(57)【要約】【課題】フォトニック結晶構造体、その製造方法、フォトニック結晶構造体を採用した反射型カラーフィルタ及びディスプレイ装置を提供する。【解決手段】複数のサイズを有する複数のナノ粒子を含み、ナノ粒子が相互離隔して配されたナノ構造物層と、ナノ構造物層上に位置し、非平坦表面を有し、所定波長の光を反射するように設計されたフォトニック結晶層と、を備えるフォトニック結晶構造体である。【選択図】図１
2013061645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に位置し、複数のサイズを有する複数のナノ粒子を含み、前記ナノ粒子が相互離隔して配されたナノ構造物層と、
前記ナノ構造物層上に位置し、非平坦表面を有し、所定波長の光を反射するように設計されたフォトニック結晶層と、
を備えるフォトニック結晶構造体。
【請求項２】
前記ナノ構造物層は、前記複数のナノ粒子の単層膜構造を有することを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶構造体。
【請求項３】
前記フォトニック結晶層は、第１屈折率を有する第１物質層と、前記第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２物質層と、が交互に積層されて形成されることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶構造体。
【請求項４】
前記第１物質層及び前記第２物質層は、透明絶縁性物質からなることを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶構造体。
【請求項５】
前記第１物質層及び前記第２物質層は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＣａＦ２、ＬｉＦ、およびＭｇＦ２からなる群から選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶構造体。
【請求項６】
前記第１物質層及び前記第２物質層のうち一方は、金属物質で形成され、他方は、絶縁性物質で形成されることを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶構造体。
【請求項７】
前記ナノ構造物層中のナノ粒子は、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、チタニア（ＴｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、イットリア−ジルコニア（Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２）、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ）及び酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなる群から選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶構造体。
【請求項８】
基板上に複数のサイズを有する複数のナノ粒子を含み、前記ナノ粒子が相互離隔して配されたナノ構造物層を形成する工程と、
前記ナノ構造物層上に、非平坦表面を有し、所定波長の光を反射するように設計されたフォトニック結晶層を形成する工程と、
を含むフォトニック結晶構造体の製造方法。
【請求項９】
前記ナノ構造物層を形成する工程は、
前記基板上に複数のコア−シェル型粒子を形成する工程と、
焼成処理により、前記コア−シェル型粒子のシェル物質をリフローして、前記コア−シェル型粒子のコア物質を露出させる工程と、
前記リフローされたシェル物質をエッチングする工程と、
を含むことを特徴とする請求項８に記載のフォトニック結晶構造体の製造方法。
【請求項１０】
前記複数のコア−シェル型粒子を形成する工程において、前記コア−シェル型粒子の単層膜構造を形成することを特徴とする請求項９に記載のフォトニック結晶構造体の製造方法。
【請求項１１】
前記コア−シェル型粒子は、コアが無機物質で形成され、シェルが有機物質で形成されることを特徴とする請求項９または１０に記載のフォトニック結晶構造体の製造方法。
【請求項１２】
前記フォトニック結晶層を形成する工程は、
第１屈折率を有する第１物質層と、前記第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２物質層と、を交互に積層する工程を含むことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載のフォトニック結晶構造体の製造方法。
【請求項１３】
前記第１物質層及び第２物質層を、スパッタを用いた蒸着処理で形成することを特徴とする請求項１２に記載のフォトニック結晶構造体の製造方法。
【請求項１４】
平均自由行程を最大にし、前記基板のターゲットとの距離を最小にする条件でスパッタによる蒸着処理を行うことを特徴とする請求項１３に記載のフォトニック結晶構造体の製造方法。
