(57)【要約】【課題】微粒子配列及びその形成速度が基体表面の凹凸の影響をほとんど受けない、微粒子配列構造体及びその製造方法、光学媒体及びその製造方法、並びに下地微粒子配列構造体及びその製造方法を提供すること。【解決手段】ＰＥＴフィルム等のプラスチック基板１００の表面をサンドブラスト加工したものを基体１とし、基体１の上に下地微粒子層２及び第２の微粒子層３を、例えば自己組織化法、具体的には、自然沈降法や引き上げ法によって積層する。下地微粒子層２は、微粒子層３より粒径の小さい微粒子によって、基体１の表面の凹凸を覆い尽くし、且つ、上層部が規則的な配列構造になるように形成する。第２の微粒子層３を、シリカ微粒子の直径３０５ｎｍ、２５０ｎｍ及び２２０ｎｍのシリカ微粒子で形成すると、それぞれ、赤色、緑色及び青色の光を選択的に反射する層を形成でき、これら３つの層を積層すれば、３原色光を反射する層を形成できる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも上層部は規則的な配列構造からなる下地微粒子層が基体上に形成され、前記下地微粒子層の上に、規則的に配列した第２の微粒子層が積層されている、微粒子配列構造体。
【請求項２】
前記第２の微粒子が自己組織化的に規則的に配列している、請求項１に記載した微粒子配列構造体。
【請求項３】
少なくとも前記上層部では前記下地微粒子が自己組織化的に規則的に配列している、請求項１に記載した微粒子配列構造体。
【請求項４】
前記下地微粒子層の粒子径が前記第２の微粒子層の粒子径と異なる、請求項１に記載した微粒子配列構造体。
【請求項５】
前記下地微粒子層の粒子径が前記第２の微粒子層の粒子径よりも小さい、請求項４に記載した微粒子配列構造体。
【請求項６】
前記基体が前記下地微粒子と親和性が高い、請求項１に記載した微粒子配列構造体。
【請求項７】
前記基体の表面が粗面化されている、請求項１に記載した微粒子配列構造体。
【請求項８】
前記下地微粒子層を構成する微粒子が前記基体の凹凸形状を覆い尽くしている、請求項１に記載した微粒子配列構造体。
【請求項９】
前記微粒子層が、単一の可視光領域又は複数の可視光領域の光を反射する反射層である、請求項１に記載した微粒子配列構造体。
【請求項１０】
反射光の波長に応じて前記第２の微粒子の大きさ、材質又は形状が選択されている、請求項９に記載した微粒子配列構造体。
【請求項１１】
前記反射層が、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色光の少なくとも１種を反射する、請求項９に記載した微粒子配列構造体。
【請求項１２】
前記下地微粒子層及び前記第２の微粒子層が同じ材料からなる、請求項１に記載した微粒子配列構造体。
【請求項１３】
前記下地微粒子層及び／又は前記第２の微粒子層が酸化物微粒子からなる、請求項１に記載した微粒子配列構造体。
【請求項１４】
前記酸化物微粒子がシリカ微粒子である、請求項１３に記載した微粒子配列構造体。
【請求項１５】
前記下地微粒子層及び／又は前記第２の微粒子層が高分子微粒子からなる、請求項１に記載した微粒子配列構造体。
【請求項１６】
前記高分子樹脂がポリスチレンである、請求項１５に記載した微粒子配列構造体。
【請求項１７】
前記基体が有機高分子材料である、請求項１に記載した微粒子配列構造体。
【請求項１８】
前記有機高分子材料がポリエチレンテレフタラートである、請求項１７に記載した微粒子配列構造体。
【請求項１９】
少なくとも上層部は規則的な配列構造からなる下地微粒子層を基体上に形成する工程と、第２の微粒子が規則的に配列した微粒子層を前記下地微粒子層の上に積層する工程とを有する、微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項２０】
前記第２の微粒子が自己組織化的に規則的に配列している、請求項１９に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項２１】
少なくとも前記上層部においては前記下地微粒子が自己組織化的に規則的に配列している、請求項１９に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項２２】
微粒子分散液から前記下地微粒子及び／又は前記第２の微粒子を自己組織化的に集合させて前記下地微粒子層及び／又は前記微粒子層を形成する、請求項１９に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項２３】
前記微粒子分散液の分散媒として水又はアルコールを用いる、請求項２２に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項２４】
前記微粒子分散液中に前記基体を浸漬する第１の工程と、前記基体を気相中に引き上げることにより、その表面を前記微粒子分散液で濡らす第２の工程と、前記微粒子分散液で濡れた前記基体から分散媒を蒸発させる第３の工程とによって、前記下地微粒子層及び／又は前記微粒子層を形成する、請求項２２に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項２５】
前記下地微粒子層及び第２の微粒子層を、粒子径の異なる微粒子を用いて形成する、請求項１９に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項２６】
前記下地微粒子層を、前記第２の微粒子層よりも粒子径の小さい微粒子を用いて形成する、請求項２５に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項２７】
前記下地微粒子層と親和性が高い前記基体を用いる、請求項１９に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項２８】
前記基体の表面を粗面化し、この粗面上に前記下地微粒子層を形成する、請求項１９に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項２９】
前記下地微粒子層を構成する微粒子が基体の凹凸形状を覆い尽くすように形成する、請求項１９に記載した微粒子配列構造体。
【請求項３０】
前記微粒子層を、単一の可視光領域又は複数の可視光領域の光を反射する反射層として形成する、請求項１９に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項３１】
反射光の波長に応じて前記第２の微粒子の大きさ、材質又は形状を選択する、請求項３０に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項３２】
前記反射層が、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色光の少なくとも１種を反射する、請求項３０に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項３３】
前記下地微粒子層及び第２の微粒子層を同じ材料からなる微粒子を用いて形成する、請求項１９に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項３４】
前記下地微粒子層及び／又は第２の微粒子層を酸化物微粒子を用いる形成する、請求項１９に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項３５】
前記酸化物微粒子がシリカ微粒子である、請求項３４に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項３６】
前記下地微粒子層及び／又は第２の微粒子層を高分子樹脂微粒子を用いて形成する、請求項１９に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項３７】
前記高分子樹脂がポリスチレンである、請求項３６に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項３８】
前記基体として有機高分子材料を用いる、請求項１９に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項３９】
前記有機高分子材料がポリエチレンテレフタラートである、請求項３８に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項４０】
