(57)【要約】      （修正有）【課題】広い視野角で安定した構造色を発するカラーフィルタを提供する。【解決手段】カラーフィルタは、異なる波長の光を選択的に反射する複数のドーム型フォトニックコロイド結晶と、前記ドーム型フォトニックコロイド結晶をつなぐコロイド結晶チャネルとを有し、ドーム型フォトニックコロイド結晶は、第１の粒径のコロイド粒子で形成される第１のフォトニックコロイド結晶と、第２の粒径のコロイド粒子で形成される第２のフォトニックコロイド結晶と、第３の粒径のコロイド粒子で形成される第３のフォトニックコロイド結晶を含み、前記コロイド結晶チャネルは、同じ粒径のコロイド粒子で形成されるフォトニックコロイド結晶間を接続する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる波長の光を選択的に反射する複数のドーム型フォトニックコロイド結晶と、
前記ドーム型フォトニックコロイド結晶をつなぐコロイド結晶チャネルと、
を有するカラーフィルタ。
【請求項２】
前記ドーム型フォトニックコロイド結晶は、第１の粒径のコロイド粒子で形成される第１のフォトニックコロイド結晶と、第２の粒径のコロイド粒子で形成される第２のフォトニックコロイド結晶と、第３の粒径のコロイド粒子で形成される第３のフォトニックコロイド結晶を含み、
前記コロイド結晶チャネルは、同じ粒径のコロイド粒子で形成されるフォトニックコロイド結晶間を接続することを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタ。
【請求項３】
前記コロイド結晶チャネルの高さは、前記ドーム型フォトニックコロイド結晶の高さよりも低いことを特徴とする請求項１または２に記載のカラーフィルタ。
【請求項４】
前記コロイド結晶チャネルは、半円筒形であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のカラーフィルタ。
【請求項５】
前記ドーム型フォトニックコロイド結晶の底面と前記コロイド結晶チャネルの底面は同一面内にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のカラーフィルタ。
【請求項６】
前記コロイド結晶チャネルは、前記ドーム型フォトニックコロイド結晶の底面または側面から延びることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のカラーフィルタ。
【請求項７】
前記ドーム型フォトニックコロイド結晶と前記コロイド結晶チャネルを内部に保持する透明基板、
をさらに有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のカラーフィルタ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のカラーフィルタと、
前記カラーフィルタを搭載する白黒表示装置と、
を有することを特徴とする表示装置。
【請求項９】
前記ドーム型フォトニックコロイド結晶は、前記白黒表示装置で黒色表示されている領域で発色し、白色表示されている領域で発色が抑制されることを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
【請求項１０】
硬化性樹脂を所定の形状にパターニングし、
前記パターニングされた樹脂をリフローして、断面が半球形のモールドパターンを形成し、
前記モールドパターンを樹脂基板に転写して、内部に空間を有する透明基板を作製し、
前記空間内に所定の粒径のコロイド粒子を含む懸濁液を注入して結晶化させる、
ことを特徴とするカラーフィルタの作製方法。
【請求項１１】
前記透明基板の第１空間に、第１の粒径のコロイド粒子を含む第１の懸濁液を注入して結晶化させ、
前記第１の懸濁液の結晶化の後に、前記透明基板の第２空間に第２の粒径のコロイド粒子を含む第２の懸濁液を注入して結晶化させることを特徴とする請求項１０に記載のカラーフィルタの作製方法。
【請求項１２】
樹脂シートに形成された複数のマイクロチャネルと、
前記複数のマイクロチャネルに充填される異なる種類のポリマーゲルと、
を有し、
各ポリマーゲルはポリマー内にフォトニックコロイド粒子の規則的な配列を含み、前記異なる種類のポリマーゲルは、前記フォトニックコロイド粒子の粒径と、ポリマーの種類の少なくとも一方が異なることを特徴とする光学フィルタ。
【請求項１３】
各マイクロチャネルは、複数の円形部と、前記複数の円形部をつなぐ連結部とを有することを特徴とする請求項１２に記載の光学フィルタ。
【請求項１４】
前記フォトニックコロイド粒子は、電気二重層の厚さに基づく間隔で前記ポリマー内で規則的に配列していることを特徴とする請求項１２または１３に記載の光学フィルタ。
【請求項１５】
刺激応答性のポリマーゲルが充填されたマイクロチャネルを有する光学フィルタ、
を有し、
前記ポリマーゲルは、フォトニックコロイド粒子の規則的な配列を有し、
前記フォトニックコロイド粒子の配列間隔が外部からの刺激により変化し、
前記光学フィルタは外部からの刺激により異なる構造色を発色する
ことを特徴とするセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニックコロイド結晶を利用したカラーフィルタとその作製技術、及びセンサへの応用に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノサイズ領域の大きさを有する粒子はコロイド粒子と呼ばれる。光の波長と同程度の粒径を有するコロイド粒子が周期的に配列したコロイド結晶は、ブラッグ（Bragg）回折により特定の波長の光を反射する。反射した光の波長が可視光領域にあるとき、結晶は色を呈する。この発色した色は構造色と呼ばれ、反射効率が高いことなどから色材としての応用が期待されている。その中の一つとして、反射型ディスプレイのためのカラーフィルタへの応用が挙げられる。
【０００３】
反射型ディスプレイに向けたカラーフィルタとしてコロイド結晶を利用するためには、三原色であるＲＧＢの発色を画素サイズにパターニングすることが必要である。しかし、フォトニックコロイド結晶の平坦な薄膜をパターニングする場合、周期構造の回折作用により、見る角度によって異なる構造色が発現する。
【０００４】
半球状のコロイド結晶のパターンを形成する方法として、粘性の高いコロイド懸濁液をインクジェット方式で滴下する手法が報告されている（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００５】