【請求項１５】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶構造体であって、前記フォトニック結晶層が第１波長の光を反射するように設計された第１フォトニック結晶構造体を含む複数の第１カラーユニットと、
請求項１〜７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶構造体であって、前記フォトニック結晶層が第２波長の光を反射するように設計された第２フォトニック結晶構造体を含む複数の第２カラーユニットと、
請求項１〜７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶構造体であって、前記フォトニック結晶層が第３波長の光を反射するように設計された第３フォトニック結晶構造体を含む複数の第３カラーユニットと、を備え、
前記複数の第１カラーユニット、前記複数の第２カラーユニット、前記複数の第３カラーユニットが２次元アレイに交互に配列されている反射型カラーフィルタ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の反射型カラーフィルタと、
前記複数の第１カラーユニット、前記複数の第２カラーユニット、前記複数の第３カラーユニットにそれぞれ対応する領域を有し、各領域に入射した光を画像情報によって変調するディスプレイパネルと、
を備えることを特徴とする記載のディスプレイ装置。
【請求項１７】
前記ディスプレイパネルは、
液晶表示素子、電気泳動表示素子、電気湿潤表示素子または電気変色表示素子を含むことを特徴とする請求項１６に記載のディスプレイ装置。
【請求項１８】
前記反射型カラーフィルタを透過した光を吸収する吸収部をさらに含むことを特徴とする請求項１６または１７に記載のディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶構造体、その製造方法、フォトニック結晶構造体を採用した反射型カラーフィルタ及びディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ）は、光を制御できる結晶構造を有する物質であり、光の波長サイズ程度の周期で屈折率が反復する結晶構造を形成することにより、特定波長の光のみが補強干渉（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）が生じ、残りの波長の光は相殺干渉（ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）を起こして、これにより特定のカラーが具現できるというものである。このように、光の反射及び干渉を利用して色を具現する、いわば、「構造色」（Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ  Ｃｏｌｏｒ）技術は、顔料による光の吸収を利用して色を具現する技術に比べて、高効率の色具現が可能であり、色度（Ｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ）制御が容易であるという点で長所がある。
【０００３】
一般的に、最も容易に製造される１次元フォトニック結晶では、低屈折率を有する透明絶縁膜と高屈折率を有する透明絶縁膜とを相互に積層して、反射される光の色が制御される。しかし、１次元フォトニック結晶の場合、入射角が垂直である光に対してのみ設計された色を呈し、入射角が小さくなるにつれて、ブラッグの法則によって短い波長帯域へと色がシフトする現象を表す。視野角の側面から見れば、１次元フォトニック結晶は５°以下の視野角を有しており、高い色再現性及び反射特性を有するにも拘わらず、ディスプレイのようなデバイスへの適用が難しい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、広い視野角のカラーフィルタリング性能を有するフォトニック結晶構造体及びその製造方法ならびに、このようなフォトニック結晶構造体を用いた反射型カラーフィルタ及びディスプレイ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を達成するために、本発明の一形態によるフォトニック結晶構造体は、複数のサイズを有する複数のナノ粒子を含み、前記ナノ粒子が相互離隔して配されたナノ構造物層と、前記ナノ構造物層上に位置し、非平坦表面を有し、所定波長の光を反射するように設計されたフォトニック結晶層と、を備える。
【０００６】
前記ナノ構造物層は、前記複数のナノ粒子の単層膜構造を有してもよい。
【０００７】
前記フォトニック結晶層は、第１屈折率を有する第１物質層と、前記第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２物質層と、が交互に積層されて形成されてもよい。
【０００８】
前記第１物質層及び前記第２物質層は、透明絶縁性物質で形成されてもよい。
【０００９】
前記第１物質層及び第２物質層は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＣａＦ２、ＬｉＦ、およびＭｇＦ２からなる群から選択される少なくとも一つを含んでもよい。