少なくとも上層部は規則的な配列構造からなる下地微粒子層が基体上に形成され、前記下地微粒子層の上に、規則的に配列した第２の微粒子層が積層されて形成された微粒子配列構造体を有する、光学媒体。
【請求項４１】
前記微粒子配列構造体が、請求項２〜１８のいずれか１項に記載したものである、請求項４０に記載した光学媒体。
【請求項４２】
前記基体及び／又は前記第２の微粒子層の上に光学層を設ける、請求項４０に記載した光学媒体。
【請求項４３】
前記光学層が光拡散層又は可視光吸収層を構成する、請求項４２に記載した光学媒体。
【請求項４４】
前記基体上に前記第２の微粒子層からなる可視光反射層を有する反射型スクリーンを製造する、請求項４０に記載した光学媒体。
【請求項４５】
少なくとも上層部は規則的な配列構造からなる下地微粒子層を基体上に形成する工程と、第２の微粒子が規則的に配列した微粒子層を前記下地微粒子層の上に積層する工程とで微粒子配列構造体を製造する、光学媒体の製造方法。
【請求項４６】
前記微粒子配列構造体の製造方法が、請求項２０〜３９のいずれか１項に記載したものである、請求項４５に記載した光学媒体の製造方法。
【請求項４７】
少なくとも上層部は規則的な配列構造からなる下地微粒子層が基体上に形成されてなる、下地微粒子配列構造体。
【請求項４８】
少なくとも前記上層部においては前記下地微粒子が自己組織化的に規則的に配列している、請求項４７に記載した下地微粒子配列構造体。
【請求項４９】
前記基体が前記下地微粒子と親和性が高い、請求項４７に記載した下地微粒子配列構造体。
【請求項５０】
前記基体の表面が粗面化されている、請求項４７に記載した下地微粒子配列構造体。
【請求項５１】
前記下地微粒子層を構成する微粒子が前記基体の凹凸形状を覆い尽くしている、請求項４７に記載した微粒子配列構造体。
【請求項５２】
前記下地微粒子層が酸化物微粒子からなる、請求項４７に記載した下地微粒子配列構造体。
【請求項５３】
前記酸化物微粒子がシリカ微粒子である、請求項５２に記載した下地微粒子配列構造体。
【請求項５４】
前記下地微粒子層が高分子樹脂微粒子からなるからなる、請求項４７に記載した下地微粒子配列構造体。
【請求項５５】
前記高分子樹脂がポリスチレンである、請求項５４に記載した下地微粒子配列構造体。
【請求項５６】
前記基体が有機高分子材料である、請求項４７に記載した下地微粒子配列構造体。
【請求項５７】
前記有機高分子材料がポリエチレンテレフタラートである、請求項５６に記載した下地微粒子配列構造体。
【請求項５８】
少なくとも上層部は規則的な配列構造からなる下地微粒子層を基体上に形成する工程を有する、下地微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項５９】
少なくとも前記上層部においては前記下地微粒子が自己組織化的に規則的に配列している、請求項５８に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項６０】
微粒子分散液から前記下地微粒子を自己組織化的に集合させて前記下地微粒子層を形成する、請求項５８に記載した下地微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項６１】
前記微粒子分散液の分散媒として水又はアルコールを用いる、請求項６０に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項６２】
前記微粒子分散液中に前記基体を浸漬する第１の工程と、前記基体を気相中に引き上げることにより、その表面を前記微粒子分散液で濡らす第２の工程と、前記微粒子分散液で濡れた前記基体から分散媒を蒸発させる第３の工程とによって、前記下地微粒子層を形成する、請求項６０に記載した下地微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項６３】
前記下地微粒子層と親和性が高い前記基体を用いる、請求項５８に記載した下地微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項６４】
前記基体の表面を粗面化し、この粗面上に前記下地微粒子層を形成する、請求項５８に記載した下地微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項６５】
前記下地微粒子層を構成する微粒子が基体の凹凸形状を覆い尽くすように形成する、請求項５８に記載した微粒子配列構造体。
【請求項６６】
前記下地微粒子層を酸化物微粒子を用いて形成する、請求項５８に記載した下地微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項６７】
前記酸化物微粒子がシリカ微粒子である、請求項６６に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項６８】
前記下地微粒子層を高分子樹脂微粒子を用いて形成する、請求項５８に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項６９】
前記高分子樹脂がポリスチレンである、請求項６８に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項７０】
前記基体として有機高分子材料を用いる、請求項５８に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【請求項７１】
前記有機高分子材料がポリエチレンテレフタラートである、請求項７０に記載した微粒子配列構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型スクリーンの製造等に有用な微粒子配列構造体とその製造方法、光学媒体とその製造方法、並びに下地微粒子配列構造体とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
微粒子を規則的に配列させる方法は、数多く知られている。
【０００３】
例えば、レーザーマニピュレーション法は、１つ１つの微粒子をレーザーによって捕捉し、任意の位置に配置する方法である。この方法によれば、特殊な２次元、あるいは３次元の配列をもつ構造であっても、所望の位置に微粒子を配置して作製することができる。しかし、微粒子を操作できるといっても、莫大な個数の微粒子を１つずつ操作してデバイス等を組み立てるのは、手間がかかりすぎて実際的ではない。
【０００４】
そこで、微粒子を自己組織化的に集合させ、微粒子が２次元又は３次元的に規則正しく周期的に整列した微粒子集合体を作らせる方法が、種々報告されている（例えば、非特許文献１〜３参照。）。
【０００５】
その１つに、自然沈降法がある。自然沈降法では、微粒子を分散媒に分散させて微粒子分散液を調製した後、微粒子分散液を基板上に滴下するか、基板を微粒子分散液の下部に静置する。微粒子は、自身の重さによる沈降、又は蒸発による分散媒の減少によって徐々に基板上に堆積し、規則的に配列した微粒子集合体を形成する（非特許文献１参照。）。自然沈降法は、１回の操作で３次元的に配列した微粒子層を作製できる簡便な方法であり、現在も様々な材料に対して適用されている。
【０００６】
他の方法に、引き上げ法がある。引き上げ法では、自然沈降法と同様に微粒子分散液を調製し、分散液に対して親和性のよい基板を分散液に垂直に差し込んで浸漬した後、基板を微粒子分散液から徐々に引き上げていく。基板の引き上げ時に、適量の微粒子分散液が基板表面に移し取られ、この分散液から分散媒が蒸発していく過程で、残された微粒子が自己組織化的に集合し、基板上に微粒子が２次元、あるいは３次元的に規則正しく配列した微粒子集合体が形成される（非特許文献２参照。）。この方法では、エタノールを分散媒とする分散液中にガラス基板を浸漬し、シリカ微粒子の集合体を形成した事例等が多数報告されている。
【０００７】
引き上げ法のうち、単粒子膜引き上げ法は、低濃度の微粒子溶液中に浸漬した基板を気相中に引き上げ、微粒子が２次元平面状に配列した１層の単粒子膜を作製する方法である。永山らは、近年、単粒子膜引き上げ法において、分散媒による移流集積と横毛管力によって微粒子が整列する現象を明らかにしており、様々な微粒子の規則的な配列構造が自己組織化的に形成されることを報告している（非特許文献２参照。）。