また、テンプレートにコロイド液を滴下し、乾燥によりコロイド粒子を自己組織化させることでコロイド結晶ビーズを作製する方法が提案されている（たとえば、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】S-H Kim, et al., "Patterned Colloidal Photonic Domes and Balls Derived from Viscous Photocurable Suspensions," Adv. Mater., Vol. 20, pp. 3211-3217, 2008
【非特許文献２】H. Gu, et al., "Tailoring Colloidal Photonic Crystals with Wide Viewing Angles," Small, vol. 9, No. 13, pp. 2266-2271, 2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
フォトニックコロイド結晶をカラーフィルタに適応する場合、柔軟性のない平坦なフォトニックコロイド結晶の薄膜では、見る角度によって構造色が異なるという問題がある。インクジェット方式による半球状のコロイド結晶のパターニングは、高さ制御が困難である。コロイド結晶のサイズやパターン形状やサイズは、基板の表面状態や乾燥速度に依存するため、基板の表面処理、正確な濡れ性の操作、複雑な溶媒の調整などが必要になる。コロイド結晶ビーズを作製する方法では、乾燥によりビーズ内部にボイドが発生し、ビーズ形成後にプレゲル剤でボイドを充填する必要がある。
【０００８】
一方、フォトニックコロイド結晶の特性を利用して、カラーフィルタ以外の分野への適用が望まれる。
【０００９】
そこで、広い視野角で安定した構造色を発色することのできるカラーフィルタの提供を課題とする。また、フォトニック結晶ポリマーとそのセンサへの応用例を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の一つの側面では、カラーフィルタは、
異なる波長の光を選択的に反射する複数のドーム型フォトニックコロイド結晶と、
前記ドーム型フォトニックコロイド結晶をつなぐコロイド結晶チャネルと、
を有する。
【００１１】
より具体的な構成例として、前記ドーム型フォトニックコロイド結晶は、第１の粒径のコロイド粒子で形成される第１のフォトニックコロイド結晶と、第２の粒径のコロイド粒子で形成される第２のフォトニックコロイド結晶と、第３の粒径のコロイド粒子で形成される第３のフォトニックコロイド結晶を含み、
前記コロイド結晶チャネルは、同じ粒径のコロイド粒子で形成されるフォトニックコロイド結晶間を接続する。
【００１２】
本発明の別の側面では、カラーフィルタの作製方法を提供する。このカラーフィルタの作製方法は、
硬化性樹脂を所定の形状にパターニングし、
前記パターニングされた樹脂をリフローして、断面が半球形のモールドパターンを形成し、
前記モールドパターンを樹脂基板に転写して、内部に空間を有する透明基板を作製し、
前記空間内に所定の粒径のコロイド粒子を含む懸濁液を注入して結晶化させる、
工程を含む。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、フォトニック結晶ポリマーを用いた光学フィルタとその応用を提供する。光学フィルタは、
樹脂シートに形成された複数のマイクロチャネルと、
前記複数のマイクロチャネルに充填される異なる種類のポリマーゲルと、
を有し、
各ポリマーゲルはポリマー内にフォトニックコロイド結晶の規則的な配列を含み、前記異なる種類のポリマーゲルは、前記フォトニックコロイド粒子の粒径と、ポリマーの種類の少なくとも一方が異なる。
【発明の効果】
【００１４】
上記の構成と手法により、広い視野角で安定した構造色を発色することのできるカラーフィルタが実現する。また、簡単な手法で半球状のフォトニックコロイド結晶をパターニングすることができる。さらに、フォトニックコロイド結晶の応用範囲を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態のカラーフィルタの基本概念を説明する図である。
【図２】第１実施形態のカラーフィルタを用いた表示装置の概略図である。
【図３】予備実験におけるシリンダ型フォトニックコロイド結晶と、直方体フォトニックコロイド結晶の比較測定を説明する図である。
【図４】図３の測定結果を示す図である。
【図５】第１実施形態のマイクロチャネルの構成例を示す図である。
【図６】マイクロチャネルの作製手順を示す図である。
【図７】マイクロチャネルとカラーフィルタの作製手順を示す図である。
【図８】マイクロチャネルへのコロイド懸濁液の注入と結晶化を説明する図である。
【図９】マイクロチャネルへのコロイド懸濁液の注入と結晶化を説明する図である。
【図１０】作製したマイクロチャネルの顕微画像である。
【図１１】作製した転写基板４５の深さ方向のプロファイルを示す。
【図１２】作製したＰＣＣドームの顕微画像である。
【図１３】マイクロチャネルに形成されたＰＣＣドームと、ＰＣＣドーム１０を構成するコロイド粒子のＳＥＭ写真である。
【図１４】実験に用いたコロイド粒子の特性を示す図である。
【図１５】青色波長に対応するＰＣＣドームの異なる角度での反射スペクトルである。
【図１６】緑色波長に対応するＰＣＣドームの異なる角度での反射スペクトルである。
【図１７】赤色波長に対応するＰＣＣドームの異なる角度での反射スペクトルである。
【図１８】下地基板の色に応じた反射特性を説明する図である。
【図１９】下地基板の色に応じた反射特性の測定を説明する図である。
【図２０】下地基板が黒色基板の場合と白色基板の場合の発色状態の違いを示す顕微画像である。
【図２１】第２実施形態のフォトニックコロイド結晶を含むハイドロゲルの作製を示す模式図である。
【図２２】コロイド懸濁液のポリマー化に適した処理及び構成を決定するための実験結果を示す図である。
【図２３】第２実施形態のハイドロゲルのためのマイクロチャネルを説明する図である。
【図２４】第２実施形態のマイクロチャネルの作製工程を示す図である。
【図２５】第２実施形態のハイドロゲルを適用した光学フィルタの模式図である。
【図２６】第２実施形態で作製したマイクロチャネルの顕微画像である。
【図２７】第２実施形態の光学フィルタの反射スペクトルを示す図である。
【図２８】第２実施形態の光学フィルタの下地基板として黒色基板を用いたときと白色基板を用いたときの反射スペクトルを示す図である。
【図２９】第２実施形態のハイドロゲルのセンサへの適用を説明する図である。