【００１０】
前記第１物質層及び第２物質層のうち一方は、金属物質で形成され他方は、絶縁性物質で形成されてもよい。
【００１１】
前記ナノ構造物層のナノ粒子は、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、チタニア（ＴｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、イットリア−ジルコニア（Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２）、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ）及び酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなる群から選択される少なくとも一つを含んでもよい。
【００１２】
また、本発明の一形態によるフォトニック結晶構造体の製造方法は、基板上に、複数のサイズを有する複数のナノ粒子が離隔して配されたナノ構造物層を形成する工程と、前記ナノ構造物層上に非平坦表面を有し、所定波長の光を反射させるように設計されたフォトニック結晶層を形成する工程と、を含む。
【００１３】
前記ナノ構造物層を形成する工程は、前記基板上に複数のコア−シェル（ｃｏｒｅ−ｓｈｅｌｌ）型粒子を形成する工程と、焼成処理により、コア−シェル型粒子のシェル物質をリフローして、前記コア−シェル型粒子のコア物質を露出させる工程と、前記リフローされたシェル物質をエッチングする工程と、を含む。
【００１４】
前記複数のコア−シェル型粒子を形成する工程において、前記コア−シェル型粒子の単層膜構造を形成しうる。
【００１５】
前記コア−シェル型粒子は、コアが無機物質で形成され、シェルは、有機物質で形成されてもよい。
【００１６】
前記フォトニック結晶層を形成する工程は、第１屈折率を有する第１物質層と、前記第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２物質層と、を交互に積層する工程を含みうる。
【００１７】
前記第１物質層と第２物質層とをスパッタを用いた蒸着処理で形成しうる。
【００１８】
平均自由行程（Ｍｅａｎ  Ｆｒｅｅ  Ｐａｔｈ）を最大にし、前記基板のターゲットとの距離を最小にする条件でスパッタによる蒸着処理を行いうる。
【００１９】
また、本発明の一形態による反射型カラーフィルタは、前記一類型のフォトニック結晶構造体であって、前記フォトニック結晶層が第１波長の光を反射させるように設計された複数の第１カラーユニットと、前記一類型のフォトニック結晶構造体であって、前記フォトニック結晶層が第２波長の光を反射させるように設計された複数の第２カラーユニットと、前記一類型のフォトニック結晶構造体であって、前記フォトニック結晶層が第３波長の光を反射させるように設計された複数の第３カラーユニットと、を備え、前記複数の第１カラーユニット、第２カラーユニット、第３カラーユニットが２次元アレイに交互に配列されて形成されてもよい。
【００２０】
また、本発明の一形態によるディスプレイ装置は、前記反射型カラーフィルタと、前記複数の第１カラーユニット、前記複数の第２カラーユニット、前記複数の第３カラーユニットにそれぞれ対応する領域を有し、各領域に入射した光を画像情報によって変調するディスプレイパネルと、を備える。
【００２１】
前記ディスプレイパネルは、液晶表示素子（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｄｅｖｉｃｅ）、電気泳動表示素子（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｄｅｖｉｃｅ）、電気湿潤表示素子（Ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｄｅｖｉｃｅ）または電気変色表示素子（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｒｏｍｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｄｅｖｉｃｅ）を含んでもよい。
【００２２】
前記ディスプレイ装置は、反射型カラーフィルタを透過した光を吸収する吸収部をさらに含みうる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によるフォトニック結晶構造体は、視野角が広いカラーフィルタリング性能を有するので、これを採用した反射型カラーフィルタ、ディスプレイ装置は、光効率が高く、色再現が容易であり、視野角の広い画像が提供できる。
【００２４】
また、前記フォトニック結晶構造体の製造方法によれば、複数のサイズを有する複数のナノ粒子上に多層構造のフォトニック結晶層を形成した後にも、表面の非平坦度が維持されうる。したがって、視野角度による色の変化が減少し、さらに広い視野角範囲で設計波長帯域の光Ｌが認知される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態によるフォトニック結晶構造体の概略的な構造を示す断面図である。
