を複数回行うことによって、種々の色を着色する方法が示されている。
具体的には、金属の前表面或いはその一部をレーザーを照射させることにより変色させ、その後、再度金属表面にレーザーを照射することで、再度レーザーを照射した部分に酸化皮膜を形成する。それにより、酸化皮膜と素地金属との屈折率に差を生じさせ、当該差に起因した光の干渉作用を利用して所望の色を着色するといった方法である。
さらに、より多くの色を着色させるため、レーザー光の発振出力、照射時間、繰り返し回数、ビームスポットサイズ、焦点距離、パルス周波数等を所定の値に設定することにより所定の色を着色させることも示されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献２で示した方法を用いた場合、様々な色を持たせるためには、多工程を経る必要があり、作業が煩雑となるといった問題が生じる。加えて、特許文献２で示した方法を用いたとしても、着色することができる色は限られており、色の選択の自由度を充分なものとできないといった問題もある。
【０００６】
また、下記特許文献３において、印字するべき金属箔を上に着色層を有し、レーザーを照射させることにより、模様や文字を施すことが示されている。着色層はレーザー吸収性を示すので、レーザーを照射した箇所が着色される。
【０００７】
しかしながら、特許文献３に示した方法では、着色層にレーザーを照射したときに有する色、単色しか着色することができず、多色の文字や模様を施すことができないといった問題がある。
【０００８】
また、下記特許文献４において、感光性のマイクロカプセルを有する感光性の層に画像を印刷する方法が示されている。具体的には、感光性のマイクロカプセルを有する感光性の層を均一な破壊力により露光することで、マイクロカプセルを破壊して内相を開放し、現像物質と反応させる。それにより、マイクロカプセルを破壊した箇所が着色され、模様や文字を形成する。また、露光手段が、複数の露光発生素子、例えば変調型の赤、緑および青の発光ダイオードを備えており、これにより、多色の模様や文字を施すことも示されている。
【０００９】
しかしながら、特許文献４に示した方法では、露光発生素子の発色の色は限られており、種々の色を着色することができないといった問題がある。また、感光性のマイクロカプセルを数種類使用することで、色の選択の自由度を向上させることも考えられるが、この場合、マイクロカプセルを平面上に形成することになる。そのため、多色の色を施す場合には、緻密な画像を得ることができないといった問題もある。
例えばマイクロカプセルを３種類、平面上に形成した場合、模様や文字を構成する色の最小単位の点であるドットの面積は、マイクロカプセル３種類が形成された面積となる。つまり、ドットの面積はマイクロカプセルの種類の数に比例する。そのため、多色の色を施すためにマイクロカプセルの種類を増やすと、ドットの面積が大きくなり、緻密な画像を得ることができない。
【００１０】
また、上記した特許文献は、すべて平面に模様や文字を施す方法であり、３次元に模様や文字を施すことはできない。
【００１１】
３次元に模様を施す方法としては、下記特許文献５において、レーザーを用いた三次元マーキング技術を用いた方法が示されている。具体的には、被加工部材の内部の微小領域にレーザーを集光することにより、集光部分を変質させて模様や文字を施す方法である。
しかしながら、特許文献５に示した方法では、単色でしか模様や文字を施すことができないといった問題がある。
【００１２】
また、下記特許文献６において、レーザーに対して感光性を示す物質を含有する樹脂組成物にレーザーを照射させることで、レーザー照射部分の色を変化させて、文字や模様を施すことが示されている。加えて、平面上に模様や文字を施すだけでなく、樹脂組成物の膜厚を大きくして、内部にレーザーを集束させることで、３次元に模様や文字を施すことも示されている。
さらに、レーザーの照射部分を、レーザーの強度により、白とそれ以外の色に着色させることも示されている。なお、レーザーに対して感光性を示す物質としては、有機遷移金属化合物等が挙げられている。