【図３０】第２実施形態の光学フィルタを用いたセンサの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下で、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の基本概念を説明する図である。図１（ａ）は第１実施形態のドーム型のフォトニックコロイド結晶（ＰＣＣ：Photonic Colloidal Crystal）を示す。第１実施形態では、ドーム型のフォトニックコロイド結晶を「ＰＣＣドーム」と称する。図１（ｂ）に、比較として、コロイド粒子１１１が平坦に並ぶＰＣＣフィルムを示す。
【００１７】
ＰＣＣフィルムの場合、コロイド粒子１１１の２次元的な周期配列が、その周期と同程度の波長の光をブラッグ反射する。柔軟性のない膜構成の場合、入射光Ｌinの角度に応じてコロイド粒子１１１の周期配列で反射される波長が変わり、異なる構造色が発色する。また、垂直入射を除いて回折光は入射方向と異なる方向に反射される。そのため、観察者の視点がＰＣＣフィルムに対する垂直位置からずれる場合に、波長選択された反射光Ｌrefの光強度が著しく低下する。
【００１８】
これに対し、第１実施形態のＰＣＣドームは半球面を有する。光はどの角度からもＰＣＣドームの外接面に対してほぼ垂直に入射し、波長選択された光が入射方向と同じ方向に反射する。視点の位置に依らずに光の入射角はほぼ一定となるので、破線Ａで示すように広い視野角にわたって均一な構造色を発色する。また、入射光Ｌinの方向と反射光Ｌrefの方向がほぼ等しいので、広い視野角で十分な光強度を得ることができる。
【００１９】
図２は、第１実施形態のＰＣＣドームを適用したカラーフィルタ５０を有する表示装置１００の概略図である。カラーフィルタ５０は、透明基板４０の内部に３色の波長に対応するＰＣＣドーム１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂを有する。これら複数種類のＰＣＣドームを合わせて、適宜「ＰＣＣドーム１０」と総称する。
【００２０】
ＰＣＣドーム１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂは、それぞれ異なる粒径のコロイド粒子をドーム型または半球状に結晶化したものである。コロイド粒子としては、シリカコロイド、ポリスチレンコロイドなど、適切な材料を用いることができる。ＰＣＣドーム１０Ｒの結晶周期は、赤（Ｒ）の波長に対応する。ＰＣＣドーム１０Ｇの結晶周期は、緑（Ｇ）の波長に対応する。ＰＣＣドーム１０Ｂの結晶周期は、青（Ｒ）の波長に対応する。ＰＣＣドーム１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの３つ一組で、表示装置１００の１つの画素を形成するが、カラーフィルタ５０では、便宜上、ＰＣＣドーム１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂのそれぞれを「画素」と称する。
【００２１】
同じ波長に対応するＰＣＣドーム１０は、同じ粒径のコロイド粒子で形成されるコロイド結晶チャネル１２で接続されている。具体的には、複数のＰＣＣドーム１０Ｒが同じ種類のコロイド結晶チャネル１２Ｒで接続されて、画素列１５Ｒを形成する。複数のＰＣＣドーム１０Ｇが同じ種類のコロイド結晶チャネル１２Ｇで接続されて、画素列１５Ｇを形成する。複数のＰＣＣドーム１０Ｂが同じ種類のコロイド結晶チャネル１２Ｂで接続されて、画素列１５Ｂを形成する。表示装置１００の画素内では、ＰＣＣドーム１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂのみならず、コロイド結晶チャネル１２Ｒ，１２Ｇ、１２Ｂも構造色の発色に寄与するので、インクジェット方式のＲＧＢパターンと比較して、発色強度あるいは明度を向上することができる。
【００２２】
図２の例では、コロイド結晶チャネル１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは、それぞれＰＣＣドーム１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの側壁から延びる半円筒形の形状をしているが、同じ波長に対応するＰＣＣドーム１０をつなぐことができれば、任意の形状をとることができる。たとえば、同じ波長に対応するＰＣＣドーム１０同士をその底面を介して接続するＵ字型のチャネルや平坦なチャネル構成としてもよい。
【００２３】
カラーフィルタ５０では、上記の３色に対応する画素列１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂが、繰り返し配置されている。また、隣接する画素列１５の間では、ＰＣＣドーム１０ＲとＰＣＣドーム１０Ｇ、ＰＣＣドーム１０ＧとＰＣＣドーム１０Ｂが互い違いに配置されて、配置密度を高めている。
【００２４】
カラーフィルタ５０のＰＣＣドーム１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｇは入射光に対して半球面を有するので、広い視野角で安定した構造色を発色する。このようなカラーフィルタ５０の作製方法については後述する。
【００２５】
表示装置１００は、ベース基板１１０に搭載された反射型の白黒表示装置１２０上を有する。カラーフィルタ５０が白黒表示装置１２０上に重ねられて、表示画像はカラー化される。白黒表示装置１２０は、黒色領域１２１と白色領域１２２を有する。後述するように、黒色領域に対応する位置に配置されているＰＣＣドーム１０は発色するが、白色領域に対応する位置に配置されているＰＣＣドーム１０は発色が抑制される。
＜実証実験＞
以下で、ＰＣＣドーム１０は視野角依存性が少なく安定した構造色を呈することを示す実証実験を説明する。
（１）予備実験について
まず、ＰＣＣドームとＰＣＣフィルムのそれぞれの視野角依存性を確認するために、予備実験を行う。予備実験では、図３（ａ）に示すように、シリンダ型のフォトニックコロイド結晶（ＰＣＣ）２１と、直方体のフォトニックコロイド結晶（ＰＣＣ）２２を作製する。図３（ｂ）に示すように、シリンダ型のＰＣＣ２１と直法体のＰＣＣ２２の各々に対して、長手方向の中心軸に対して垂直な面内で角度θを変えて、異なる角度で分光強度を測定する。
【００２６】
ＰＣＣ２１とＰＣＣ２２は、次のようにして作製する。粒径２６０ｎｍのポリスチレン粒子（ショットモリテックス社製、５０２６Ａ）のコロイド懸濁液を、シリンダ型のガラス管と矩形プリズム型のガラス管に充填し、ゆっくりと溶媒（水）を蒸発させて、ガラス管内で結晶化させる。
【００２７】