【図２】一般的な従来の１次元フォトニック結晶構造を表し、入射角によるカラーシフト現象を説明する図面である。
【図３】本発明の他の実施形態によるフォトニック結晶構造体の概略的な構造を示す断面図である。
【図４Ａ】複数のナノ粒子の間の間隔形成のないフォトニック結晶層の表面傾斜角の程度を比較するシミュレーション図面である。
【図４Ｂ】複数のナノ粒子の間の間隔形成のあるフォトニック結晶層の表面傾斜角の程度を比較するシミュレーション図面である。
【図５】複数のナノ粒子の間の間隔及びフォトニック結晶層を構成する層数とフォトニック結晶層の表面の傾斜角との関係を示すシミュレーショングラフである。
【図６Ａ】本発明の一実施形態によるフォトニック結晶構造体の製造方法を説明する図面である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態によるフォトニック結晶構造体の製造方法を説明する図面である。
【図６Ｃ】本発明の一実施形態によるフォトニック結晶構造体の製造方法を説明する図面である。
【図６Ｄ】本発明の一実施形態によるフォトニック結晶構造体の製造方法を説明する図面である。
【図７】フォトニック結晶層を形成する際のスパッタまたは真空蒸着機の使用及びフォトニック結晶層を構成する層数とフォトニック結晶層の表面の傾斜角との関係を示すシミュレーショングラフである。
【図８】本発明の一実施形態による反射型カラーフィルタの概略的な構造を示す断面図である。
【図９】本発明の一実施形態によるディスプレイ装置の概略的な構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付した図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。以下の図面において、同一の参照符号は、同一の構成要素を表す。また、図面において各構成要素のサイズは、説明の便宜上、誇張されている場合がある。
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態によるフォトニック結晶構造体１００の概略的な構造を示す断面図である。
【００２８】
図１を参照すれば、フォトニック結晶構造体１００は、基板１１０上に、複数のサイズを有する複数のナノ粒子１２０を含むナノ構造物層を備え、複数のナノ粒子１２０が相互離隔して配されている。ナノ構造物層上には、非平坦表面１４０ａを有し、所定波長の光を反射させるように設計されたフォトニック結晶層１４０が形成されている。
【００２９】
ナノ構造物層は、ナノ構造物層上に形成されるフォトニック結晶層１４０の表面を非平坦化し、所定の傾斜角を有するように設けられる。すなわち、このようなナノ構造物層によってランダムな高さ分布を有するフォトニック結晶層１４０が形成され、これにより、視野角度によって色が異なって見える色変化が減らせる。
【００３０】
以下、フォトニック結晶構造体１００についてさらに詳細な構造を説明する。
【００３１】
基板１１０の材質としては、シリコン、シリコン酸化物、サファイア、シリコンカーバイド、またはガラスが使われうる。
【００３２】
基板１１０上には、複数のサイズを有する複数のナノ粒子１２０が離隔して配されており、当該複数のナノ粒子１２０はナノ構造物層を構成する。ナノ構造物層は少なくとも２種類のサイズを有するナノ粒子を含み、より好ましくは複数のナノ粒子１２０は、ランダムなサイズ分布を有する。本明細書において「ランダムなサイズ分布」とは、ナノ粒子のサイズに実質的に規則性がないことをいう。すなわち、本発明の効果（回折干渉効果）を奏することができる程度に、ナノ粒子が規則性のない様々なサイズを有する。複数のナノ粒子１２０間の距離（粒子間隔）は、フォトニック結晶層１４０に備えられる積層数及びフォトニック結晶層１４０の表面１４０ａで具現しようとする傾斜角の程度を考慮して適切に定めることができ、一定のまたはランダムな間隔を有しうる。ナノ粒子１２０間の平均距離はナノ粒子１２０の平均サイズよりも小さいことが好ましい。例えば、ナノ粒子１２０間の平均距離はフォトニック結晶層の積層数の増加によるフォトニック結晶層の表面の傾斜角の低減を緩和させ、適正な視野角を確保する点から好ましくは１００〜５００ｎｍであり、より好ましくは２００〜５００ｎｍであり、さらに好ましくは２００〜４００ｎｍである（後述の図５参照）。なお、ナノ粒子１２０間の平均距離とは隣り合う２つのナノ粒子の粒子間距離の平均値を意味する。ナノ粒子間の平均距離およびナノ粒子の平均サイズはＳＥＭにより粒子を観察し、その平均をとることにより算出することができる。この際、粒子のサイズとは、粒子の投影面積と等しい面積を有する円の直径(投影面積径)とする。なお、ナノ粒子間の距離(間隔)がランダムであるとは、ナノ粒子間の距離(間隔)に実質的に規則性がないことをいう。すなわち、本発明の効果（回折干渉効果）を奏することができる程度に、ナノ粒子間の距離が規則性のないことをいう。
【００３３】