しかしながら、特許文献６に示した方法では、白とその他一色の計二色しか着色することができず、より多くの色を着色するための具体的な方法については記載も示唆もされていない。
【００１３】
【特許文献１】特開平６−２１２４５１号公報
【特許文献２】特開２００４−２５０７８６号公報
【特許文献３】特開平１１−１５２１１７号公報
【特許文献４】特表平１１−５０３２４６号公報
【特許文献５】特開２００３−３０６３３７号公報
【特許文献６】特許第３７８６３５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、緻密な模様や文字を、簡単に施し、且つ種々の色を着色することができる着色方法を提供することを解決課題とする。加えて、模様や文字を３次元に施すことのできる着色方法を提供することも解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１に係る発明は、着色対象物に、少なくとも一種類以上の色素を含む着色層が複数積層された多層着色膜を形成する工程と、該多層着色膜を加工する工程を有する着色方法であって、前記多層着色膜を形成する工程において、前記色素の組成が夫々異なる複数の前記着色層を、該複数の着色層の間を分離する層分離層と交互に積層し、前記多層着色膜を加工する工程において、該多層着色膜を穿孔して、該多層着色膜の内部にある前記着色層の一定範囲を露出させることを特徴とする着色方法に関する。
【００１６】
請求項２に係る発明は、前記色素が遷移金属イオン、又は希土類金属イオンであることを特徴とする請求項１記載の着色方法に関する。
【００１７】
請求項３に係る発明は、前記分離層が発光素子であることを特徴とする請求項１又は２記載の着色方法に関する。
【００１８】
請求項４に係る発明は、前記層分離層が酸化亜鉛を主成分とする層であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の着色方法に関する。
【００１９】
請求項５に係る発明は、前記多層着色膜の加工をレーザーを照射することで行うことを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の着色方法に関する。
【００２０】
請求項６に係る発明は、前記レーザーがフェムト秒レーザーであることを特徴とする請求項５記載の着色方法に関する。
【００２１】
請求項７に係る発明は、着色対象物に、少なくとも一種類以上の色素前駆体を含む着色層が複数積層された多層着色膜を形成する工程と、該多層着色膜に活性エネルギー線を照射する工程を有する着色方法であって、前記多層着色膜を形成する工程において、前記色素前駆体の組成が夫々異なる複数の前記着色層を、該複数の着色層の間を分離する層分離層と交互に積層し、前記多層着色膜に活性エネルギー線を照射する工程において、該多層着色膜の前記着色層の一定範囲に活性エネルギー線を集束して照射することを特徴とする着色方法に関する。
【００２２】
請求項８記載の発明は、前記多層着色膜を形成する工程において、前記着色層が複数積層された該多層着色膜を、複数積層することを特徴とする請求項７記載の着色方法に関する。
【００２３】
請求項９に係る発明は、前記着色層が、前記色素前駆体としてコロイド粒子を含む液晶コロイドであることを特徴とする請求項７又は８記載の着色方法に関する。
【００２４】
請求項１０に係る発明は、前記色素前駆体が遷移金属、又は希土類金属であることを特徴とする請求項７又は８記載の着色方法に関する。
【００２５】
請求項１１に係る発明は、前記分離層が発光素子であることを特徴とする請求項７乃至１０記載の着色方法に関する。
【００２６】
請求項１２に係る発明は、前記層分離層が酸化亜鉛を主成分とする層であることを特徴とする請求項６乃至１１いずれか記載の着色方法に関する。
【００２７】
請求項１３に係る発明は、前記活性エネルギー線がレーザーであることを特徴とする請求項６乃至１２いずれか記載の着色方法に関する。
【００２８】