【０００８】
更に別の方法もある。この方法では、微粒子より大きなスペーサーを挟んだマイクロセルを、微粒子分散液に垂直に差し込み、静置する。微粒子分散液は、毛管現象によりセル内に充填される。その後、充填された微粒子分散液から分散媒が蒸発していく過程で、分散媒の流れによって運ばれた微粒子が自己組織化的に集合し、微粒子集合体がマイクロセル内に形成される（非特許文献３参照。）。
【０００９】
図２２は、微粒子４１が規則的に配列した微粒子集合体４４が、微粒子分散液４３から自己組織化的に形成される過程を示す説明図である。即ち、シリカ微粒子などの球形の微粒子４１を水などの分散媒４２に分散させた後、重力による自然沈降又は蒸発による分散媒４２の減少によって、分散液４３から微粒子４１を徐々に基板４０上に堆積させる。
【００１０】
粒子径が同一であれば、シリカ微粒子のような球形の粒子が最も密につまった配列構造は、最密充填構造である。従って、微粒子４１を緻密に集合させることによって、少なくとも部分的には最密充填構造をとる微粒子集合体４４を、自己組織化的に形成させることができる。
【００１１】
後述するように、このようなシリカ等の微粒子集合体は、特定の波長の光のみを反射する反射材等の光学媒体として有用な材料である。そこで、本明細書では、自己組織化的に形成され、特定の波長の光のみを反射する微粒子集合体をフォトニック結晶と呼び、微粒子が規則正しく整列し、欠陥が少ない微粒子集合体を、「結晶性」の高い微粒子集合体と言うことがある。
【００１２】
しかしながら、自然沈降法では、分散媒の蒸発に長時間を要することや、数ｃｍ２  以上の微粒子層を作製する場合には、基板上から分散媒が均等に蒸発しないため厚さむらを生じること等の難点がある。また、単粒子膜引き上げ法では、均一な膜を形成するには、引き上げ速度を小さくし、気液界面のメニスカスが乱れないようにすることが必要で、数ｃｍ２  以上の単粒子膜を作製するには難しい制御が必要になること等の難点がある。この方法では、１層ごとに積層するため工程が複雑になり、作製に長時間を要する上、積層方向の粒子配列の規則性を実現できるのかという問題点がある。いずれの方法でも、微粒子層の形成の高速化を促そうとすると、巨視的な厚さむらや、微視的な欠陥が生じやすくなる。
【００１３】
自己組織化により微粒子を規則的に配列させたフォトニック結晶を従来技術で作製する際、欠陥が少ない結晶を作製できるようになってきたが、作製できるフォトニック結晶は非常に小さく、数μｍ〜数十μｍの程度である。さらに、均一な平面上に２次元成長させることができるようになってきたが、成長速度は非常に遅く、数μｍ／ｈ〜数ｍｍ／ｈというものもある。
【００１４】
このように、フォトニック結晶の結晶性を高めようとすると非常に長い成長時間が必要となる。これは移流集積現象などを利用して自己組織化を促そうとすると微粒子分散液の分散媒が蒸発する過程の制御が重要になるためである。逆に、微粒子分散液の分散媒が蒸発する速度を大きくし、フォトニック結晶の成長速度を速め、作製時間を短縮しようと試みると、フォトニック結晶の結晶性は低いものとなる。
【００１５】
図２３はその１例として、乾燥状態を制御することでメニスカス移動速度を変え、移流集積に近い効果を持たせた塗布法によって、水への分散液から直径２８０ｎｍのシリカ微粒子（触媒化成製；商品名  スフェリカスラリー２８０）のフォトニック結晶層を作製し、その反射及び透過スペクトルを測定した結果を示したものである。水の蒸発時のメニスカス移動速度０．１５μｍ／ｓｅｃで作製したフォトニック結晶層は、図２３（ａ）のように、６３０ｎｍ付近の波長領域の光を選択的に反射し、反射率は大きく、反射ピークの半値幅は小さく、優れた反射特性を示した。一方、分散媒蒸発時のメニスカス移動速度３．５μｍ／ｓｅｃで作製したフォトニック結晶層は、図２３（ｂ）のように、反射率及び波長選択性のいずれもが、（ａ）に比べて著しく劣っている。
【００１６】
【非特許文献１】
Ｈ．  Ｍｉｇｕｅｚ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ        ｆｃｃ−Ｐａｃｋｅｄ  Ｓｕｂｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ  ＳｉＯ２  Ｓｐｈｅｒｅｓ  ｂｙ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ”，“Ａｄｖ．  Ｍａｔｅｒ      ．”，１９９８年，第１０巻，第６号，ｐ．４８０−４８３
【非特許文献２】
永山国昭（Ｋ．  Ｎａｇａｙａｍａ），「単粒子膜（Ｍｏｎｏ−ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｆｉｌｍ）」，「粉体工学
会誌（Ｊ．  Ｓｏｃ．  Ｐｏｗｄｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｊａｐａｎ）」，１９９５年，第３２巻，ｐ．４７６
【非特許文献３】
Ｓ．  Ｈ．  Ｐａｒｋ  ｅｔ  ａｌ．，“Ａ  Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ      ｉｎ  ｔｈｅ  Ｖｉｓｉｂｌｅ  Ｒｅｇｉｏｎ”，“  Ａｄｖ．  Ｍａｔｅｒ．”，１９９９年，第１１巻，ｐ．４６      ２−４６６
【００１７】
【発明に至る経過】
本出願者は、上記の微粒子集合体の形成方法について鋭意検討した結果、特願Ｐ２００１−３８０６７０において、３次元の配列が１回の操作で形成できる自然沈降法の利点と、厚さむらの少ない単粒子膜引き上げ法の利点とを両立させ、作製時間を大幅に短縮できる微粒子層の形成方法として、引き上げ回転法を提案した（以下、特願Ｐ２００１−３８０６７０に係る発明を先願発明と呼ぶ。）。
【００１８】
引き上げ回転法では、引き上げ法と同様に、基板の浸漬と引き上げと分散媒の蒸発を１サイクルとし、このサイクルを繰り返すことによって微粒子集合体を形成する。しかし、高濃度（例えば、２〜５０質量％）の微粒子分散液を用い、基板を高速（例えば、０．０６〜０．６ｍ／ｍｉｎ）で引き上げる。引き上げ速度が大きいほど、基板１を濡らす微粒子分散液の量は多くなる。このようにして、１サイクルで複数層の微粒子層を形成し、作製工程に要する時間を従来の引き上げ法に比べて大幅に短縮することができる。微粒子分散液の濃度が高く引き上げ速度が大きいと、鉛直方向に関して下方が厚く上方が薄い膜厚分布をもった薄膜が形成され、厚さむらを生じやすくなるが、これは１サイクルごとに基板の向きを回転させることにより抑制する。
【００１９】
図２４は、先願発明に基づく引き上げ回転法によって、水に分散させた直径２８０ｎｍのシリカ微粒子５１から形成した、シリカ微粒子集合体５４の反射スペクトル（ａ）及び微粒子の配列構造体（ｂ）である。ここで、反射スペクトルは、図２４（ｂ）に示すように、微粒子層の面に垂直に白色光を入射させ、面に垂直に反射した反射光のスペクトルを測定している。
【００２０】
図２４（ａ）から、反射率は、波長６２４．５ｎｍの光（赤色光）において最大になり、その反射率は５４％と比較的高く、しかも、そのピークの半値幅は約３０ｎｍと狭いことがわかる。
【００２１】
結晶を形成している原子や分子によるＸ線の干渉では、ブラッグの法則が成り立つことが知られている。又、光は、一般に、その波長と同程度の間隔（ピッチ）で繰り返される微粒子の周期的配列構造によって反射を受けやすいことが知られている。そこで、シリカ微粒子層による可視光の反射でも、ブラッグ反射の条件と類似した関係が成り立つとすると、最も反射を受けやすい光の波長λ０と微粒子層の間隔（ピッチ）ｄの間に、次の（式１）に示す関係が成り立つ。
ｋλ０＝２ｎｄ                  ・・・（式１）
但し、ここで、ｎ  は微粒子の構成材料のモード屈折率であり、ｋは正の整数である。
【００２２】
一方、微粒子の配列構造は、最密充填構造であると仮定してみる。最密充填構造には、面内での粒子の配列位置が異なる３つの微粒子層が順に積層される立方最密構造と、面内での粒子の配列位置が異なる２つの微粒子層が順に積層される六方最密構造とがあるが、隣接する２つの微粒子層の間隔（ピッチ）ｄは同じで、微粒子の直径Ｄとの間に、次の（式２）に示す関係がある。
ｄ＝（２×３）１／２  Ｄ／３          ・・・（式２）