ナノ粒子１２０は、例えば、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、チタニア（ＴｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、イットリア−ジルコニア（Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２）、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ）及び酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなる群から選択される少なくとも一つを含んで形成されてもよい。これらは１種単独で用いても、２種以上を混合して用いてもよい。ナノ粒子１２０は、単層で形成される。すなわち、ナノ構造物層は複数のナノ粒子の単層膜構造を有する。但し、これに制限されるものではなく、ナノ粒子１２０が積層した形態であってもよい。ナノ粒子１２０の直径は、数十ｎｍ〜数百ｎｍ、例えば１０ｎｍ〜９００ｎｍ、でありうる。
【００３４】
フォトニック結晶層１４０は、所定波長の光を反射するように設計された１次元フォトニック結晶であって、第１屈折率を有する第１物質層１４１と、前記第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２物質層１４２とが交互に積層されて形成される。反射波長帯域は、第１物質層１４１、第２物質層１４２のそれぞれの屈折率、各層の厚さによって決定される。積層数は、反射効率を考慮して定められ、一般的に、層数が多いほど反射効率が良くなる。
【００３５】
第１物質層１４１及び第２物質層１４２は、透明絶縁性物質で形成されてもよい。一実施形態において、第１物質層１４１及び第２物質層１４２は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＣａＦ２、ＬｉＦ、およびＭｇＦ２からなる群から選択される少なくとも一つを含んで形成される。これらは１種単独で用いても、２種以上を混合して用いてもよい。
【００３６】
また、一実施形態において、第１物質層１４１及び第２物質層１４２のうち一方は、絶縁性物質で形成され、他方は、金属物質で形成される。金属物質で形成される第１物質層１４１または第２物質層１４２層は、光の吸収が最小化するように可能な限り薄く形成し、例えば、約５０ｎｍ以下の厚さに形成しうる。一方、金属物質で形成される第１物質層１４１または第２物質層１４２層の厚さの下限は特に制限されない。また、絶縁性物質で形成される第１物質層１４１または第２物質層１４２層の厚さは特に制限されない。
【００３７】
フォトニック結晶層１４０の表面１４０ａは、平坦ではなく、非平坦である。すなわち、フォトニック結晶層１４０の表面１４０ａは凹凸を有し、フォトニック結晶構造体１００の積層方向のサイズ（高さ）が均一ではない。より好ましくは表面１４０ａはランダムな高さ分布を有する。すなわち、本発明の好ましい形態において、表面１４０ａにおける凹凸の高さ（突部の基準高さ（位置）と隣接する凹部の基準高さ（位置）との差）は規則的ではなく、ランダムな分布を有する。これは、ランダムなサイズを有する複数のナノ粒子１２０上にフォトニック結晶層１４０を形成するためである。本明細書において、「ランダムな高さ分布」とはフォトニック結晶層の高さ（フォトニック結晶構造体の高さ）に実質的に規則性がないことをいう。すなわち、本発明の効果（回折干渉効果）を奏することができる程度に、フォトニック結晶層の高さ（フォトニック結晶構造体の高さ）が規則性のないことをいう。また、反射効率を考慮して定められる積層数が多くなるほど、フォトニック結晶層１４０の表面１４０ａの非平坦度、例えば、水平面に対する傾斜角は小さくなるが、本実施形態では、複数のナノ粒子１２０の間に間隔を形成することによって、積層数が多くなるほど傾斜角が小さくなる傾向を緩和している。
【００３８】
前述した構造のフォトニック結晶構造体１００は、フォトニック結晶層１４０の第１物質層１４１、第２物質層１４２の材質、厚さ、積層数によって決定される波長帯域の光ＬＣを反射させるにおいて、視野角度による色変化が非常に少ないので、広い視野角が具現される。
【００３９】
図２を共に参照して説明すれば、次の通りである。図２は、一般的な従来の１次元フォトニック結晶構造体１００’を表し、入射光の入射角が小さくなることによって反射光のカラーシフトが起こることを説明する図面である。
【００４０】
基板１１０’上に平坦な構造で、第１屈折率を有する第１物質層１４１’と第２屈折率を有する第２物質層１４２’とが交互に積層されたフォトニック結晶層１４０’が形成された場合、このようなフォトニック結晶層１４０’は、垂直入射された光に対してのみ、設計された波長帯域の光が反射される。例えば、フォトニック結晶層１４０’が緑色波長帯域の光ＬＧを反射するように、第１物質層１４１’、第２物質層１４２’の材質、厚さを設計した場合、白色光ＬＷが垂直入射された場合、緑色波長帯域の光ＬＧが反射されるが、白色光ＬＷが所定角度θで入射される場合、角度θによって青色波長帯域にシフトして緑色及び青色の混合色を表す光ＬＧＢ、または、青色波長帯域の光ＬＢが反射される。