請求項１４に係る発明は、前記レーザーがフェムト秒レーザーであることを特徴とする請求項１３記載の着色方法に関する。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１に係る発明によれば、多層着色膜の複数の着色層において、色素の組成が夫々異なることにより、着色対象物に着色層の数だけ色を着色することができ、色の選択において、充分な自由度を得ることができる。
また、着色層を複数の着色層の間を分離する層分離層と交互に積層することにより、各々の着色層の色素が混合することがなく、各層を明確に分けることができる。
さらに、多層着色膜を穿孔して、多層着色膜の内部にある着色層の一定範囲を露出させることにより、露出した部分の着色層の色を着色することができる。
さらに、多層着色膜が、着色層を複数積層した構造となっているので、着色対象物の垂直方向に複数の着色層が存在することとなる。そのため、色の種類を増やすために着色層の数を増やしても、模様や文字を構成する色の最小単位の点であるドットの面積が大きくなることがなく、緻密な模様や文字を得ることができる。
【００３０】
請求項２に係る発明によれば、色素が遷移金属イオン、又は希土類金属イオンであることにより、化学気相蒸着法等により、容易に、且つ薄い着色層を形成することができる。また、多くの種類の着色層を作成することができ、多色な模様等を施すことができる。
【００３１】
請求項３に係る発明によれば、層分離層が発光素子であることにより、多層着色膜を発光させ、鮮やかな色とすることができる。加えて、多色の模様や文字が施された発光体としても利用することができる。
【００３２】
請求項４に係る発明によれば、層分離層が酸化亜鉛を主成分とする層であることにより、層分離層を容易に薄膜化することができる。
また、層分離層を高品質の発光素子とすることもできる。
【００３３】
請求項５に係る発明によれば、多層着色膜の加工をレーザーで行ことにより、微細加工を実現することができる。
【００３４】
請求項６に係る発明によれば、多層着色膜の加工を行うレーザーがフェムト秒レーザーであることにより、照射範囲を狭くすることができるので、殆どの物質を加工することができる。加えて、表面の加工精度が向上するので、より微細な加工を実現することができる。
【００３５】
請求項７に係る発明によれば、多層着色膜の複数の着色層において、複数の着色層の色素前駆体の組成が夫々異なることにより、着色対象物に着色層の数だけ色を着色することができ、色の選択において、充分な自由度を得ることができる。
また、複数の着色層を、複数の着色層の間を分離する層分離層と交互に形成することにより、夫々の着色層の色素前駆体が混合することがなく、各層を明確に分けることができる。
加えて、多層着色膜の着色層の一定範囲に活性エネルギー線を集束して照射することにより、着色層における活性エネルギー線の集束部分を着色することができる。
さらに、多層着色膜が着色層を複数積層した構造となっているので、着色対象物に垂直方向に複数の着色層が存在することとなる。そのため、色の種類を増やすために着色層の数を増やしても、模様や文字を構成する色の最小単位の点であるドットの面積が大きくなることがなく、緻密な模様や文字を得ることができる。
【００３６】
請求項８に係る発明によれば、着色層が複数積層された多層着色膜を、複数積層することにより、多色の模様や文字を３次元的に施すことができる。
【００３７】
請求項９に係る発明によれば、着色層が、色素前駆体としてコロイド粒子を含む液晶コロイドであることにより、一度活性エネルギー線を照射させて着色したとしても、再度活性エネルギー線を照射させることにより、異なる模様や文字を着色することができる。
【００３８】
請求項１０に係る発明によれば、前記色素前駆体が遷移金属、又は希土類金属であることにより、化学気相蒸着法等により、容易に、且つ薄い着色層を形成することができる。また、多くの色の着色層を形成することができる。
【００３９】
請求項１１に係る発明によれば、層分離層が発光素子であることにより、多層着色膜を発光させ、鮮やかな色とすることができる。加えて、多色の模様や文字が施された発光体としても利用することができる。
【００４０】