【００２３】
（式１）及び（式２）に、Ｄとしてシリカ微粒子の直径２８０ｎｍ、ｎ  としてシリカ微粒子のモード屈折率１．３６を代入して、ｋ＝１とすると、最も反射されやすい波長として、λ０＝６２２ｎｍを得る。これは、実測値λ０＝６２４．５ｎｍとよく一致する。
【００２４】
以上のことから、引き上げ法によって自己組織化的に形成された図２４（ｂ）のシリカ微粒子集合体５４では、少なくとも部分的には最密充填構造からなる周期的な粒子配列が形成され、これが、６２４．５ｎｍを中心波長とする光の反射の主因になっていると考えられる。
【００２５】
更に、最密充填構造を単純化したモデル計算では、屈折率１．３６、粒子径２８０ｎｍのシリカ微粒子を用いると、６２５ｎｍ付近に鋭いピークをもつ、半値幅約３０ｎｍの反射層が形成できることが示され、この結果は実験値と良く一致する。この計算では、入射した波長６２５ｎｍの光は、表面から８〜１５周期までしか侵入せず、大部分の光はこの付近までに反射されて進行方向を逆転させること、特に１１周期目付近がその境界であることも示される。この結果から、シリカ微粒子を用いて光反射層を形成する場合、１１周期程度あれば十分であることがわかる。
【００２６】
また、微粒子集合体によって反射される光の波長λ０  と微粒子の直径Ｄとの間には、（式１）及び（式２）に示した比例関係があると考えられ、この関係に基づいて対応する直径Ｄを有する微粒子を選択すれば、所望の波長λ０の光を選択的に反射する微粒子集合体を自己組織化的に形成させることができる。このようなシリカ等の微粒子集合体は、特定の波長の光のみを反射する反射材等の光学媒体として有用な材料である。そこで、本明細書では、自己組織化的に形成され、特定の波長の光のみを反射する微粒子集合体をフォトニック結晶と呼び、フォトニック結晶による特定波長の光の反射をブラッグ反射と呼び、ブラッグ反射を起こすフォトニック結晶層をブラッグ反射層と呼ぶことにする。また、微粒子が規則正しく整列し、粒子の欠損や配列の乱れ等の欠陥が少なく、良好なブラッグ反射特性を有する微粒子集合体を「結晶性」の高い微粒子集合体と言うことがある。
【００２７】
図２５は、屈折率ｎ＝１．２９〜１．４５、例えば１．３６のシリカ微粒子について、シリカ微粒子の直径とブラッグ反射波長との関係を図示したものである。即ち、粒子径３０５ｎｍのシリカ微粒子を用いれば、赤色光（波長約６４５ｎｍ）を反射する微粒子集合体を形成することができ、粒子径２５０ｎｍのシリカ微粒子を用いれば、緑色光（波長約５３５ｎｍ）を反射する微粒子集合体を形成することができ、粒子径２２０ｎｍのシリカ微粒子を用いれば、青色光（波長約４６５ｎｍ）を反射する微粒子集合体を形成することができる。
【００２８】
図２６は、先願発明の好ましい実施の形態に基づく反射型スクリーンの基本構造である。このスクリーンでは、光反射面として、３原色光近傍の狭い波長領域の光のみを選択的に反射するブラッグ反射層１４〜１６が設けられ、その厚み方向下部に、ブラッグ反射層を透過してきた可視光を吸収する可視光吸収体３２が設けられている。具体的には、赤色光反射層１４として粒子径２８０ｎｍのシリカ微粒子が１１層積層され、その上に緑色光反射層１５として粒子径２３４．５ｎｍのシリカ微粒子が１１層積層され、更にその上に青色光反射層１６として粒子径２１２ｎｍのシリカ微粒子が積層されている。可視光吸収体３２としては、例えばカーボンを含有する黒い基材が用いられる。
【００２９】
上記のスクリーンに画像を表示する場合には、プロジェクタ等から、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色光をスクリーンに投射し、スクリーン上での混色によって種々の色をもつ画像を形成する。これら３原色光は、スクリーンに設けられたブラッグ反射層１４〜１６によって反射され、観察者の目に届き、画像として知覚される。
【００３０】
一方、スクリーンには、画像に関係のない様々な光が入射する（以下、本明細書では、プロジェクタ等から投射される画像以外の、画像とは無関係にスクリーンに入射する可視光を外部光と呼ぶことにする。）。外部光が画像と同様に反射又は散乱されると、その光は画像に重なって観察者の目に入り、画像のコントラストを劣化させる。
【００３１】
３原色光とは異なり、外部光には様々な波長の光が含まれていて、その大部分は、ブラッグ反射層が反射できる３原色光近傍の波長領域をはずれた光である。このため、上記のスクリーンに外部光が入射しても、その大部分はブラッグ反射層１４〜１６によって反射されず、可視光吸収体３２に吸収される。従って、外部光が画像に重なって観察者の目に入ることはほとんどない。この結果、外部光によるコントラストの劣化がわずかになり、画像の暗黒部をスクリーン上に真の暗部として表示することができる。また、照明のある室内や野外など、暗室外でのスクリーン表示も可能になる。
【００３２】
上記のように、スクリーン自体が波長によって光を選別するフィルタとしての作用を示すので、次に記す理由で、画像の色再現性も改善される（図２７参照。）。ＣＲＴプロジェクタや液晶プロジェクタから出射される各３原色光は、スペクトル半値幅が通常６０〜１００ｎｍと大きく色純度が悪いため、白地のスクリーンに投射した場合には、図２７に示すように色再現範囲が限定される。一方、これらの光を図２６のスクリーンに投射すると、３原色光とその近傍の狭い波長領域の光のみが反射され、これら以外の光吸収される。この結果、スクリーンから反射される各３原色光は、半値幅３０ｎｍ程度の色純度の良い光に改善され、これらの３原色光の混色によって形成される画像の色再現範囲は、図２７に示すように拡大する。
【００３３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の微粒子層の形成方法には、次の問題点がある。
【００３４】
実際に用いられる固体基板の表面には多かれ少なかれ凹凸がある。その上に形成される微粒子層は、凹凸の影響を受けて、微粒子の配列に乱れが生じやすくなり、微粒子の欠損や配列の乱れ等の欠陥ができやすくなる。この欠陥は光を散乱させる原因となり、微粒子層のブラッグ反射層としての品質を低下させる。
【００３５】
また、基板の表面の凹凸は、微粒子が整列する過程で障害物として作用する。従って、基板の表面の凹凸は、微粒子の整列を阻害する主要な原因の１つとなり、微粒子が整列していく速度を低下させ、成膜速度を遅くする。
【００３６】
本発明の目的は、上記のような実情に鑑み、微粒子配列及びその形成速度が基体表面の凹凸の影響をほとんど受けない、微粒子配列構造体及びその製造方法、光学媒体及びその製造方法、並びに下地微粒子配列構造体及びその製造方法を提供することにある。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、少なくとも上層部は規則的な配列構造からなる下地微粒子層が基体上に形成され、前記下地微粒子層の上に、規則的に配列した第２の微粒子層が積層されている微粒子配列構造体に係わり、また、少なくとも上層部は規則的な配列構造からなる下地微粒子層を基体上に形成する工程と、第２の微粒子が規則的に配列した微粒子層を前記下地微粒子層の上に積層する工程とを有する、微粒子配列構造体の製造方法に係わるものである。
【００３８】
また、本発明は、少なくとも上層部は規則的な配列構造からなる下地微粒子層が基体上に形成され、前記下地微粒子層の上に、規則的に配列した第２の微粒子層が積層されて形成された微粒子配列構造体を有する光学媒体に係わり、また、少なくとも上層部は規則的な配列構造からなる下地微粒子層を基体上に形成する工程と、第２の微粒子が規則的に配列した微粒子層を前記下地微粒子層の上に積層する工程とで微粒子配列構造体を製造する光学媒体の製造方法に係わるものである。
【００３９】
また、本発明は、少なくとも上層部は規則的な配列構造からなる下地微粒子層が基体上に形成されてなる下地微粒子配列構造体に係わり、また、少なくとも上層部は規則的な配列構造からなる下地微粒子層を基体上に形成する工程を有する下地微粒子配列構造体の製造方法に係わるものである。
【００４０】
本発明によれば、前記基体上に前記下地微粒子層を、その上層部に規則的な配列構造が形成される厚さで形成し、この下地微粒子層によって形成された平坦面の上に第２の微粒子層を積層する。このため、前記第２の微粒子層では、前記基体表面の凹凸の影響をほとんど受けることなく、第１層目から微粒子が規則正しく整列して、欠損や配列の乱れ等の欠陥の少ない微粒子層が形成される。この結果、光を散乱させる原因となる欠陥が少なく、ブラッグ反射層としての品質の高い前記第２の微粒子層を形成することができる。