【００４１】
一方、図１のようなフォトニック結晶構造体１００の場合、フォトニック結晶構造体１４０に入射された白色光ＬＷのうち、フォトニック結晶層１４０の設計波長帯域の光ＬＣが反射され、この時、ランダムな高さ分布を有するフォトニック結晶層１４０の表面１４０ａの傾斜角によって回折干渉効果が誘発される。すなわち、多様な高さで多様な角度で光が反射、回折及び散乱されるので、視野角度による色の変化が減少し、さらに広い視野角範囲で設計波長帯域の光ＬＣが認知される。
【００４２】
図３は、本発明の他の実施形態によるフォトニック結晶構造体１０１の概略的な構造を示す断面図である。本実施形態は、複数のナノ粒子１２１が半球形状を有する点で、図１の実施形態と相違する。複数のナノ粒子１２１は、それ以外にも、立方体、円錐形、円錐台型、多面体型などの多様な形状を有しうる。
【００４３】
図４Ａ及び図４Ｂは、複数のナノ粒子間の間隔形成の有／無によるフォトニック結晶層の表面傾斜角程度を比較するシミュレーション図である。
【００４４】
図面を参照すれば、ナノ粒子間の間隔が形成されていない場合のシミュレーション結果を示す図４Ａに比べて、ナノ粒子間の所定間隔が確保された場合のシミュレーション結果を示す図４Ｂの場合、フォトニック結晶層の表面の傾斜角がさらに大きく表示されることが分かる。シミュレーションは、便宜上、一定のサイズを有する半球形状のナノ粒子に対して行われたが、ランダムなサイズの他の形状を有するナノ粒子に対しても、類似した結果が予測できる。
【００４５】
図５は、複数のナノ粒子間の間隔及びフォトニック結晶層を構成する層数とフォトニック結晶層の表面の傾斜角との関係を示すシミュレーショングラフである。
【００４６】
フォトニック結晶層を構成する第１物質層、第２物質層の積層数は、反射効率が高まるほど多くなり、この時、積層数が多いほどフォトニック結晶層の表面は、平坦になる。すなわち、反射効率を考慮してフォトニック結晶層を構成する層数を増加させる場合、視野角は、相対的に小さくなる。但し、ナノ粒子間の適正な間隔を確保する場合、フォトニック結晶層の積層数の増加によるフォトニック結晶層の表面の傾斜角の低減を緩和させることができ、適正な視野角が確保できる。
【００４７】
図６Ａ〜図６Ｄは、本発明の一実施形態によるフォトニック結晶構造体の製造方法を説明する図面であり、図７は、フォトニック結晶層を形成する際のスパッタまたは真空蒸着機の使用及びフォトニック結晶層を構成する層数とフォトニック結晶層の表面の傾斜角との関係を示すシミュレーショングラフである。
【００４８】
本発明の一実施形態によるフォトニック結晶構造体の製造方法は、基板上に、複数のサイズを有する複数のナノ粒子を含み、前記ナノ粒子が離隔して配されたナノ構造物層を形成する工程と、前記ナノ構造物層上に、非平坦表面を有し、所定波長の光を反射するように設計されたフォトニック結晶層を形成する工程とを含む。
【００４９】
具体的な過程を例示的に説明すれば、次の通りである。すなわち、本発明の一実施形態において、前記ナノ構造物層を形成する工程は、前記基板上に複数のコア−シェル型粒子を形成する工程と、焼成処理により、前記コア−シェル型粒子のシェル物質をリフローして、前記コア−シェル型粒子のコア物質を露出させる工程と、前記リフローされたシェル物質をエッチングする工程と、を含む。
【００５０】
まず、図６Ａのように、基板２１０上に、複数のコア−シェル型粒子（Ｃｏｒｅ−Ｓｈｅｌｌ  ｔｙｐｅ  ｐａｒｔｉｃｌｅ：ＣＳ）を形成する。複数のコア−シェル型粒子ＣＳは、複数の異なるサイズを有し、好ましくはランダムなサイズを有する。より好ましくは、コア−シェル型粒子ＣＳのコアが複数の異なるサイズを有し、好ましくはランダムなサイズを有する。なお、ランダムなサイズを有する粒子（コア−シェル型粒子、コア部）を調製するには、例えば、篩分級により異なる粒度（サイズ）の粒子に分級した後に、分級された粒度の異なる粒子を適当な割合で配合して、ランダムな粒度分布とする方法等が挙げられる。
【００５１】
該コアーシェル型粒子ＣＳは、コア２２０とシェル２２７とが異なる物質で形成され、例えば、コア２２０は、無機物質で形成され、シェル２２７は、有機物質であって、例えば、熱によってリフローされる物質で形成されてもよい。コア２２０を構成する無機物質としては、例えば、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、チタニア（ＴｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、イットリア−ジルコニア（Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２）、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ）及び酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなる群から選択される少なくとも一つが挙げられる。これらは１種単独で用いても、２種以上を混合して用いてもよい。シェル２２７を構成する有機物質は特に制限されず、１種単独で用いても、２種以上を混合して用いてもよい。なお、本明細書において、「リフロー」とはシェル材料を加熱によって溶融し急冷処理することを意味する。複数のコア−シェル型粒子ＣＳは、単層膜構造で形成されてもよい。このような３次元ランダム構造は、例えば、複数のコア−シェル型粒子ＣＳが分散された懸濁液を塗布し、蒸発法によって単層膜の形態を形成することによって形成される。この時に形成される単層膜は、溶媒の蒸発によって発生する毛細管力によって自発的に形成されるが、主にＦＣＣ（面心立方格子）またはＨＣＰ（六方最密充填）構造となる。