請求項１２に係る発明によれば、層分離層が酸化亜鉛を主成分とする層であることにより、層分離層を容易に薄膜化することができる。
また、層分離層を高品質の発光素子とすることもできる。
【００４１】
請求項１３に係る発明によれば、活性エネルギー線がレーザーであることにより、容易に、且つ微細に加工することができる。
【００４２】
請求項１４に係る発明によれば、多層着色膜に照射するレーザーがフェムト秒レーザーであることにより、照射範囲を狭くすることができるので、表面の高精度加工を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下に、本発明に係る実施例について説明する。なお、本発明は下記実施例において何ら限定されるものではない。
まず、本発明に係る着色方法の第一実施例について、図１乃至３を用いて、以下説明する。
【００４４】
第一実施例に係る着色方法は、着色対象物１に層分離層２と着色層３を交互に積層した多層着色膜４を有する着色基板１００を加工することで着色する方法である。図１は着色対象物１に多層着色膜４を形成した着色基板１００の構造の断面図であり、層分離層２及び着色層３がｎ層（ｎは１以上の自然数）ずつ積層された構造である。便宜上、層分離層２において、下からｋ番目（ｋは１以上、ｎ以下の自然数）の層分離層を層分離層２−ｋとし、着色層３において、下からｋ番目（ｋは１以上、ｎ以下の自然数）の着色層を着色層３−ｋとする。
【００４５】
図２を用いて、着色対象物１に多層着色膜４を形成する工程について説明する。
着色対象物１は、ガラスや、金属、プラスチック等を例示することができる。しかしながら、着色対象物１は当該例示に限定されるものではなく、多層着色膜を成膜することができるものであればよい。そのため、多くの物体に色を着色することができる。
【００４６】
第一実施例に係る着色方法では、まず、図２（ａ）に示す如く、着色対象物１に酸化亜鉛からなる層分離層２−１を形成する。
そして、図２（ｂ）に示す如く、層分離層２−１上に遷移金属イオンや希土類金属のイオン（以下、総じて金属イオンと称す）のうち１種以上の物質を含む着色層３−１を化学気相蒸着により形成する。この時、金属イオンの色が着色層３の色となる。つまり、金属イオンが色素となる。
【００４７】
次いで、図２（ｃ）に示す如く、着色層３−１上に、酸化亜鉛からなる層分離層２−２を介して、着色層３−２を形成する。
また、着色層３−２は、着色層３−１の金属イオンの組成とは異なる組成を有している。つまり、着色層３−２と着色層３−１は異なる色を有している。
【００４８】
そして、その後も、着色層と層分離層を交互に形成していき、着色層をｎ層有する多層着色膜４が形成される（図１参照）。
【００４９】
層分離層２と着色層３が交互に形成されていることにより、各々の着色層の色素が混合することがなく、各層を明確に分けることができる。
また、層分離層２は発光素子、中でも酸化亜鉛を主成分とする層であることが好ましい。酸化亜鉛は、薄膜化技術の発展が目覚しく、高品質で薄い層分離層２を形成することができるからである。
また、酸化亜鉛は優れた半導体特性を有するため、酸化亜鉛薄膜に発光素子としての役割を担わせることができる。つまり、多層着色膜４を発行させることができる。また、技術的に発光が難しい青色系の光も出すことができ、青色用として現在主流の窒化ガリウムより、良質の光を出すことができる。
これにより、色をより鮮やかに施すことができる。また、着色基板１００自体を発光体とすることもできる。
なお、酸化亜鉛を主成分とする層とは、酸化亜鉛にＬ，Ｎａ等のｐ型ドーパントや、Ｇａ，Ａｌ等のｎ型ドーパントをドーピングしたものを含む。
また、層分離層２として利用できる発光素子としては、窒化ガリウムやＩＴＯを主成分とするものも挙げられる。
【００５０】
また、この時、夫々の着色層３の金属イオンの組成は、他の着色層３の金属イオンの組成と異なる。
各々の着色層３が異なる金属イオンの組成で形成されているため、夫々が異なる色を有する。
【００５１】
着色層３を形成する遷移金属イオンとしては、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）等のイオンを挙げることができる。また、希土類金属のイオンとしては、セレン（Ｃｅ）やネオジム（Ｎｄ）等のイオンが挙げられる。