【００４１】
また、基体表面の凹凸がなくなると、凹凸の影響で微粒子の整列が阻害されることがなくなり、微粒子がよりすみやかに整列できるようになることも、前記第２の微粒子層の高品質化に効果的に作用する。
【００４２】
【発明の実施の形態】
本発明において、前記下地微粒子層及び／又は前記第２の微粒子層を形成する方法は特に限定されるものではないが、微粒子分散液から前記微粒子を自己組織化的に最密充填構造をとるように集合させ、前記微粒子層を形成するのが好ましい。この際、分散媒としては、水又はアルコールを用いるのがよい。具体的な形成方法としては、前記微粒子分散液中に前記基体を浸漬する第１の工程と、前記基体を気相中に引き上げることにより、その表面を前記微粒子分散液で濡らす第２の工程と、前記微粒子分散液で濡れた前記基体から分散媒を蒸発させる第３の工程とによって前記微粒子層を形成する引き上げ法が、特に好ましい。
【００４３】
また、前記下地微粒子層は、その上に積層する前記第２の微粒子層の微粒子とは粒子径の異なる微粒子、好ましくは、粒子径がより小さい微粒子で形成するのがよい。また、前記下地微粒子層は、前記基体の凹凸形状を覆い尽くしているのがよい。前記下地微粒子層を形成する目的は、前記基体の表面の凹凸を被覆して、この凹凸の影響が前記微粒子層に及ぶのを防止して、前記微粒子層の結晶性を向上させること、及び成膜速度を向上させることである。粒子径がより小さい微粒子は、緻密に凹凸を被覆してより平坦性の高い被覆面を形成できること、及び、ブラッグ反射波長が紫外光領域になるように粒子径を選択して可視光を反射しない層を形成できることから、前記下地微粒子層の形成に適している。
【００４４】
また、前記基体の材質も特に限定されず、前記下地微粒子層を形成する容易さ、或いは前記微粒子配列構造体等の用途等により適宜選択すればよい。
【００４５】
即ち、前記下地微粒子層を形成する上では、前記基体が前記下地微粒子と親和性が高いものであるのがよい。例えば、シリカ微粒子を水に分散させた分散液からシリカ微粒子層を形成する場合、通常、シリカ微粒子及び水に対し強い親和性を有するガラス基板が用いられる。
【００４６】
一方、前記基体は、前記第２の微粒子層の機能を発揮させるためのものでもあるから、実際の使用条件等を考慮して選ぶことも必要である。例えば反射型スクリーンとして利用するには、機械的強度が十分あって破れにくく、しかも、フレキシビリティが高く、スクリーンの巻き取り等が容易であるのがよい。また、軽量で、安価であるのが望ましい。このような目的には、適当な厚さの有機高分子材料、例えば、厚さが２０μｍ〜５００μｍ、より好ましくは５０μｍ程度のポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）フィルム等が適している。
【００４７】
しかしながら、ＰＥＴフィルムのような疎水性の高分子フィルムは、そのままでは水に対する塗れ性が低いため、表面に配列むらのないシリカ微粒子層を形成することは困難である。このような場合、前記高分子フィルムの表面を粗面化し、この粗面上に前記下地微粒子層を形成するのがよい。例えば、サンドブラスト加工等で表面を粗面化すれば、水に対する塗れ性を向上させ、その上に配列むらのないシリカ微粒子層を形成することができるようになる。なお、サンドブラスト加工とは、砂粒の吹き付けによって表面を荒らす加工のことである。このような場合でも、前記下地微粒子層が、前記基体の凹凸形状を覆い尽くしてくれるので、結晶性の高い前記第２の微粒子層を形成することができる。なお、前記下地微粒子層を構成する微粒子は、粒子径が粗面の凹凸の大きさよりも十分小さい微粒子であることが望ましい。
【００４８】
また、前記転写する前記微粒子層を、単一の可視光領域又は複数の可視光領域の光を反射する反射層として形成するのがよく、この際、反射する光の波長に対応して微粒子の大きさ、材質又は形状を選択する。また、前記反射層が、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色光の少なくとも１種を反射するのがよい。反射波長は、特に限定されないが、可視光反射層が最も実用的であり、フルカラー表示のためには、３原色光の少なくとも１種を反射する反射層であるのがよい。
【００４９】
また、前記下地微粒子層及び前記第２の微粒子層の材料も特に限定されるものではなく、目的等に応じて適宜選択すればよい。前記下地微粒子層と前記第２の微粒子層との親和性という点では、両者の材料が同じであるのがよい。一方、前記基体と前記第２の微粒子層との間に親和性がない場合、これらのいずれにも親和性を持つ材料で前記下地微粒子層を形成して、全体としての一体性を向上させることもできる。
【００５０】
前記下地微粒子層及び／又は前記第２の微粒子層が酸化物微粒子、具体的にはシリカ微粒子からなるのがよい。或いは、高分子樹脂微粒子、具体的にはポリスチレン微粒子からなるのがよい。
【００５１】
本発明の光学媒体の製造方法において、前記基体及び／又は前記第２の微粒子層の上に、光拡散層又は可視光吸収層等の光学層を設け、前記第２の微粒子層を可視光反射層とする反射型スクリーンを製造するのがよい。
【００５２】
上記のように、簡便な引き上げ法などの作製方法で、欠陥の少ない結晶性の高いフォトニック結晶層を作製できる。また、厚さむらの少ない大面積のフォトニック結晶層をすみやかに作製することができる。従って、このフォトニック結晶層を有する前記微粒子配列構造体或いは光学前記媒体をオプトエレクトロニクス（光エレクトロニクス）関連のデバイスに応用した場合、高いデバイス特性が発揮される。更に、表示素子に応用した場合、高い反射率と波長選択性を実現できるためデバイスに付加価値をつけることが可能となる。前記基体を可視光吸収体で構成し、フォトニック結晶層を、プロジェクタ等から投射される３原色光を選択的に反射するブラッグ反射層として形成すると、プロジェクタ外からの光を除去し、且つ色純度よく、高いコントラストでの表示を実現する反射型スクリーンを作製することができる。
【００５３】
次に、本発明の好ましい実施の形態によって微粒子配列構造体１０を作製する工程を、図１参照下、工程順に説明する。
【００５４】
工程１：基体１の選択
前述したように、微粒子層３を形成する上では、基体１として、微粒子分散液との親和性を有するものを用いるのが望ましい。例えば、シリカ微粒子を水に分散させた分散液からシリカ微粒子層を形成する場合、通常の実験ではガラス基板が用いられる。しかし、ガラス基板には、フレキシビリティが無く、割れやすく、重いという実用上の問題点がある。
【００５５】
一方、例えば反射型スクリーンとして利用するといった、実際の使用条件等を考慮すると、機械的強度が十分あって破れにくく、しかも、フレキシビリティが高く、スクリーンの巻き取り等が容易であるのがよい。また、軽量で、安価であるのが望ましい。このような目的には、適当な厚さのプラスチック基板１００、例えば、厚さが２０μｍ〜５００μｍ、より好ましくは５０μｍ程度のポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）フィルム等が適している（図１（ａ））。また、引き上げ法により作製に好都合な膜厚の微粒子層を複数作製し、基板（透明）ごと重ねることで目的とする膜厚及び特徴を有する微粒子層を作製することができる。
【００５６】
ＰＥＴフィルム等のプラスチック基板１００を用いる場合には、そのままでは水に対する濡れ性が不足しているので、図１（ｂ）に示すように、ＰＥＴフィルム等の表面をサンドブラスト加工したものを基体１として用いる。このときの表面の凹凸の高さは、例えば０．８〜４μｍである。サンドブラスト加工されたＰＥＴフィルムの表面は、水に対する濡れ性がよく、微粒子分散液を保持しやすくなる。
【００５７】
次に、基体１の上に下地微粒子層２及び第２の微粒子層３を、例えば自己組織化法によって形成する。具体的には、自然沈降法や、特に引き上げ法が適している。即ち、基体１を比較的高濃度の微粒子分散液中に浸漬した後、引き上げながら分散媒の蒸発速度の制御を行い、分散液中の微粒子を規則正しく自己組織化的に配列させた下地微粒子層２及び第２の微粒子層３を形成する。サンドブラスト加工したＰＥＴ基板を用いる場合には、基板の向きを変えなくても均一な厚さの微粒子層を形成することができる。但し、ガラス基板を用いる場合等には、浸漬塗布を繰り返す間に第１の基体１の向きを変え、厚さむら等ができるだけ生じないようにする引き上げ回転法が有効な場合もある。