【００５２】
次いで、図６Ｂのように、焼成処理により、コア−シェル型粒子ＣＳのシェル２２７を形成する物質（シェル物質）をリフローして、コア−シェル型粒子ＣＳのコア２２０を形成する物質（コア物質）を露出させて、シェル物質から構成されるリフロー層２２７’を形成する。
【００５３】
次いで、リフローされたシェル物質をエッチングする。具体的には、図６Ｃのように、リフロー層２２７’のコア２２０の間に存在する部分、すなわち、リフロー層２２７’のコア２２０の下部以外の部分をエッチングする。これにより、複数のコア２２０の間に間隔が形成される。
【００５４】
以上の工程により、ナノ構造物層が形成される。
【００５５】
次いで、ナノ構造物層上にフォトニック結晶層を形成する。具体的には、図６Ｄのように、リフロー層２２７’およびコア２２０からなるナノ構造物層上に、第１屈折率を有する第１物質層２４１と、前記第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２物質層２４２とを交互に積層してフォトニック結晶層２４０を形成する。すなわち、本発明の一実施形態において、フォトニック結晶層を形成する工程は、第１屈折率を有する第１物質層と、前記第１屈折率と異なる第２屈折率を有する第２物質層と、を交互に積層する工程を含む。第１物質層２４１、第２物質層２４２の材質、厚さ及び層数は、所望の反射波長帯域及び反射効率を考慮して定められる。例えば、第１物質層２４１及び第２物質層２４２は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＣａＦ２、ＬｉＦ、およびＭｇＦ２からなる群から選択される少なくとも一つを含んで形成されてもよい。これらは１種単独で用いても、２種以上を混合して用いてもよい。また、第１物質層１４１及び第２物質層１４２のうち一方は、絶縁性物質で形成され、他方は、金属物質で形成されてもよい。
【００５６】
第１物質層２４１と第２物質層２４２とは、スパッタまたは真空蒸着機を使用して形成しうる。好ましくは、第１物質層及び第２物質層を、スパッタを用いた蒸着処理で形成する。図７に示すように、スパッタを使用した場合、フォトニック結晶層２４０の表面の傾斜角が層数によって減少する程度が減る。また、フォトニック結晶層２４０の表面の傾斜角を可能な限り大きく維持できるように、平均自由行程を最大にし、基板２１０のターゲットとの距離を最小にする条件でスパッタによる蒸着処理を行いうる。平均自由行程は、基板２１０に向かうターゲット粒子の間に衝突が発生する前の飛行距離の平均を意味し、一般的に、スパッタ内の気圧が低くなるほど、平均自由行程は、大きくなる。ここで、最大、最小の意味は、スパッタ装備が提供する範囲内での最大、最小を意味する。例えば、平均自由行程は好ましくは約１０ｃｍ以上であって、基板とターゲットとの距離は好ましくは約１０ｃｍ以下でありうる。
【００５７】
このような工程によって、ランダムな高さの表面を有するフォトニック結晶層２４０を備えるフォトニック結晶構造体２００が製造される。
【００５８】
図８は、本発明の一実施形態による反射型カラーフィルタ３００の概略的な構造を示す断面図である。
【００５９】
反射型カラーフィルタ３００は、第１波長の光を選択的に反射させる第１カラーユニット３８１、第２波長の光を選択的に反射させる第２カラーユニット３８２、及び第３波長の光を選択的に反射させる第３カラーユニット３８３を備える。図面には、便宜上、一つの第１カラーユニット３８１、一つの第２カラーユニット３８２、及び一つの第３カラーユニット３８３が示されているが、反射型カラーフィルタ３００は、複数の第１カラーユニット３８１、複数の第２カラーユニット３８２、及び複数の第３カラーユニット３８３を備え、これらは、２次元アレイに交互に配列されている。
【００６０】
第１カラーユニット３８１、第２カラーユニット３８２及び第３カラーユニット３８３には、前述した構造のフォトニック結晶構造体１００，１０１，２００が採用されてもよい。すなわち、第１カラーユニット３８１、第２カラーユニット３８２及び第３カラーユニット３８３は、基板３１０と、複数のサイズを有する複数の離隔して配されたナノ粒子３２０を含むナノ構造物層と、ナノ構造物層（複数のナノ粒子３２０）の上に、非平坦表面を有し、それぞれ第１波長、第２波長、第３波長の光を反射するように設計されたフォトニック結晶層３４０，３５０，３６０とを備えるフォトニック結晶構造体（第１フォトニック結晶構造体、第２フォトニック結晶構造体、第３フォトニック結晶構造体）を含む。例えば、フォトニック結晶層３４０は、第１波長の光を反射するように、厚さがそれぞれｄ１、ｄ２に設計された第１物質層３４１、第２物質層３４２を備え、フォトニック結晶層３５０は、第２波長の光を反射するように、厚さがそれぞれｄ３、ｄ４に設計された第１物質層３５１、第２物質層３５２を備え、フォトニック結晶層３６０は、第３波長の光を反射するように、厚さがそれぞれｄ５、ｄ６に設計された第１物質層３６１、第２物質層３６２を備える。第１波長の光、第２波長の光、第３波長の光は、例えば、それぞれ赤色光、緑色光、青色光であってもよい。