表１に遷移金属イオンによる着色例を示す。
【００５２】
【表１】
2008000996.tif 000003
【００５３】
以下、着色の原理について説明する。
遷移金属や希土類金属は、電子的に安定な状態を有しているが、これらのイオンである遷移金属イオンや希土類金属イオンは、安定な状態である遷移金属や希土類金属と電子の数が異なる。そのため、電子に完全に満たされてない原子起動が生じる。具体的には、遷移金属イオンにおいては、ｄ軌道が完全には満たされておらず、希土類金属イオンにおいては、ｆ軌道が完全に満たされていない。このため、各金属イオンには、ｄ軌道及びｆ軌道の欠陥によるエネルギー準位の差が生じる。このとき、各金属イオンは、夫々が有するエネルギー準位の差と同程度のエネルギーを有する可視光を吸収する。
【００５４】
一方、人間の目で見える光である可視光は、一般的に７８０ｎｍ〜３８０ｎｍであり、物体から反射された反射光を色として認識する。そのため、物体の反射光により、認識する色が決定する。
【００５５】
表１に示した金属イオンは極小量存在しても、可視域の特定の波長の光を吸収する。そして、その補色（色相環で、正反対に位置する色）の波長を有する光を反射させる。つまり、この反射された光が色として認識される。
例えば、チタン（Ｔｉ３＋）はｄ軌道が満たされておらず、エネルギー準位の差を生じるが、当該エネルギー準位の差は、黄色系の波長（８００ｎｍ〜５００ｎｍ程度）を有する光のエネルギーと同程度である。つまり、チタン（Ｔｉ３＋）は黄色系の波長（８００ｎｍ〜５００ｎｍ程度）有する光を吸収する。そのため、黄色の補色である青色系の波長（５００ｎｍ〜４００ｎｍ程度）の光が強く反射され、青色に認識される。
【００５６】
次いで、図３を用いて、図１に示した着色基板１００の多層着色膜４を加工して、色を着色する工程について説明する。なお、説明の都合上、層分離層及び着色層を３層（ｎ＝３）の多層着色膜を用いて説明する。
【００５７】
図３（ａ）に示す如く、多層着色膜４の所望の範囲Ａに対して、レーザーにより、穿孔することで、所望の色を有する着色層の上部にある膜を除去し、所望の色を有する層を露出させるように加工する。それにより、所望の範囲に所望の色を出すことができる。但し、多層着色膜の加工は、レーザーに限られず、フォトリソグラフィー等でも良い。
具体的には、図３（ａ）に示す如く、範囲Ａに対して、着色層３−１が露出するように加工することで、範囲Ａは、着色層３−１の色に着色されるようになる。例えば、着色層３−１がチタンイオン（Ｔｉ３＋）からなる場合、範囲Ａは青色に着色される（表１参照）。
【００５８】
このように、他の範囲においても、所望の色を有する層の上部を除去することによって、所望の範囲に、所望の色を着色することがでる。そのため、多色の文字や模様を描くことができる。
図３（ｂ）は、範囲Ａから図中右方向に向かって、着色層３−１、着色層３−２、着色層３−３と順に露出させた場合の断面図を示す。この場合、例えば、着色層３−１をチタンイオン（Ｔｉ３＋）の層、着色層３−２を三価のクロムイオン（Ｃｒ３＋）の層、着色層３−３を三価の鉄（Ｆｅ３＋）の層とすると、範囲Ａから図中右方向に向かって順に、青色、緑色、褐色が着色される。つまり、青色、緑色、褐色の縞模様となる。
また、色の種類においてもｎ個の色、つまり着色層の種類の数だけ色を着色することができる（図３においては３色）。つまり、着色層３の数を増やすことによって、色の選択の自由度を向上させることができる。
【００５９】
さらに、多層着色膜４は着色層３を複数積層した構造となっている。つまり、着色対象物１の垂直方向（図面の縦方向）に複数の着色層４が存在することとなる。そのため、ドットの面積が色の種類に比例することがない。つまり、着色できる色を増やすために着色層の数を増やしても、ドットの面積が大きくなることがない。そのため、多色な模様や文字を、緻密に施すことができる。