【００５８】
工程２：下地微粒子層２の形成
基体１の上に下地微粒子層２を形成する。下地微粒子層２は、微粒子層３を構成する微粒子より粒子径の小さい微粒子によって、基体１の表面の凹凸を覆い尽くし、且つ、その上層部に規則的な配列構造が下地微粒子によって形成される厚さで形成するのがよい。
【００５９】
下地微粒子層２を設ける目的の１つは、その上に形成される微粒子層３の結晶性を向上させることである。一般に、固体基板の表面には多かれ少なかれ、凹凸がある。特に本実施の形態では、基体１の表面にはサンドブラスト加工によって凹凸が形成されている。凹凸のある表面上に直接微粒子層３を形成すると、凹凸の影響を受けて微粒子の配列に欠陥が生じやすく、結晶性が低下する。この欠陥は光を散乱させる原因となり、微粒子層３のブラッグ反射層としての品質が低下する。これに対して、基体１の表面の凹凸を下地微粒子層２で埋めて平坦面を形成し、この平坦面の上に微粒子層３を形成すれば、微粒子層３は凹凸の影響を受けにくくなり、微粒子が規則正しく整列した、ブラッグ反射層としての品質の高い微粒子層３を形成することができる。
【００６０】
また、平坦面の上では、微粒子の配列を乱す凹凸がない分だけ、微粒子が整列する上での障害が取り除かれ、微粒子が整列しやすくなるので、より高速の成膜速度を実現することができる。
【００６１】
なお、微粒子配列構造体を反射型スクリーン等の光学媒体として利用する場合には、下地微粒子層２がブラッグ反射する光の波長が、光学媒体が利用する波長範囲より小さくなるように、下地微粒子層２を構成する微粒子の直径を選択する。例えば、下地微粒子層２を構成する微粒子として直径９０ｎｍのシリカ微粒子を用いると、ブラッグ反射波長は紫外光領域となり、可視光領域の光に悪影響を及ぼすことがない（図２５参照。）。
【００６２】
工程３：微粒子層３の形成
図１（ｄ）に示すように、下地微粒子層２の上に第２の微粒子層３を形成する。例えば、第２の微粒子層３を構成する微粒子として直径３０５ｎｍのシリカ微粒子を用いると、ブラッグ反射波長は６４５ｎｍ付近になり、赤色光を反射する光反射層を形成することができる。同様に、直径２５０ｎｍ及び２２０ｎｍのシリカ微粒子を用いると、それぞれ、ブラッグ反射波長は５３５ｎｍ及び４６５ｎｍ付近になり、緑色光及び青色光を反射する光反射層を形成することができる。また、これら３つの層を積層すれば、３原色光を選択的に反射する反射層を形成することができる（図２６参照。）。
【００６３】
【実施例】
次に、本発明の好ましい実施例を図面参照下に具体的に説明する。
【００６４】
実施例１
図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明の実施例１による微粒子配列構造体２０、及び比較例１による比較微粒子構造体２０ｂの概略断面図である。両者を比較して、下地微粒子層１２の有無の効果を調べた。
【００６５】
基体として、表面にサンドブラスト加工を施し、アンチグレア効果をもたせた、厚さ５０μｍのフレキシブルなＰＥＴフィルム（帝人デュポンフィルム製）１１を用いた。図３は、走査電子顕微鏡で観察した、ＰＥＴフィルム１１の表面の観察像であり、ランダムに凹凸が形成されていることがわかる。ＰＥＴフィルム１１は、この凹凸によって水を分散媒とする分散液を保持することができる。更に、このＰＥＴフィルム１１は、サンドブラスト加工を施した透明ＰＥＴフィルム１１Ａを黒色ＰＥＴフィルム１１Ｂが裏打ちして保持する二重構造になっているため、黒色ＰＥＴ１１Ｂが可視光吸収体としても機能する。
【００６６】
本実施例では、ＰＥＴフィルム１１の上に微粒子分散液を引き上げ法によって塗布し、分散媒蒸発時の自己組織化によって下地微粒子層１２を形成した。同様にして、下地微粒子層１２の上に、第２の微粒子層であるフォトニック結晶層１３を積層した。この際、ＰＥＴフィルム１１を引き上げる速度は０．６ｍ／ｍｉｎ（１ｃｍ／ｓｅｃ）であり、各層の作製工程は、温度２５℃、相対湿度６０％以上のグローブボックス中で行った。
【００６７】
下地微粒子層１２は、直径９０ｎｍのシリカ微粒子（日本触媒製；商品名  シーホスターＫＥ−Ｗ１０）を純水に１５．６質量％で分散させた微粒子分散液を用いて作製し、フォトニック結晶層１３は、直径２９０ｎｍのシリカ微粒子（日本触媒製；商品名  シーホスターＫＥ−Ｐ３０）を純水に１２．５質量％で分散させた微粒子分散液を用いて作成した。この微粒子のブラッグ反射波長は、６４０〜６５０ｎｍである。
【００６８】
一方、比較例１として、下地微粒子層１２を設けず、ＰＥＴフィルム１１の上に直接第２の微粒子層１３を形成して、比較微粒子構造体２０ｂを作製した。
【００６９】
図４は、実施例１の（ａ）３回の引き上げ塗布によって下地微粒子層１２を形成した後、その上に引き上げ塗布回数を１回〜３回まで変えてフォトニック結晶層を形成した場合の反射スペクトルと、比較例１の（ｂ）下地微粒子層１２を形成せず、引き上げ塗布回数を１回〜３回まで変えてフォトニック結晶層を形成した場合の反射スペクトルとを示したものである。
【００７０】
図４から、塗布回数が同じもの同士を比べると、実施例１の（ａ）下地微粒子層１２を形成した場合の方が、比較例１の（ｂ）下地微粒子層１２がない場合より強い反射スペクトルを与えることがわかる。また、下地微粒子層を形成した後にフォトニック結晶層を１回の引き上げ塗布で形成したもの（以下、ａ−１と略記する。）と、下地微粒子層１２を形成せずにフォトニック結晶層を３回の引き上げ塗布で形成したもの（以下、ｂ−３と略記する。）が、類似した反射スペクトルを与えることもわかる。
【００７１】
図５は、走査電子顕微鏡で観察した各フォトニック結晶層の表面の観察像である。図５（ａ−１）と図５（ｂ−３）とを比べると、図４で類似した反射スペクトルを与えたａ−１とｂ−３とは、表面の平坦性や微粒子の整列の度合いもほぼ同等であることがわかる。更に、これらは、下地微粒子層を形成した後にフォトニック結晶層を３回の引き上げ塗布で形成したものの観察像（図５（ａ−３））と比べても、さして遜色のないものであることもわかる。これらに対して、下地微粒子層を形成せずにフォトニック結晶層を１回の引き上げ塗布で形成しただけのもの（図５（ｂ−１）参照。）は、ＰＥＴフィルム表面の凹凸の影響を受けて、平坦性や微粒子の整列の度合いが著しく劣っている。
【００７２】
以上から、下地微粒子層１２を形成せずにフォトニック結晶層１３を形成した場合には、３回目の引き上げ塗布から良好な微粒子配列が得られるのに対し、下地微粒子層１２を形成した後にフォトニック結晶層１３を形成した場合には、初回の引き上げ塗布から良好な微粒子配列が得られるといえる。逆に言い換えると、下地微粒子層１２を形成しない場合には、１回目及び２回目の引き上げ塗布では欠陥の多い粒子配列が形成され、これがフォトニック結晶層１３の最下層部を構成する。
【００７３】
反射スペクトルの単純な比較からは、下地微粒子層を形成した後にフォトニック結晶層を１回の引き上げ塗布で形成したもの（ａ−１）と、下地微粒子層を形成せずにフォトニック結晶層を３回の引き上げ塗布で形成したもの（ｂ−３）とは同等と思われるかもしれないが、これは正しくない。その理由は、次の通りである。
【００７４】
図５の走査電子顕微鏡による観察像に基づいて検討したように、ｂ−３では、微粒子が規則的に配列していない部分、つまり欠陥がフォトニック結晶層の内部に存在する。フォトニック結晶が光デバイスに利用される場合、フォトニック結晶層内部の欠陥は光を散乱させ、デバイス特性が低下する原因になる。一方、ａ−１では、欠陥は大部分が下地微粒子層にあり、フォトニック結晶層の内部に作られる欠陥は少ない。従って、フォトニック結晶層の品質は、下地微粒子層を形成したａ−１の方が優れている。直径９０ｎｍのシリカ微粒子によるブラッグ反射波長は紫外光領域にあるから、下地微粒子層内の欠陥は、フォトニック結晶層の可視光領域のデバイス特性に影響しない。
【００７５】
