(57)【要約】【課題】耐光性に優れた新規な塗料を提供する。【解決手段】媒質３の中に種々の形状をしたフォトニック結晶４をちりばめ、光の入射方向と反対側に吸収物質５を設けている。このような場合、すなわち、５１０ｎｍ付近の「反射波長」の光（実線）は結晶付近で大部分が反射されるのに対し、ここから離れた「透過波長」の光（点線）は結晶の透過率が高く、層の底部までたどり着いて吸収される比率が高い。よって、全体としてみると単位厚さ当たりの反射率の違いにより、塗料層が着色して見えると。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶構造を持つ微粒子を含むことを特徴とする塗料。
【請求項２】
請求項１に記載の塗料であって、フォトニック結晶構造を持つ微粒子を透明な媒質中に分散させたことを特徴とする塗料。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の塗料であって、前記フォトニック結晶が可視領域において光を吸収しない誘電体のみにより構成されていることを特徴とする塗料。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の塗料であって、前記微粒子の径が０．５μｍ〜１００μｍの範囲であることを特徴とする塗料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な塗料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に塗料は顔料を樹脂中に分散し溶剤で溶いたものが多い。顔料としては様々なものがあるが、黒色や白色を除くと有機分子を用いたものが多い。これは、有機分子はその構造が非常に幅広く選択できるために、その吸収スペクトルを自由に設計できるという利点があるためである。
【０００３】
樹脂材料は主に顔料を塗装面に固着させるために使われており、アクリル樹脂や塩化ビニル樹脂、エポキシ樹脂など様々なものが利用されている。
【０００４】
顔料と樹脂だけでは、これらが固体であることから塗装に用いることができないため、溶剤はこれらを溶いて粘性を調節し、塗装し易くする働きがある。溶剤は、塗装後蒸発してしまう必要があるため、揮発性のものが利用される。
【０００５】
【発明考案が解決しようとする課題】
ところで、広く用いられている有機分子系の塗料は、耐光性があまり良くないという欠点がある。すなわち、長い時間強い光に照らされていると次第に有機分子が不可逆な脱色を起こしてしまい本来の色を失ってしまうのである。この脱色現象については材料研究を通じてかなり改善が進んでいるが、それでも直射日光下に年単位でさらされるような場合には、時間とともにその色彩が失われて行くという欠点があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、耐光性に優れた新規な塗料を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、フォトニック結晶構造を持つ微粒子を含むことを特徴とする塗料（請求項１）である。
【０００８】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記１第の手段であって、フォトニック結晶構造を持つ微粒子を透明な媒質中に分散させたことを特徴とするもの（請求項２）である。
【０００９】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記フォトニック結晶が可視領域において光を吸収しない誘電体のみにより構成されていることを特徴とするもの（請求項３）である。。
【００１０】
前記課題を解決するための第の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記微粒子の径が０．５μｍ〜１００μｍの範囲であることを特徴とするもの（請求項４）である。
【００１１】
【発明の実施形態】
主に屈折率の異なる２つの物質により、あるいは、物質と真空（又は空気）の組み合わせによって構成される周期構造があると、各々の物質単体では実現できないような光学的性質を示す結晶を作ることが可能である。このような結晶は、光のエネルギーに対してバンド構造を持つなど、電子に対する通常の結晶に対応する性質を持っていることから、そのアナロジーとしてフォトニック結晶と呼ばれている。
【００１２】
誘電体で構成されたフォトニック結晶がフォトニックバンドギャップを持つ場合、ギャップ外の波長の光は境界条件に応じて、ある割合だけ結晶内へ進行するが、ギャップ内の波長の光は結晶内を進行することができず、完全に反射することになる。このように、結晶の反射率が大きな波長依存性を持つことにより、フォトニック結晶は色彩を持って見えることがある。
【００１３】
一般にフォトニック結晶の反射率およびその波長依存性は入射角および厚さなどの境界条件によって変化する。このために、白色光で照らされたフォトニック結晶は見る角度によって色彩が変化することになる。しかし、フォトニック結晶を微粒子にして対象物体に塗布すると、結晶の方向、厚さはランダムになるため、入射角依存性は平均化されてどの方向から見ても一定の色を帯びて見えることになる。
【００１４】
その際に、入射角に関わらず特定の波長がバンドギャップとなる完全バンドギャップを持つフォトニック結晶であれば、特定の波長では常に完全に反射されるので、方向をランダムにしても着色は保たれる。これに対し、特定の入射角に対してのみギャップが存在しないような結晶の場合、方向がランダムになると色彩は薄められることになる。ただし、この場合でも、塗布する結晶の角度を制御すれば色を鮮明にすることができる。