また、このとき、ドットの面積は、レーザー等で穿孔した範囲の面積（例えば、図３中Ａの図面横方向における面積）となる。つまり、加工を高精度に行うほど、ドットの面積を小さくすることができるので、緻密な文字や模様とすることができる。
【００６０】
多層着色膜４の加工に用いるレーザーとしては、フェムト秒レーザーが好ましい。フェムトとは１０−１５を示す単位であり、フェムト秒レーザーとは、レーザーのパルス幅を数フェムトから数百フェムト秒といった短い時間に設定して発生させたレーザーである。フェムト秒レーザーは、レーザーの光エネルギーを集中させることができるため、ピンポイントで照射することにより、殆どの物質を加工することができ、表面の高精度加工を実現することができる。
【００６１】
また、レーザーの種類としてはＵＶ−ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー、ＹＡＧレーザー、エキシマレーザー、ＹＶＯ４レーザー等が挙げられるが、中でも、ＵＶ−ＹＡＧレーザーが好ましい。ＵＶ−ＹＡＧレーザーは、ＹＡＧロッドで作られた赤外光を特殊な波長変換結晶（非線形結晶）に通し、４倍高調波（２６６ｎｍ）又は３倍高調波（３５５ｎｍ）として発生させた紫外線レーザーである。ＵＶ−ＹＡＧレーザーは、紫外領域のレーザビームを径の小さいスポットとすることができるので、微細加工が可能となる。具体的には、直径２０μｍ以下の穴あけ加工が可能であるので、２０μｍ以下の単位での加工が可能となる。さらには加工面の状態も良いものが得られ、加えて、加工システムも小型であるといった利点を有する。
【００６２】
図４にＵＶ−ＹＡＧレーザー加工装置２００の概略図を示す。
図４に示すＵＶ−ＹＡＧレーザー加工装置２００はレーザー発振器２１、ガルバノスキャナ２２，２３、ｆθレンズ２４よりなり、ＸＹステージ２５上に配置された着色基板１００を加工する。
【００６３】
レーザー発振器２１は、イットリウム（Ｙ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガーネット（Ｇ）よりなるＹＡＧロッドと、波長変換結晶を有する。
レーザー発振器２１は、ＹＡＧロッドにネオジウムを封じ込め、フラッシュランプ又はアークランプの光を当てることでレーザー（基本波）を発生させる。この時、レーザーの波長は１０６４ｎｍである。そして、ＹＡＧロッドから発生した基本波の波長を波長変換結晶にて変換する。このとき波長が短いほど、微細加工が可能となる。その理由は、光学理論より、集束スポット径は波長に比例するので、波長が短ければ集束スポット径も小さくなり、微細加工が可能となるからである。具体的には、基本波を４次高調波（波長：２６６ｎｍ）にまで変換することが好ましい。
【００６４】
波長変換結晶で変換されたレーザーは、ガルバノスキャナ２２，２３に備えられたミラー２２ａ、２３ａにより反射されｆθレンズ２４に入射する。そして、ＸＹステージ２５上に配置された着色基板１００にレーザーが照射される。
ｆθレンズ２４は異なる位置に異なる入射角度で照射されるレーザーを、加工面に対して垂直に入射するように調整し、且つレーザーを集束させるレンズである。
このとき、集束スポット径はｆθレンズ２４の焦点距離に比例するので、焦点距離が短いほど、集束スポット径は小さくなり、微細加工が可能となる。
【００６５】
また、レーザーの照射位置は、ＸＹステージ２５上の２次元ＣＣＤセンサ（図示せず）により制御される。ここで、レーザーの照射範囲は、ガルバノスキャナ２２，２３に備えられたミラー２２ａ、２３ａの可動範囲により決定する。従って、着色基板１００全体を加工可能とするために、ＸＹステージ２５を動かし、着色基板１００の位置、つまり、レーザーの照射位置を調節する。
【００６６】
次いで、本発明の第二実施例について説明する。
【００６７】
第二実施例は、第一実施例と同様、着色対象物１に層分離層２と着色層３が交互に積層されたに多層着色膜４を形成した着色基板１００（図１参照）に着色する方法である。具体的には着色基板１００にレーザー等の活性エネルギー線を照射して着色する。但し、第一実施例が多層着色膜４の一定範囲を除去して、色素の色を有する着色層３を露出させることで着色対象物１を着色するのに対し、第二実施例は、多層着色膜４における着色層３の一定範囲の色素前駆体の物性を変化させて、着色対象物１を着色する。