なお、サンドブラスト加工していないＰＥＴフィルムに微粒子層を形成することを試みたが、形成できなかった。これは、サンドブラスト加工していないＰＥＴフィルム表面は疎水性であるため、水に分散させたシリカ微粒子分散液がＰＥＴフィルム表面に保持されないためである。図６は、走査電子顕微鏡で観察した、微粒子層の形成を試みた後の、サンドブラスト加工していないＰＥＴフィルム表面の観察像である。
【００７６】
実施例２
下地微粒子層の効果をさらに詳細に調べ、最適な下地微粒子層の厚さ等を検討するための実験を行った。
【００７７】
図７は、下地微粒子層の引き上げ塗布回数を１回〜５回に変えて表面の粗さの変化を調べた結果である。表面の粗さの測定は、レーザー顕微鏡を用いて行った。基体として、実施例１で用いたものと同じ、表面にサンドブラスト加工を施したＰＥＴフィルムを用いた。塗布した微粒子は、直径１１０ｎｍのシリカ微粒子（触媒化学製；商品名  スフェリカスラリーＳＳ１２０）、又は直径９０ｎｍのシリカ微粒子（日本触媒製；商品名  シーホスターＫＥ−Ｗ１０）であり、塗布には、２０質量％の分散液を用いた。図７の表には、下地微粒子層を形成する前のＰＥＴフィルムのデータ、及び平坦面の例であるＮＤガラスのデータを共に示した。
【００７８】
表中、Ｒａは、平均線からの絶対値偏差の平均値である算術平均粗さであり、Ｒｙは、基準長さごとの最低谷底から最高山頂までの高さであり、ＲＭＳは、二乗平均粗さである。ＫＥ−Ｗ１０では、Ｒａ、Ｒｙ、ＲＭＳのいずれも、３回の引き上げ塗布で最小になる。この例のように、ＳＳ１２０とＫＥ−Ｗ１０のいずれも、ほぼ３回の引き上げ塗布が最も平坦にＰＥＴフィルムの凹凸を覆い尽くしていることがわかった。
【００７９】
図８及び９は、走査電子顕微鏡による、下地微粒子層が形成されたサンドブラスト加工ＰＥＴフィルム表面の観察像である。図８（ａ）の引き上げ塗布回数１回の場合の観察像から、塗布回数１回では表面の凹凸が被覆しきれず、凹凸を被覆するのに最低２回の引き上げ塗布が必要であり、平坦に被覆するには３回以上の引き上げ塗布が必要であることがわかる。
【００８０】
次に下地微粒子層の厚みによって、フォトニック結晶層の反射スペクトルがどの程度の影響を受けるのかを調べた。単に下地微粒子層の必要厚みを試算できるだけでなく、厚く積層させた時に、下地微粒子層がフォトニック結晶層に与える影響を調べることができる。図１０は、フォトニック結晶層を形成したＰＥＴフィルムの平面図である。端部１３ｂでは中心部１３ａより分散媒である水の蒸発状況の違いから、結晶性の高いフォトニック結晶層が形成されやすい。
【００８１】
図１１は、引き上げ塗布回数を１回〜５回まで変えてＫＥ−Ｗ１０分散液の塗布によって下地微粒子層を形成し、その上にＫＥ−Ｐ３０分散液の引き上げ塗布を３回行ってフォトニック結晶層を積層した場合の結果である。（ａ）は、フォトニック結晶層の中心部の反射スペクトルであり、（ｂ）は、端部の反射スペクトルである。図中、スペクトルに付記した数字は、前の数字が下地微粒子層の引き上げ塗布回数であり、後の数字がフォトニック結晶層の引き上げ塗布回数である。
【００８２】
中心部では、引き上げ塗布回数が１回又は２回では、反射スペクトルに大きな変化はなく、塗布回数が３回をこえると、劇的に反射率が向上し始めた。これは、下地微粒子層でＰＥＴフィルムの表面の凹凸が全て覆い尽くされると、それ以後は塗布回数に応じてフォトニック結晶層のブラッグ反射層としての性能が向上するものと考えられる。つまり下地微粒子層による基板表面の平坦化の効果が確認された。３回以後も引き上げ塗布回数を増すごとに反射率が高くなり、下地微粒子層の結晶性の向上がフォトニック結晶層の結晶性を向上させる効果が確認できた。
【００８３】
端部では、４回の塗布で頭打ちになるが、十分良い反射率に達している。
【００８４】
図１２は、上記の実験における反射スペクトルの中心波長と、下地微粒子層の引き上げ塗布回数との関係である。初回の塗布から比較的高い反射率に達している端部の反射スペクトルの中心波長は、初回からブラッグ反射の波長領域にあり、結晶性の高さが推定される。一方、中心部の反射スペクトルの中心波長は、塗布回数ごとにブラッグ反射の波長に近づく傾向があり、フォトニック結晶層の結晶性が向上した結果であると考えられる。なお、５回目の引き上げ塗布で長波長側にシフトした理由は、ひび割れが大きな原因と考えている（図９（ｂ）参照。）。ひび割れが大きいと、反射波長を測定する際にも結晶軸がずれるし、ひび割れの性で結晶性が落ちることがある。
【００８５】
図１３は、引き上げ塗布回数を１回〜５回まで変えて、ＫＥ−Ｗ１０からなる下地微粒子層の可視光領域の反射スペクトルを測定した結果である。可視光領域には目立った反射ピークは確認できない。５回塗布時のスペクトルに見られる波状のスペクトルは、膜厚による干渉が原因と考えられる。
【００８６】
図１４は、フォトニック結晶層の微粒子より粒子径の大きい微粒子からなる下地微粒子層を用いて平坦化を行った場合の、Ｒａ及びＲｙと引き上げ塗布回数との関係を示すグラフである。微粒子として直径０．５４μｍのシリカ微粒子（触媒化成製；商品名  スフェリカスラリーＳＳ５５０）を用い、１８．２質量％の分散液からサンドブラスト加工ＰＥＴフィルム上に引き上げ速度１ｍ／ｍｉｎで１〜５回塗布した。走査電子顕微鏡による観察像によれば、３回の塗布でサンドブラスト加工ＰＥＴフィルムの凹凸は覆い尽くされるが、結晶性は悪い。図１４から、３回塗布以後もＲａ及びＲｙは改善される傾向が見られる。従って、下地微粒子層を形成する微粒子としては、３回の塗布で微粒子が規則的に配列した平坦面を形成できる、粒子径の小さい微粒子の方がより適していると考えられる。
【００８７】
図１５は、参考例１として、フォトニック結晶層における積層段数（積層されている微粒子層の数）と引き上げ塗布回数との関係を示したグラフである。フォトニック結晶層は、直径２５０ｎｍ（日本触媒製；商品名  シーホスターＫＥ−Ｗ２５）及び２８０ｎｍ（日本触媒製；商品名  シーホスターＫＥ−Ｗ３０）の微粒子を用い、プラズマ処理したスライドガラス基板上に引き上げ塗布を施し、形成した。分散液の濃度は、１０又は２０質量％であった。
【００８８】
その結果、反射層の膜厚（積層段数）と塗布回数は比例関係にあることがわかった。このことから、スライドガラス上への１回目の引き上げ塗布でも、同種シリカ微粒子層への２回目以後の引き上げ塗布でも、１回の塗布で形成される層数に変わりはないことがわかった。これから、ガラスと同じ素材であるシリカ微粒子で構成された下地微粒子層への引き上げ塗布でも、１回の塗布で形成される層数に変わりはないことが推定できた。
【００８９】
実施例３
図１６及び１７は、シリカ微粒子と親和性があり、表面が平坦な基体の上に微粒子配列構造体を形成し、下地微粒子層がない場合と比較して、下地微粒子層１２の有無の効果を調べた結果である。
【００９０】
基体として、表面に凹凸がなく、シリカ微粒子と同素材であるスライドガラスを基板として用いた。この上に、実施例１と同様に、微粒子分散液を引き上げ法によって塗布し、下地微粒子層を形成し、その上にフォトニック結晶層を積層した。この際、スライドガラス基板を引き上げる速度は０．６ｍ／ｍｉｎ（１ｃｍ／ｓｅｃ）であり、各層の作製工程は、温度は２５℃、相対湿度は６０％以上のグローブボックス中で行った。また、参考例２として、スライドガラス基板の上に直接フォトニック結晶層を形成した参考微粒子構造体も作製した。
【００９１】
下地微粒子層は、直径９０ｎｍのシリカ微粒子（日本触媒製；商品名  シーホスターＫＥ−Ｗ１０）を純水に１５．６質量％で分散させた微粒子分散液を用いて作製し、フォトニック結晶層は、直径２９０ｎｍのシリカ微粒子（日本触媒製；商品名  シーホスターＫＥ−Ｐ３０）を純水に１２．５質量％で分散させた微粒子分散液を用いて作成した。
【００９２】
図１６（ａ）〜（ｃ）は、下地微粒子層を３回の引き上げ塗布で形成し、その上に、それぞれ、１回〜３回の引き上げ塗布でフォトニック結晶層を形成した実施例３の反射及び透過スペクトルである。また、図１７（ａ）〜（ｃ）は、下地微粒子層を設けず、それぞれ、１回〜３回の引き上げ塗布でフォトニック結晶層を形成した参考例２の反射及び透過スペクトルである。測定は、図１０に示した中心部と端部の２箇所で行った。比較しやすいように、中心部と端部の２箇所の反射スペクトルを重ねて示したものを図１８に示した。
【００９３】
若干の違いが見られるものの、実施例３と参考例２の反射特性は非常に似ており、特に反射率はほぼ同じであった。また、図１９に示した走査電子顕微鏡による観察像から、３回の引き上げ塗布でスライドガラス基板表面は下地微粒子層で覆い尽くされることが確認できた。