シリンダ型のＰＣＣ２１と直方体のＰＣＣ２２のそれぞれについて、角度θを９０°、６０°、４５°と変化させ、スペクトロメータ（オーシャンオプティックス社製、ＵＳＢ２０００＋）で反射スペクトルを測定する。ここでの角度θは、ＰＣＣの配置面と平行かつＰＣＣの中心軸を含む面と入射光が成す角度である。面内では測定角はθ＝０°、法線位置での測定角はθ＝９０°である。
【００２８】
図４（ａ）はシリンダ型のＰＣＣ２１の反射スペクトルを、図４（ｂ）は直方体のＰＣＣ２２の反射スペクトルを示す。垂直断面でのシリンダ型のＰＣＣ２１からの反射スペクトルは、ＰＣＣドームからの反射スペクトルと等価と考えることができる。直方体のＰＣＣ２２からの反射スペクトルは、ＰＣＣフィルムからの反射スペクトルと等価と考えることができる。
【００２９】
シリンダ型ＰＣＣ２１の反射スペクトルのピーク波長は、測定角θの変化にもかかわらず、ほぼ同じ値を示す。これに対し、直法体ＰＣＣ２２の反射スペクトルでは、測定角θの変化に応じてピーク波長がシフトする。これらの結果から、半球面を有するＰＣＣドームは広い視野角を有することが確認された。
（２）ＰＣＣドーム及びカラーフィルタの作製
次に、本実験のために、ＰＣＣドーム１０を有するカラーフィルタ５０を作製する。
【００３０】
図５は、カラーフィルタ５０を作製するためのマイクロチャネル１０１を示す。図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の領域Ｂの拡大上面図、図５（ｃ）は図５（ａ）の領域Ｃの拡大斜視図である。第１実施形態では、マイクロチャネル１０１の中に所定の粒径のコロイド粒子の懸濁液を注入して溶媒を蒸発させることで、ＰＣＣドーム１０とコロイド結晶チャネル１２を含む画素列１５を形成する。
【００３１】
マイクロチャネル１０１は、半球状のドーム空間１０２と、ドーム空間１０２の側面から延びる半円筒形のチャネル空間１０３と、コロイド懸濁液を収容するリザーバ１１７を有する。リザーバ１１７には、コロイド懸濁液を注入するための注入口１１８が形成されている。また、リザーバ１１７の平面積はドーム空間１０２と比較して大きいため、リザーバ１１７内にリザーバ１１７の上面を支える支柱（ポスト）１１９が形成されている。
【００３２】
リザーバ１１７から、複数のチャネルセット１０５が延びている。１つのチャネルセット１０５は、長さの異なる複数のチャネル列１０５ａ、１０５ｂを含む。各チャネル列１０５ａ、１０５ｂが、複数のドーム空間１０２と、これらを接続する半円筒形のチャネル空間１０３を含む。図５（ａ）の例では、図示の便宜上、長さの異なる２つのチャネル列１０５ａと１０５ｂが描かれているが、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する３つのチャネル列で１つのチャネルセット１０５としてもよい。
【００３３】
ドーム空間１０２の高さをｈ１、底面の半径をＲ、半円筒形のチャネル空間１０３の高さをｈ２、幅をＷとすると、ｈ１＞ｈ２、２Ｒ＞Ｗである。マイクロチャネル１０１を構成するドーム空間１０２と半円筒形のチャネル空間１０３のサイズは、目的とするＰＣＣドームのサイズ、適用する表示装置の画素サイズなどに応じて、適宜選択される。
【実施例１】
【００３４】
第１の実施例として、ドーム空間１０２の高さｈ１を３５μｍ、底面の半径Ｒを７５μｍ、半円筒形のチャネル空間１０３の高さｈ２を２５μｍ、幅Ｗを５０μｍとするマイクロチャネル１０１−１を作製する。
【実施例２】
【００３５】
第２の実施例として、ドーム空間１０２の高さｈ１を７０μｍ、底面の半径Ｒを１５０μｍ、半円筒形のチャネル空間１０３の高さｈ２を５０μｍ、幅Ｗを１００μｍとするマイクロチャネル１０１−２を作製する。
【００３６】
図６及び図７は、マイクロチャネル１０１の作製手順を示す。実施例１と実施例２で、各空間のサイズが異なることを除いて、同じ作製手順が採用される。
【００３７】
図６（ａ）で、ガラス基板４１上にフォトレジストを塗布し、露光、現像により、マイクロチャネル１０１の平面形状にパターニングされたレジストパターン４２を形成する。レジストパターン４２の平面形状は、図５（ａ）のマイクロチャネル１０１の平面形状とほぼ同様であるが、パターン表面は平坦である。図中、幅広のパターンはドーム空間１０２の形成に用いられ、幅の狭いパターンはチャネル空間１０３の形成に用いられる。
【００３８】
図６（ｂ）で、レジストパターン４２を、リフローする。実施例１，２では、東京応化工業社製のＯＦＰＲ８００と、ＡＺエレクトリックマテリアル社製のＡＺＰ４６２０をこの順で積層してレジストパターン４２を形成しており、１２０℃、４分の条件でリフローする。
【００３９】
リフローにより、レジストパターン４２のうちチャネル列１０５ａ、１０５ｂに対応する部分の断面形状は半円形となる。他方、リザーバ１１７に対応する部分のレジストパターン４２は、リフローにより輪郭が丸みを帯びるが、チャネル列１０５ａ、１０５ｂと比較して平面積が広いため、大部分において平坦な断面形状を維持している。
【００４０】
図６（ｃ）で、リフロー後のパターンをモールドパターン４３として用い、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの硬化性の透明樹脂材料にモールドパターン４３を転写する。透明樹脂材料の種類に応じて、転写後に紫外線を照射する、室温に所定時間おくなどして、透明樹脂材料を硬化する。これにより、マイクロチャネル１０１のパターンを有する転写基板４５が作製される。
【００４１】
図７（ａ）で、転写基板４５の転写面と、透明樹脂シート（たとえばＰＤＭＳシート）４６の表面に、大気圧でプラズマ照射を行い、表面を改質する。
【００４２】
図７（ｂ）で、転写基板４５とＰＤＭＳシート４６をボンディングして透明基板４０を形成する。透明基板４０の内部には、マイクロチャネル１０１に対応する空間４７が形成されている。
【００４３】
図７（ｃ）のように、マイクロチャネル１０１の空間４７内に、所定の粒径のコロイド粒子を含むコロイド懸濁液を注入し、結晶化することで、異なる波長に対応するフォトニックコロイド結晶５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂを有するカラーフィルタ５０が作製される。図７（Ｃ）で、径の大きいフォトニックコロイド結晶５１は図２のＰＣＣドーム１０に対応し、径の小さいフォトニックコロイド結晶５１は、ＰＣＣドーム間を接続するコロイド結晶チャネル１２に対応する。
【００４４】
なお、ＰＣＣドーム１０間をその底面で接続するコロイド結晶チャネル１２を作製する場合は、ＰＤＭＳシート４６側にあらかじめコロイド結晶チャネル１２に対応するくぼみを形成しておき、転写基板４５とＰＤＭＳシート４６をボンディングして、内部の空間４７にコロイド懸濁液を注入してもよい。