なお、第二実施例において、同一の構成には同一の参照番号を付している。
また、色素前駆体とは、着色層３に含まれる物質であり、活性エネルギー線を照射することで、着色層に色を施す、感光性を示す物質のことを言う。つまり、活性エネルギー線を照射させることで化学反応を起こして発色する、物理的変化を起こして変形する等の物性の変化が起こる物質である。第一実施例とは違い、活性エネルギー線照射前は所望の色を有していないことから、色素前駆体とした。
【００６８】
以下、第二実施例の着色方法について、図５を用いて説明する。なお、説明の都合上、層分離層及び着色層が３層（ｎ＝３）の多層着色膜を用いて説明する。また、活性エネルギー線としてレーザーを用いて説明するが、活性エネルギー線はレーザーに限られず、色素前駆体の物性を変化させることで、色を着色できるものであれば良い。
【００６９】
図５（ａ）で示す第二実施例では、着色対象物１は第一実施例と同様である。但し、着色層３が液晶コロイドからなる。また、層分離層２は透明又は半透明の物質、好ましくは発光素子が挙げられる。中でも、酸化亜鉛を主成分とする層がさらに好ましい。
液晶コロイドとは、シリコン等からなる液晶中に固体微粒子や液滴等のコロイド粒子を分散させたものであり、コロイド粒子が色素前駆体である。なお、液晶コロイドはレーザー照射前には透明又は半透明である。
【００７０】
液晶コロイドからなる着色層３を有する多層着色膜４を形成した後、図５（ｂ）に示す如く、範囲Ｂにレーザーを照射させて、着色層３−１のコロイド粒子の物性を変化させることで着色する。
液晶コロイドは、レーザーを照射させることで、コロイド粒子の表面物性を変化させることができ、それにより、コロイド粒子を凝集させることができる。具体的には、レーザーを照射させることにより、照射したレーザーの波長と同程度の直径を有するコロイド粒子を凝集させることができる。このように、コロイド粒子が凝集することによって、凝集した範囲が当該コロイド粒子の色となる。
つまり、着色層３−１に含まれるコロイド粒子の直径と同程度の波長を有するレーザーを範囲Ｂに照射することにより、着色層３−１における範囲Ｂにコロイド粒子が凝縮し、色が着色する。
【００７１】
図６は図５の着色層３−１における範囲Ｂ周辺の拡大模式断面図であり、図６（ａ）はレーザー照射前、図６（ｂ）はレーザー照射後を示し、５はコロイド粒子を示す。
図６（ａ）及び（ｂ）を比べても分かるように、レーザーを照射した範囲Ｂのコロイド粒子間の距離ｄ２は、レーザー照射前のコロイド粒子間の距離ｄ１より小さい。つまり、レーザーを照射したことにより、コロイド粒子が凝集している。このように、凝集することで、凝集した部分に凝集したコロイド粒子の色が着色する。
また、第一実施例と同様に、着色対象物１の垂直方向（図面の縦方向）に複数の着色層４が存在することとなるため、着色できる色を増やすために着色層の数を増やしても、ドットの面積が大きくなることがない。そのため、多色な模様や文字を、緻密に施すことができる。なお、このとき、ドットの面積はレーザーを照射した部分の面積となる。
【００７２】
その後、他の範囲においても、レーザーの波長を調整して照射することで、多色の模様や文字を施すことができる。
この時、多層着色膜４における着色層３は、夫々、コロイド粒子の組成が異なる。そのため、波長の異なるレーザーを照射させることで、異なった着色層のコロイド粒子を凝集させて着色することができる。つまり、着色層の数と同数の色を着色することができるので、色の選択の自由度を向上させることができる。
【００７３】
なお、第一実施例では、所望の色の着色層の上部の層をレーザーの熱で除去するようにレーザーを照射するが、第二実施例では、多層着色膜４において、レーザーを照射して、コロイドが凝縮した場所以外は透明又は半透明であるため、所望の色を着色するための着色層の上部を除去する必要がない。そのため、レーザーの強度もコロイド粒子を凝集させるだけの強度があればよく、小さくすることもできる。
【００７４】