以上から、３回の引き上げ塗布で平坦なスライドガラス基板上に形成された下地微粒子層の表面特性は、平坦なスライドガラス基板の表面特性と非常に類似していることがわかった。
【００９４】
実施例４
基体として、実施例１でも用いた、表面にサンドブラスト加工を施した厚さ５０μｍのＰＥＴフィルム１１を用い、この上に下地微粒子層１２を形成し、その上に赤色光、緑色光及び青色光の３原色光を反射する各フォトニック結晶層１４〜１６を形成し、３原色光を反射する微粒子配列構造体３０を形成した。図２０は、微粒子配列構造体３０の表面に光拡散層３１を設けて、先願発明で提案された、３原色光を選択的に反射する反射型スクリーンを作製した例を示す概略断面図である（図２６参照。）。
【００９５】
スクリーンに入射する光は、短波長の光ほど散乱されやすいので、散乱光を減らすためには、青色光反射層１６が光の入射側にある配置が望ましい。青色光反射層１６の表面には、光拡散層３１として光拡散フィルム等が図示を省略した接着材等によって貼り付けられている。光拡散層３１は、光の拡散をはかり、スクリーンから反射される光の指向性を緩和するとともに、スクリーン全体に均一な輝度を持たせるためのものである。
【００９６】
光拡散層３１の材料としては、可視光領域において透明な材料で、且つ光を拡散させるもの、即ち、光拡散層内の場所ごとに屈折率が変化するような屈折率分布を持つものや、フィルムの表面に凹凸を有するものがよい。光拡散フィルムは、表面に２次元マイクロレンズアレイが形成されたマイクロレンズフィルム等に置き換えてもよい。
【００９７】
微粒子配列構造体３０では、黒色ＰＥＴフィルム１１Ｂが可視光吸収体の役割を兼ね、フォトニック結晶層１４〜１６を透過してきた外部光等を吸収してコントラストを高める働きをする。微粒子配列構造体３０は、フルカラー表示に関わる光学媒体の素材として有用である。
【００９８】
図２１は、実施例４の微粒子配列構造体３０の反射スペクトル（ａ）を示す。また、比較例２として、下地微粒子層１２を形成せず、ＰＥＴフィルム１１の上に直接、赤色光、緑色光及び青色光の３原色光を反射する各フォトニック結晶層１４〜１６を形成した微粒子配列構造体の反射スペクトル（ｂ）を示す。
【００９９】
両者を比べると、実施例４の方が比較例２より可視光の反射率、特に赤色光の反射率に優れていることがわかる。これは、実施例４の赤色光反射層１４が下地微粒子層１２に接して形成されているため、下地微粒子層１２による平坦化が赤色光反射層１４の結晶性を著しく高めた結果であると考えられる。
【０１００】
なお、実施例４及び比較例２では、引き上げ速度０．１２ｍ／ｍｉｎ（２ｍｍ／ｓｅｃ）でＰＥＴフィルム１１を引き上げ、この上に微粒子分散液を塗布した。塗布回数は、下地微粒子層１２及び赤色光反射層１４は各３回、緑色光及び青色光反射結晶層１５及び１６は各２回である。
【０１０１】
以上に述べた実施の形態及び実施例は、本発明の技術的思想に基づいて適宜変更可能である。
【０１０２】
【発明の作用効果】
本発明によれば、基体上に下地微粒子層を、その上層部に規則的な配列構造が形成される厚さで形成し、この下地微粒子層によって形成された平坦面の上に第２の微粒子層を積層する。このため、第２の微粒子層では、基体表面の凹凸の影響をほとんど受けることなく、第１層目から微粒子が規則正しく整列して、欠損や配列の乱れ等の欠陥の少ない微粒子層が形成される。この結果、光を散乱させる原因となる欠陥が少なく、ブラッグ反射層としての品質の高い第２の微粒子層を形成することができる。
【０１０３】
また、基体表面の凹凸がなくなると、凹凸の影響で微粒子の整列が阻害されることがなくなり、微粒子がよりすみやかに整列できるようになることも、第２の微粒子層の高品質化に効果的に作用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施の形態に基づく微粒子配列構造体の作製工程を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施例１による微粒子配列構造体及び比較例１の比較構造体の概略断面図である。
【図３】走査電子顕微鏡による、サンドブラスト加工したＰＥＴフィルム表面の観察像である。
【図４】本発明の実施例１及び比較例１による、ＰＥＴフィルム上に形成されたフォトニック結晶層による反射スペクトルである。
【図５】同、走査電子顕微鏡による、フォトニック結晶層表面の観察像である。
【図６】走査電子顕微鏡による、微粒子層の形成を試みた後の、サンドブラスト加工していないＰＥＴフィルム表面の観察像である。
【図７】本発明の実施例２による、下地微粒子層の引き上げ塗布回数の変化による、表面の平坦性の変化を示す表である。
【図８】同、走査電子顕微鏡による、下地微粒子層が形成されたサンドブラスト加工ＰＥＴフィルム表面の観察像である。
【図９】同、走査電子顕微鏡による、下地微粒子層が形成されたサンドブラスト加工ＰＥＴフィルム表面の観察像である。
【図１０】同、ＰＥＴフィルムの中心部と端部を示す概略平面図である。
【図１１】同、ＰＥＴフィルム上に形成されたフォトニック結晶層による反射スペクトルである。
【図１２】同、ＰＥＴフィルム上に形成されたフォトニック結晶層による反射スペクトルの中心波長と、下地微粒子層の引き上げ塗布回数との関係を示すグラフである。
【図１３】同、ＰＥＴフィルム上に形成された下地微粒子層による反射スペクトルである。
【図１４】同、ＰＥＴフィルム上に形成された、粒子径の大きい微粒子からなる下地微粒子層による平坦化の効果を示すグラフである。
【図１５】参考例１による、フォトニック結晶層の積層段数（フォトニック結晶層の厚さ）と塗布回数の関係を示すグラフである。
【図１６】本発明の実施例３によるスライドガラス基板上に形成されたフォトニック結晶層による反射及び透過スペクトルである。
【図１７】参考例２によるスライドガラス基板上に形成されたフォトニック結晶層による反射及び透過スペクトルである。
【図１８】実施例３及び参考例２によるスライドガラス基板上に形成されたフォトニック結晶層による反射及び透過スペクトルである。
【図１９】同、走査電子顕微鏡による、スライドガラス基板上に形成された下地微粒子層の観察像である。
【図２０】本発明の実施例４による反射型スクリーンの要部拡大概略断面図である。
【図２１】本発明の実施例４及び比較例２による、ＰＥＴフィルム上に形成されたフォトニック結晶層による反射スペクトルである。
【図２２】自己組織化的に微粒子集合体を形成する方法を示す説明図である。
【図２３】従来の、移流集積に近い塗布法によって形成したフォトニック結晶層による反射及び透過スペクトルの例である。
【図２４】先願発明の好ましい実施の形態に基づく引き上げ回転法によって形成されたシリカ微粒子集合体の、反射スペクトル（ａ）と微粒子の配列構造を示す概略断面図（ｂ）である。
【図２５】同、シリカ微粒子集合体によってブラッグ反射される光の波長とシリカ微粒子の直径との関係を示すグラフである。
【図２６】同、３原色光のみを反射する反射型スクリーンの基本構造の要部拡大概略断面図である。
【図２７】同、３原色光のみを反射する反射型スクリーンによって色再現範囲が改善されることを示す色度図である。
【符号の説明】
１…基板（サンドブラスト加工したＰＥＴフィルムなど）、
２…下地微粒子層、３…第２の微粒子層、１０…微粒子配列構造体、
１１…サンドブラスト加工したＰＥＴフィルム、
１１Ａ…サンドブラスト加工した透明ＰＥＴフィルム、
１１Ｂ…黒色ＰＥＴフィルム、１２…下地微粒子層、
１３…フォトニック結晶層、１３ａ…フォトニック結晶層中心部、
１３ｂ…フォトニック結晶層端部、
１４…フォトニック結晶層（赤色光反射層）、
１５…フォトニック結晶層（緑色光反射層）、
１６…フォトニック結晶層（青色光反射層）、２０、３０…微粒子配列構造体、
２０ｂ…比較微粒子構造体、３１…光拡散層、３２…可視光吸収体、
４０…基板、４１…微粒子、４２…分散媒、４３…微粒子分散液、
４４…微粒子集合体、５０…基板、５１…シリカ微粒子、
５４…シリカ微粒子集合体、１００…プラスチック基板
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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