【００４５】
カラーフィルタ５０を作製するためには、異なる粒径のコロイド懸濁液をマイクロチャネル１０１に注入する必要がある。そこで、図８及び図９を参照して、コロイド懸濁液の注入方法を説明する。
【００４６】
図８（ａ）で、短い方のチャネル列１０５ｂの端部を閉じ、長い方のチャネル列１０５ａの端部を開放する。この状態で、リザーバ１１７内に第１のコロイド懸濁液３１を注入する。チャネル列１０５ｂは端部は閉じられているため、第１のコロイド懸濁液３１はチャネル列１０５ａに流れ込む。
【００４７】
図８（ｂ）は、図８（ａ）の顕微画像である。端部が開放されたチャネル列１０５ａにはコロイド懸濁液が流れ込んでいるが、端部が閉鎖されたチャネル列１０５ｂは空気層となっている。
【００４８】
図８（ｃ）で、チャネル列１０５ａ内の第１のコロイド懸濁液３１を結晶化する。たとえばスピンコータを用いて、１０００〜１２００ｒｐｍで２〜３時間回転させることで結晶化が行われる。回転により、チャネル列１０５ａの端部の開口部から溶媒が蒸発して結晶化が進行する。回転速度が速すぎると、チャネル列１０５ａの開放端から懸濁液がオーバーフローする。回転速度が遅すぎるとチャネル列１０５ａの内部にボイドが発生する。そこで、コロイド懸濁液が解放端からオーバーフローせず、かつ内部にボイドが発生しない回転速度を選択する。回転速度と回転時間はコロイド懸濁液の密度や粘度にも依存し、用いる液に応じて適切な回転速度と時間を選択する。
【００４９】
実施例２のマイクロチャネル１０１−２を用いる場合は、１１００ｒｐｍで３時間回転して結晶化させる。また、常温で１０分間乾燥させて一部結晶化させた後に、スピンコータで回転してもよい。実施例１のマイクロチャネル１０１−１を用いる場合は、１１５０〜１２００ｒｐｍで回転して、回転時間を短縮してもよい。この方法により、ボイドが抑制されたコロイド結晶を形成することができる。
【００５０】
第１のコロイド懸濁液３１は、平均粒径が２６０ｎｍのポリスチレン粒子を含み、結晶化された第１のコロイド結晶３２は、赤色を呈する。その後、破線のカット位置で透明基板４０の端部を切断する。
【００５１】
次に、図９（ａ）で、切断により開放されたチャネル列１０５ｂの端部から、リザーバ１１７内に残っている液３１を吸引して除去する。
【００５２】
図９（ｂ）で、リザーバ１１７内に、第２のコロイド懸濁液３３を注入する。第２のコロイド懸濁液３３は、端部が開放されたチャネル列１０５ｂに流れ込む。図８（ｃ）と同様に、スピンコータで回転して、チャネル列１０５ｂの内部の第２のコロイド懸濁液を結晶化させる。第２のコロイド懸濁液は、平均粒径１７０ｎｍのポリスチレンコロイド粒子を含み、結晶化された第２のコロイド結晶３４は、青色を呈する。
【００５３】
その後、破線のカット位置でリザーバ１１７が形成されている領域の透明基板４０を切断して、結晶化されたチャネル列だけを残す。切断後の透明基板４０は、１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の大きさである。
【００５４】
図９（ｃ）は、図９（ｂ）の顕微画像である。結晶化された画素列１５Ｒと１５Ｂが観察される。画素列１５Ｒは、ＰＣＣドーム１０Ｒと、ＰＣＣドーム１０Ｒを接続するコロイド結晶チャネル１２Ｒを含む。画素列１５Ｂは、複数のＰＣＣドーム１０Ｂと、これらを接続するコロイド結晶チャネル１２Ｂを含む。隣接する画素列１５Ｒと１５Ｂでは、ＰＣＣドーム１０ＲとＰＣＣドーム１０Ｂが互い違いの位置に配置され、配置密度を高めている。
【００５５】
ＲＧＢの３色の画素列を形成する場合は、長さの異なる３つのチャネル系列でチャネルセット１０５を構成して、図８及び図９の工程を繰り返せばよい。この場合も、異なる波長に対応する３つのＰＣＣドームを、互い違いに近接して配置するのが望ましい。
（３）本実験について
図１０は、実際に作製した実施例１のマイクロチャネル１０１−１の顕微画像を示す。図１０（ａ）はリフローにより作製されたモールドの表面パターン（図６（ｂ）に対応）、図１０（ｂ）はモールドパターンをＰＤＭＳへ転写させた転写パターン（図６（ｃ）に対応）、図１０（ｃ）は、画像（ｂ）の拡大顕微写真である。
【００５６】
図１１は、実際に作製した転写基板４５の深さ方向のプロファイルを示す。図１１（ａ）は、図１０（ｃ）のＸ−Ｘ'ラインで切断した深さ方向のプロファイルである。横軸はＸ−Ｘ'ラインに沿った距離（μｍ）、縦軸は深さ（μｍ）である。図の左側のプロファイルが、半円筒形のチャネル空間１０３に対応し、右側のプロファイルの窪みがドーム空間１０２に対応する。
【００５７】
実施例１のマイクロチャネル１０１のドーム空間１０２の底面半径Ｒの設計サイズは７５μｍ、半円筒形のチャネル空間１０３の幅Ｗは５０μｍである。実際に作製されたマイクロチャネルのドーム空間１０２の底面半径Ｒは７２μｍ、半円筒形のチャネル空間１０３の幅Ｗは４７μｍであり、ほぼ設計通りのマイクロチャネル１０１が形成されている。
【００５８】
図１１（ｂ）は、実施例２のマイクロチャネル１０１−２の深さ方向のプロファイルである。図１１（ｂ）では、リフロー、転写、注入の過程で生じるわずかなサイズの低減をあらかじめ考慮して、設計サイズよりも数μｍ大きいマイクロチャネルを形成している。
【００５９】
図１０及び図１１から、硬化性樹脂のパターニング、リフロー、及び転写という簡単な工程で、マイクロチャネル１０１が精密に形成されることがわかる。
（４）分析と評価
図１２は、実際に作製した実施例２のＰＣＣドーム１０の顕微画像である。ＰＣＣドーム１０が形成された透明基板４０の基板表面に対する顕微鏡の光学軸の角度を９０°、６０°、４５°と変えて、異なる視野角で撮像した。
【００６０】
見る角度によって画像の輝度は変わるが、構造色（反射波長）にほとんど変化がないことがわかる。このように、第１実施形態のＰＣＣドーム１０は、広い視野角で安定した構造色を呈することが実証された。
【００６１】
図１３は、実施例２のマイクロチャネルに形成されたＰＣＣドーム１０と、ＰＣＣドーム１０を構成するコロイド粒子のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）写真である。図１３（ａ）では、転写基板４５とＰＤＭＳシート４６の間のドーム空間内に、フォトニックコロイド結晶（ＰＣＣ）が充填されている。ドーム空間はＰＣＣで完全に埋め込まれ、ボイドのない半球状のＰＣＣが形成されている。
【００６２】