また、第二実施例では、多層着色膜４の一定範囲が除去されておらず、加えて、コロイド粒子は、一度レーザーを照射させた後でも、再度同じ波長のレーザーを異なる範囲に照射することにより、表面物性を再度変化させ、凝集させることができる。それにより、一度目のレーザー照射と二度目のレーザー照射で、異なる範囲にコロイド粒子を凝集させることができる。
つまり、レーザーを照射させて、コロイド粒子を凝集させることにより、着色対象物１に色を着色させ、模様等を施したとしても、再度レーザーを照射させることで、異なる模様を施すことができる。換言すると、着色対象物に対して、一度施した模様等を書き換えることが可能となる。
【００７５】
また、第二実施例のような、着色層３の一部の色素前駆体の物性を変化させて、着色対象物１を着色する方法として、着色層３に透明又は半透明の遷移金属或いは希土類金属を用いる方法も挙げることができる。
具体的には、透明又は半透明の遷移金属或いは希土類金属にレーザーを照射させて、イオン化することで色を着色する（表１参照）。
また、透明樹脂に色素前駆体を含有させることで、着色層を形成してもよい。この場合、レーザー照射前の色素前駆体自体が透明でなくても、透明樹脂への含有量を制御することにより、着色層自体は透明に保つことができる。
加えて、レーザーの照射量及び強度を制御することで、色素前駆体を種々の色に変化させることもできる。また、着色層３が液晶コロイドからなる場合と同様、一度施した模様等の書き換えも可能である。
【００７６】
また、上記では、着色対象物に平面的に着色する方法を示したが、物体の内部に３次元的に模様や文字を施すこともできる。
具体的には、着色対象物１に多層着色膜４を複数積層することで、ある程度の厚みを持たせて形成した着色基板１００を用いる。そして、多層着色膜４内部にレーザーを収束させて照射させ、物性を変化させる。それにより、レーザーを照射させた範囲の色が変化するので、多層着色膜の内部に立体的な模様や文字を形成することができる。また、多層着色膜４の膜厚は、数百ｎｍ程度と充分小さいので、緻密な３次元の模様や文字を得ることができる。
また、着色基板１００は一定以上の体積を持つため、層分離層２が酸化亜鉛を主成分とする層等の発光素子である場合、鮮やかな色が着色された模様や文字を有する発光体として好適に利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明に係る着色方法を用いることで、ＩＣカードや携帯電話の本体へ模様や文字を施すのに好適に利用可能である。
また、着色層の色素前駆体の物性を変化させて着色する方法を用いることで、更新を伴う定期券等の表面の印字の書き換えにも好適に利用可能である。加えて、色素前駆体を所謂液晶分子として用いることで、液晶ディスプレイにも応用することができる。さらに、書き換えが可能なので、静止画だけでなく動画を映し出すことも可能である。
加えて、物体の内部に模様や文字を施すこともできるので、３Ｄクリスタルと呼ばれる置物等にも好適に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の第一実施例における加工前の断面図である。
【図２】本発明における多層着色膜の形成を経時的に示した断面図である。
【図３】本発明の第一実施例の多層着色膜を加工し、着色する工程を経時的に示した断面図である。
【図４】ＵＶ−ＹＡＧレーザー装置を示した模式図である。
【図５】本発明の第二実施例における多層着色膜に着色する工程を経時的に示した断面図である。
【図６】本発明の第二実施例における着色層の拡大模式断面図であり、（ａ）がレーザー照射前、（ｂ）がレーザー照射後を示す。
【符号の説明】
【００７９】
１          着色対象物
２          層分離層
３          着色層
４          多層着色膜
５          コロイド粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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