【００６１】
図９は、本発明の一実施形態によるディスプレイ装置４００の概略的な構造を示す断面図である。図９に示すように、ディスプレイ装置４００は、上述した形態の反射型カラーフィルタと、前記複数の第１カラーユニット、前記複数の第２カラーユニット、前記複数の第３カラーユニットにそれぞれ対応する領域を有し、各領域に入射した光を画像情報によって変調するディスプレイパネルと、を備える。
【００６２】
図面を参照すれば、ディスプレイ装置４００は、例えば、図８と同じ構造の第１カラーユニット３８１、第２カラーユニット３８２、および第３カラーユニット３８３が備えられた反射型カラーフィルタ３００と、第１カラーユニット３８１、第２カラーユニット３８２、第３カラーユニット３８３にそれぞれ対応する領域を有し、各領域に入射された光を画像情報によって変調するディスプレイパネル４５０と、を備える。
【００６３】
ディスプレイパネル４５０は、入射光をオン／オフ制御または透過率を調節する光シャッターの機能を行える多様な構造が採用され、例えば、液晶表示素子（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｄｅｖｉｃｅ）、電気泳動表示素子（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｄｅｖｉｃｅ）、電気湿潤表示素子（Ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｄｅｖｉｃｅ）または電気変色表示素子（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｒｏｍｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｄｅｖｉｃｅ）を含む。
【００６４】
ディスプレイ装置４００は、反射型カラーフィルタ３００から反射されない波長帯域の光、すなわち、反射型カラーフィルタ３００を通過（透過）した光を吸収する吸収部４１０をさらに備えうる。吸収部４１を構成する材料としては特に制限されない。
【００６５】
本実施形態において、反射型カラーフィルタ３００に入射される白色光ＬＷは、第１カラーユニット３８１、第２カラーユニット３８２、第３カラーユニット３８３によって、それぞれ、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢとして反射される。反射された赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢは、ディスプレイパネル４５０の各領域で画像情報によって変調されて画像を形成する。
【００６６】
以上、本発明を、理解を助けるために図面に示された実施形態を参照して説明したが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが分かるであろう。したがって、本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲によって決定されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、ディスプレイ関連の技術分野に好適に適用可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１００、１０１、２００  フォトニック結晶構造体、
１００’  一次元フォトニック結晶構造体、
１１０、１１０’、２１０、３１０  基板、
１２０、１２１、３２０  ナノ粒子、
１４０、１４０’、２４０  フォトニック結晶層、
１４０ａ  非平坦表面、
１４１、１４１’、２４１、３４１、３５１、３６１  第１物質層、
１４２、１４２’、２４２、３４２、３５２、３６２  第２物質層、
２２０  コア、
２２７  シェル、
２２７’  リフロー層、
３００  反射型カラーフィルタ、
３８１  第１カラーユニット、
３８２  第２カラーユニット、
３８３  第３カラーユニット、
４００  ディスプレイ装置、
４１０  吸収部、
４５０  ディスプレイパネル、
ＬＷ  白色光、
ＬＣ  設計波長帯域の光
ＬＧＢ  緑色及び青色の混合色の光、
ＬＢ  青色光、
θ  入射角、
ＣＳ  コア−シェル型粒子、
ｄ１、ｄ３、ｄ５  第１物質層の厚さ、
ｄ２、ｄ４、ｄ６  第２物質層の厚さ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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