図１３（ｂ）は、ＰＣＣの粒子配列を示す。ポリスチレンコロイド粒子が、面心立方格子（face-centered cubic; fcc）あるいは六方細密充填（hexagonal clos-packed; hcp）で細密配置されている様子が観察される。
【００６３】
図１４は、実験に用いたコロイド粒子の特性を示す図である。左側のカラムから順に、コロイド粒子の平均粒径、計算による反射波長、測定された反射波長、発色を示す。
【００６４】
平均粒径が１７０ｎｍのコロイド粒子の計算波長は４２１ｎｍ、測定波長は４２５ｎｍで青色（Ｂ）を発色する。
【００６５】
平均粒径が２６０ｎｍのコロイド粒子の計算波長は６１９ｎｍ、測定波長は６１０ｎｍで赤色（Ｒ）を発色する。
【００６６】
平均粒径が２２０ｎｍのコロイド粒子の計算波長は５２４ｎｍ、測定波長は５２５ｎｍで緑色（Ｇ）を発色する。
【００６７】
計算による反射波長λは、式（１）で求められる。
【００６８】
ｍλ＝２ｄｎeffｓｉｎθ            （１）
ここで、ｍは自然数、ｎeffは実効屈折率、θは入射光と入射面のなす角度、ｄはＰＣＣの構造周期である。粒子が[１１１]の方向に配向している場合、周期ｄは式（２）で表される。
【００６９】
ｄ＝Ｄ＊√６／３        （２）
ここでＤは粒子の直径である。
【００７０】
実効屈折率ｎeffは、式（３）で表される。
【００７１】
ｎeff＝（ｆpｎp2＋（１−ｆp）ｎν2）1/2          （３）
ここで、ｆpは粒子の体積分率（面心立方格子（ｆｃｃ）あるいは六方細密充填（ｈｃｐ）の場合は０．７４）である。ｎpは粒子の屈折率、ｎνはＰＣＣのボイドを充填する材料の屈折率である。実験で用いたポリスチレンの屈折率ｎpは１．５９、空気の屈折率ｎνは１．００である。
【００７２】
実験結果から、計算による反射波長と実測された反射波長はほとんど同じ値を示すことがわかる。
【００７３】
図１５は、実施例２で作製したＰＣＣドーム１０Ｂの異なる角度での反射スペクトル、図１６は実施例２で作製したＰＣＣドーム１０Ｇの異なる角度での反射スペクトル、図１７は実施例２で作製したＰＣＣドーム１０Ｒの異なる角度での反射スペクトルである。
【００７４】
ＰＣＣドーム１０Ｂ，１０Ｇ、１０Ｒのすべてにおいて、角度に依らず、同一の反射波長でピークが観察されている。また、角度９０°（垂直入射）では、３色すべてでほぼ同等の光強度が得られている。角度６０°では、青と緑でほぼ同じピーク強度となり、赤で高いピークを維持している。これらの結果から、第１実施形態のＰＣＣドーム１０を用いることで、広角のカラーフィルタ５０が実現される。
【００７５】
また、ＰＣＣドーム１０は、電力を供給しなくてもそれ自体で安定した構造色を発色するので、ＰＣＣドーム１０を用いたカラーフィルタは省電力に有効である。
＜表示装置への適用＞
図１８は、反射基板の色に応じたＰＣＣドーム１０の発色を説明する図である。カラーフィルタ５０を搭載する反射基板が黒基板６１である場合、白色入射光からＰＰＣドーム１０の結晶周期に対応する波長の光だけが選択的に反射され、その他の波長成分の光は、黒基板６１に吸収される。そのため、カラーフィルタ５０の各ＰＰＣドーム１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂから結晶周期に対応する構造色が放射される。
【００７６】
他方、カラーフィルタ５０を搭載する反射基板が白基板６２である場合、各ＰＰＣドーム１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂで選択されない波長成分、すなわち各ＰＰＣドーム１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂを透過した光のすべての波長成分が下方の白基板６２で反射される。その結果、カラーフィルタ５０からは白色光が出射される。
【００７７】
図１９は、下地の基板が黒基板６１の場合（図１９（ａ））と、白基板６２の場合（図１９（ｂ））のそれぞれで、基板面に対する入射光の角度θを変化させて発色を測定する実験の模式図である。図２０は、その測定結果を示す。
【００７８】
図２０(ａ)は、下地の基板が黒基板６１のときのカラーフィルタ５０の顕微画像、図２０（ｂ）は、下地の基板が白基板６２のときのカラーフィルタ５０の顕微画像である。下地の基板が黒基板６１のときは、各色の画素列が明確に観察されるのに対し、下地の基板が白基板６２のときは、白色光が放射されるため、構造色の発色が抑制されている。
【００７９】
このことから、第１実施形態のカラーフィルタ５０を反射型の白黒表示装置１２０と組み合わせたときに、鮮明なカラー画像を表示できることがわかる。
【００８０】
たとえば、一つのマイクロカプセル内に白色の微粒子と黒色の微粒子が封入された電気泳動インクで白黒表示装置１２０の画素領域を形成する場合、マイクロカプセルを挟む一対の透明電極に印加する電場の向きを制御して、白と黒を反転させることができる。白と黒の割合を制御することで、Ｒ、Ｇ、Ｂの各画素の強度レベルをたとえば２５６段階（８ビット）で調整して、合成される出力光の色を制御することができる。
【００８１】
白黒表示装置１２０の画素が黒色の場合、１つの画素内に含まれるＰＰＣドーム１０とコロイド結晶チャネル１２の両方が、構造色の発色に寄与することができる。そのため、インクジェット方式でパターニングされたコロイド結晶の画素と比較して、構造色の発色強度を向上できる。
【００８２】
上述した構成と手法により、所望のサイズのＰＰＣドームを簡単な方法で形成することができる。モールド転写によるマイクロチャネルを利用してＰＰＣドームを形成するので毎回安定した大きさのＰＰＣドームを形成することができる。半球面を有するＰＰＣドームによって、広い視野角で安定した構造色を発色させることができる。ＰＰＣドームを有するカラーフィルタ５０を適用することで、現在モノクロ表示しかできない反射型ディスプレイをカラー化することができる。
＜第２実施形態＞
第２実施形態では、フォトニックコロイド結晶を内部に有するハイドロゲルのマイクロパターニングとその適用例を提供する。特に、刺激応答性ポリマーを用いて、温度、イオン濃度、ｐＨ値、化学物質（エタノール、グルコース等）、特定のたんぱく質または抗体を検出する化学センサまたは生化学センサを実現する手法と構成を提供する。
【００８３】
図２１は、フォトニックコロイド結晶を内部に有するハイドロゲルの作製を示す模式図である。第１実施形態では、ポリスチレン、シリカ等のコロイド粒子を分散させた溶媒を円心分離で蒸発させて粒子を規則正しくパッキングした。第２実施形態では、コロイド粒子をポリマイー中に規則正しく整列させて、フォトニックコロイド結晶を内部に有するハイドロゲルを生成する。
【００８４】