【００１５】
３次元フォトニック結晶で完全バンドギャップを持つ構造としては屈折率差の大きなダイヤモンド構造が知られていて、角材を積層した構造などが実際に製作されている。作成が容易なのは微小球を格子状に配列させる方法（例：Ｓｕｎ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｊ．  Ｏｐｔ．  Ｓｏｃ．  Ａｍ．  Ｂ  １７，  ｐｐ４７６−４８０（２０００））であるが、この構造では完全バンドギャップは生じない。
【００１６】
一方、２次元結晶の場合は基板に六方格子上に穴をあけることにより比較的容易に２次元内での完全バンドギャップは得られるが、面外からの入射に対しては一般にはバンドギャップとして働かない。
【００１７】
粒子の大きさの下限は、結晶がフォトニックバンド構造による性質を示すために、単位格子の数倍以上の大きさが必要となることから規定される。可視光に対して注目すべき性質が現れる場合の格子サイズは、構造や構成物質にもよるが、通常１００〜４００ｎｍ程度である。したがって、少なくとも粒子の外径は、０．５μｍ程度以上の大きさが必要となる。一方、上限は光学上の性質を制限する値としては存在しないが、塗布時の厚さや目で見た場合の粒状性が問題となる程度だと考えると、１００μｍ程度以内にすべきだと考えられる。
【００１８】
これらの結晶の微粒子を樹脂中などの透明媒質内に分散させ、溶媒で溶くことにより、塗料として用いることができる。
【００１９】
このように、適切な構造を持つフォトニック結晶は色彩を持つように見え、塗料として用いることができる。フォトニック結晶による塗料はその着色が吸収によるものではないため、色素で起こる多量の光の吸収による脱色等が起こらず、着色材料としての寿命が長い。特に、可視領域において光を吸収しない、即ち、通常透明体と言われている材料でフォトニック結晶を製造すると、長寿命化を図ることができる。また、複数の種類のフォトニック結晶の粒子を混合することにより、反射スペクトル帯域を広げるなどの効果をもたせることも可能である。
【００２０】
【実施例】
作成が容易な２次元六方格子構造を有するフォトニック結晶を製作した。即ち、図１に示すように、背景媒質１としてＢＮ（屈折率２．１１７）を使用し、原子媒質２として空気を使用し、円筒状の原子媒質２が六方格子状に形成されたものとした。格子定数ａを１６７ｎｍ、穴の直径ｄを１１１ｎｍとした。このような構造のフォトニック結晶は、電子ビームリソグラフィなどによって作成したパターン形状をドライエッチングすることにより作成することが可能である。
【００２１】
このようなフォトニック結晶のＴＥ偏光波、ＴＭ偏光波についてのバンド構造を図２に示す。図２において、横軸は逆格子空間の波数であり、縦軸は格子定数で正規化された光の角周波数ωａ／２πｃ（ωは光の角周波数、ｃは真空中の光速である）を示す。ωａ／２πｃ＝０．４付近に、ＴＭ偏光波に対するバンドギャップが存在していることが分かる。
【００２２】
このようなフォトニック結晶において、格子１０層分の厚さ（１．４４μｍ）の結晶に平面波を入射した場合の反射スペクトルを図３に示す。入射光は非偏光で図１の上下方向に入射するものとする。このスペクトルは波長５１０ｎｍ付近をピークとした構造をしており、４７５〜５６０ｎｍの波長域で８０％以上の反射率を持っている。したがって、反射光は緑がかった色合いを示す。
【００２３】
ここで、結晶材料の屈折率が大きく変化しない範囲内では、バンド波長は格子定数に比例して変化する。したがって、格子サイズを変化させることにより、反射光の色を調節することが可能である。
【００２４】
この結晶を媒質中にちりばめた場合、図４に示すような現象が生じる。図４においては、媒質３の中に種々の形状をしたフォトニック結晶４をちりばめ、光の入射方向と反対側に吸収物質５を設けている。このような場合、すなわち、５１０ｎｍ付近の「反射波長」の光（実線）は結晶付近で大部分が反射されるのに対し、ここから離れた「透過波長」の光（点線）は結晶の透過率が高く、層の底部までたどり着いて、吸収物質５に吸収される比率が高い。
【００２５】
実際には２次元結晶の場合は入射角依存性が大きく、例えば図１の紙面と垂直方向に入射した光はほとんどの波長で高効率で透過することになるし、結晶粒子の厚さや形状によってもスペクトルは変動を受ける。しかし、全体としてみると単位厚さ当たりの反射率の違いにより、塗料層が着色して見えるという結果には変わりがない。
以上のようにして、フォトニック結晶を用いて一定の色彩を示す塗料を作成することができた。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、耐光性に優れた新規な塗料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である塗料に使用したフォトニック結晶の基本構造を示す図である。
【図２】図１に示すフォトニック結晶のバンド構造を示す図である。
【図３】図１に示すフォトニック結晶の反射スペクトルを示す図である。
【図４】図１に示すフォトニック結晶を媒質中にちりばめた場合の反射現象を示す概念図である。
【符号の説明】
１…背景媒質
２…原子媒質
３…媒質
４…フォトニック結晶
５…吸収物質
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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