まず、図２１の上段に示すように、コロイド粒子１１１を溶液１１２に分散させたコロイド分散液１１４を準備する。溶液１１２には、モノマーと、架橋剤と、光重合開始剤が混合されている。この状態では、コロイド粒子１１１は溶液１１２中にアトランダムに分散している。モノマーとして、たとえば１ＭのＮ-イソプロピルアクリルアミド（ＮＩＰＡＭ：N-isopropylacrylamide）を用い、架橋剤としては、たとえば０．１ＭのＮ，Ｎ'-メチレンビスアクリルアミドを用いる。光重合開始剤は、たとえばＢＡＳＦ社製のＩＲＧＡＣＵＲＥ（製品名）である。これらの材料と濃度は一例にすぎず、適切な材料と濃度を選択することができる。
【００８５】
次に、コロイド分散液１１４を、たとえばイオン交換樹脂を用いて脱塩する。これにより溶液１１２のイオン濃度が低下し、コロイド粒子１１１の表面の電気二重層１１３の厚さが増大する。電気二重層１１３の存在により、コロイド粒子１１１間に一定の間隔が保たれ、コロイド粒子１１１の規則的な配列を含むプレゲル液１１６が生成される。
【００８６】
プレゲル液１１６を光重合によりポリマー化（ゲル化）する。ゲル化することで、電気二重層が消滅した後も、コロイド粒子１１１がポリマーゲル１１５中で電気二重層の厚さに応じた間隔で規則的に配列した状態が維持される。この状態を「フォトニック結晶ポリマー」と呼んでもよい。プレゲル液１１６のポリマー化は短時間（数分）で完了し、クラックの発生もない。
【００８７】
こうして生成されたハイドロゲルをマイクロチャネルにパターニングできれば、異なる波長の光を反射するフレキシブルな光学フィルタ（カラーフィルタ）を実現することができる。また、ポリマーとして刺激応答性のゲルを用いることで、種々の現象や物質を測定する化学センサが実現されるはずである。
【００８８】
図２２は、第２実施形態でハイドロゲルの生成に適した構成を決定するための予備実験の結果を示す。ゲル化に適した収容器を選択するために、
（ａ）直径が１００μｍのガラス管と、
（ｂ）ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ：polydimethylsiloxziane）フィルムに形成した容積１ｃｍ3の穴と、
（ｃ）ＰＤＭＳシートに形成した深さ１００μｍのマイクロチャネル、
の各々にＮＩＰＡＭを充填し、ゲル化の状態を調べた。図２２の中央のカラムは各収容器についてリンス処理の有無を示し、右のカラムはゲル化の状態を示す。
【００８９】
ガラス管の場合、管内に注入されたＮＩＰＡＭはＵＶ照射でゲル化するが（○印で表記）、ＰＤＭＳシートの穴に充填されたＮＩＰＡＭは、中央部だけがゲル化する（△印で表記）。これはＰＤＭＳシートを透過して穴の内壁に付着した酸素分子（Ｏ2）に光重合開始剤が吸着して、重合が阻害されるためと考えられる。ガラス管は酸素分子を透過しないが、可撓性が得られないので、樹脂フィルムに形成されたチャネル内でハイドロゲルを生成できるのが望ましい。
【００９０】
そこで、ＰＤＭＳに形成されたマイクロチャネルについて、(i)リンス処理を行わない場合、(ii)水リンスを行う場合、(iii)ＩＧＲＡＣＵＲＥの２％液でリンスする場合、を調べた。リンス処理を行わない場合と、水リンスの場合は、ＵＶ照射を行ってもマイクロチャネル内のＮＩＰＡＭはゲル化しない（×印で表記）。ＰＤＭＳシートを透過した酸素が光重合開始剤を吸着して重合を阻害するためである。これに対し、光重合開始剤でリンスした場合はＵＶ照射によりゲル化する（○印で標記）。あらかじめＰＤＭＳマイクロチャネルの内壁を光重合開始剤でリンスすることで、重合を阻害する酸素分子を排除（脱気）して円滑にゲル化できる。
【００９１】
図２３は、マイクロチャネル２１０の作製例を示す。図２３（ａ）はマイクロチャネル２１０の平面図、図２３（ｂ）はマイクロチャネル２１０の形状と寸法を示す模式図、図２３（ｃ）はマイクロチャネル２１０が形成されたＰＤＭＳシート２２０のリンス処理の模式図、図２３（ｄ）は実際に作製したＰＤＭＳマイクロチャネルの画像である。
【００９２】
マイクロチャネル２１０は、複数の分岐を含むトーナメント型の流路と、プレゲル液１１６を注入するためのインレット２０８を有する。インレット２０８につながる分岐部２０７から複数の流路が延びる。各流路は、円形部２１１と、円形部２１１間をつなぐ連結部２１２を有する。一例として、マイクロチャネル２１０の深さｔは１００μｍ、円形部２１１の径は３００μｍ、連結部２１２の幅は１００μｍ、隣接する流路間で最も近い部分の間隔は１００μｍである。円形部２１１を細密配置するために、隣接する流路間で円形部２１１が互い違いに配置されている。このような流路パターンを持つＰＤＭＳシートは、レジスト型を用いたモールディングや、フォトリソグラフィ法による露光及び現像などで作製することができる。
【００９３】
図２３の例では、Ｙ字分岐で分岐された２本の流路をペアにして流路の長さを異ならせているが、３分岐で３本の流路を一組として各流路の長さを異ならせてもよい。Ｙ字分岐の例では、隣り合う流路の近接する２つの円形部２１１で１つのピクセルが形成される。３分岐の場合は、３つの流路の近接する３つの円形部２１１で１つのピクセルが形成される。実際に光学フィルタとして用いられるのは、ピクセルが形成される領域Ｆであり、インレット２０８を含む分岐領域２０７とチャネル端部の領域Ｅはゲル化の後に切断除去される。図２３（ｄ）の画像では、ピクセルが配置される領域Ｆのサイズは２０ｍｍ×２０ｍｍであり、３２本の流路（１６の流路対）が形成されている。
【００９４】
図２３（ｃ）に示すように、プレゲル液１１６の注入に先立って、光重合開始剤２１５でＰＤＭＳシート２２０に形成されたマイクロチャネル２１０内をリンスする。上述のように、リンス処理によりマイクロチャネル２１０内のプレゲル液１１６の全体をポリマー化することができる。
【００９５】
図２４は、マイクロチャネル０内へのフォトニック結晶ポリマーの形成工程を示す。図２４（ａ）で、ＰＤＭＳシート２２０のインレット２０８を除く領域を、たとえばガラス基板２０２で覆って、脱塩処理された第１のプレゲル液をインレット２０８から注入する。第１のプレゲル液は、たとえばモノマー中に青色の構造色を発色する粒径のシリカ粒子が規則正しく配列された液である。第１のプレゲル液は、流路ペア２０３のうち、オープンエンドの流路２０３Ｂに流れ込む。
【００９６】
図２４（ｂ）で、インレット２０８及び分岐領域をカバー２０５で覆って、ＵＶ照射を行う。流路の内壁はあらかじめ光重合開始剤でリンス処理されているので、流路２０３Ｂに注入された第１のプレゲル液はＵＶ照射によりゲル化する。
【００９７】
図２４（ｃ）で、いったんガラス基板２０２を外してマイクロチャネル２１０の端部を切断し、閉じていた流路２０３Ｇの端部を開放し、流路２０３Ｇ内に脱塩処理された第２のプレゲル液を注入する。流路２０３Ｂはすでにゲル化または硬化しているので、第２のプレゲル液は流路２０３Ｇ内に流れ込む。図２４（ａ）のようにガラス基板等でＰＤＭＳシート２２０のインレット２０８を除く領域を覆って、第２のプレゲル液を注入してもよい。第２のプレゲル液は、たとえば緑色の構造色を発色する粒径のシリカ粒子がモノマー中に規則正しく配列された液である。第２のプレゲル液は、オープンエンドとなった流路２０３Ｇを満たす。図２４（ｄ）で、インレット２０８及び分岐領域をカバー２０５で覆ってＵＶ照射を行い、流路２０３Ｇ内の第２のプレゲル液をゲル化する。
【００９８】
図２５は、第２実施形態のハイドロゲルを適用したカラーフィルタの模式図である。図２５（ａ）において、マイクロチャネル内にフォトニック結晶ポリマーが充填されたＰＤＭＳシート２２０のうち、インレット２０８と分岐部２０７は切断され、ピクセルを形成する領域Ｆがカラーフィルタ２３０Ａとして用いられる。領域Ｆでは、第１のプレゲル液がゲル化されたフォトニック結晶ポリマー（ＰＣＰ：Photonic Crystal Polymer）チャネル２０４Ｂと、第２のプレゲル液がゲル化されたフォトニック結晶ポリマーチャネル２０４Ｂが交互に配置されている。
【００９９】
図２５（ｂ）は、３分岐構成でゲル化された３種類のフォトニック結晶ポリマーチャネル２０４Ｇ、２０４Ｂ、２０４Ｒが繰り返し配列されたカラーフィルタ２３０Ｂを示す。カラーフィルタ２３０Ａ，２３０Ｂはフレキシブルであり、白黒の反射ディスプレイ上に貼り付けるだけでカラー表示することができる。また、街頭や展示場で用いられる円柱型の白黒ディスプレイに巻きつけて用いることも可能である。
【０１００】
図２６に実際に作製したフォトニック結晶ポリマー（ＰＣＰ）チャネルの画像を示す。図２６（ａ）の画像は図２４（ｂ）の状態に対応し、第１のプレゲル液が注入されてポリマー化された状態を示す。第１のプレゲル剤は、直径１１０ｎｍのシリカ粒子を含む。図２６（ｂ）の画像は図２４（ｄ）に対応し、第２のプレゲル液が注入されてポリマー化された状態を示す。第２のプレゲル液は、直径１８０ｎｍのシリカ粒子を含む。
【０１０１】
図２６（ｃ）は、図２４（ｂ）で得られた光学フィルタを黒基板上に配置したときの発色状態を示し、図２６（ｄ）は、図２４（ｂ）の光学フィルタを白基板上に配置したときの発色状態を示す。黒基板上ではシリカ粒子の配列に応じた波長の光が反射されて構造色を発するのに対し、白基板上では白色光が反射されるだけである。第１実施形態と同様に、第２実施形態のハイドロゲル光学フィルタを反射型の白黒表示装置１２０と組み合わせることで鮮明なカラー画像を表示することができる。
【０１０２】
図２７は、第２実施形態の光学フィルタの反射スペクトルを示す図である。図２６（ｂ）で作製したフィルタの上部から白色光を照射し、スペクトロメータで反射光の強度を測定した。粒径が１１０ｎｍのシリカ粒子を含むフォトニック結晶ポリマーチャネルの反射光は４３３ｎｍにピークを有し、青色の構造色を発色する。粒径が１８０ｎｍのシリカ粒子を含むフォトニック結晶ポリマーチャネルの反射光は５２３ｎｍにピークを有し、緑色の構造色を発色する。
【０１０３】
図２８は、第２実施形態の光学フィルタの下地基板として黒色基板を用いたときと白色基板を用いたときの反射スペクトルを示す図である。白色基板を用いたときは、反射光にピークがなく、構造色が認識されない。黒色基板を用いると、図２８（ａ）では４３０〜４４０ｎｍにピークを示し青色の構造色が認識される。図２８（ｂ）では、６２０ｎｍ近傍にピークを示し赤色の構造色が認識される。
【０１０４】
図２９は、第２実施形態の応用例として、刺激応答性ハイドロゲルを用いたフォトニック結晶のセンサへの適用を説明する図である。刺激応答性ゲル１１５Ｓは、特定の物質、イオン等の存在により膨潤または収縮する。この特性を利用すると、外部からの刺激に応じて、刺激応答性ゲル１１５の内部で規則正しく整列したコロイド粒子１１１の間隔は、規則性を維持したまま拡張または収縮する。すなわち、周期またはピッチが変化する。コロイド粒子１１１の規則的な配列の周期が変化すると、反射光の波長が変化する。たとえば、通常時の配列状態でコロイド粒子１１１間の間隔がｄ１であり、反射光の波長がλ１である。刺激応答性ゲル１１５Ｓに対して特定の現象が生じると、刺激応答性ゲル１１５は膨潤または収縮する。たとえば、標準濃度のグルコースを含む液体に接している状態でコロイド粒子１１１間の間隔がｄ１の場合、グルコース濃度が変化すると、濃度変化に応じて刺激応答性ゲル１１５Ｓは膨潤または収縮する。刺激応答性ゲル１１５Ｓが膨潤すると、コロイド粒子１１１間の間隔が広がり、ｄ２に変化する（ｄ２＞ｄ１）。そうすると反射光の波長はλ２に変化する（λ２＞λ１）。逆に、刺激応答性ゲル１１５Ｓが収縮すると、コロイド粒子１１１間の間隔が縮まってｄ３に変化し（ｄ３＜ｄ１）、反射波長はλ３（λ３＜λ１）に変化する。
【０１０５】
この特性を利用することで、フォトニック結晶ポリマーチャネルを有する光学フィルタを化学センサまたは生化学センサに適用することができる。
【０１０６】
図３０は、第２実施形態の光学フィルタ２５０を用いたセンサ２００の概略図である。光学フィルタ２５０は、ＰＤＭＳシート２２０等の樹脂シートに形成されたマイクロチャネル２１０に形成されポリマー化されたフォトニック結晶ポリマーチャネル２１４を有する。この例では、光学フィルタ２５０は底面に黒基板６１が配置されてケーシング２０１に収容されている。光学フィルタ２５０の表面にサンプル液を導入して、構造色の変化を観察することで、サンプルに含まれる物質の種類や濃度を測定することができる。既知の物質の濃度と、構造色の発色の関係をあらかじめ対応付けておくことで、発色の変化を見るだけで濃度変化を認識することができる。
【０１０７】
たとえば、刺激応答性ゲル１１５Ｓがグルコースの量に応答して膨潤または収縮する場合、サンプル液としてグルコースを含む液体を光学センサ上に供給することで、直接、発色の変化からグルコース濃度を測定することができる。この例では、たとえばＰＮＩＰＡＭに光重合剤とともに、グルコースに親和性の高い官能基を混合してポリマー化することで刺激応答性ゲル１１５Ｓを生成することができる。
【０１０８】
フォトニック結晶ポリマーチャネル２１４は硬化されているので、直接チャネル上にサンプル液を供給してもよいし、微細な開口を有する高分子薄膜あるいは生体膜を介してサンプル液をチャネル上に供給してもよい。
【０１０９】
刺激応答性ゲル１１５Ｓをセンサに用いる場合、異なる種類のフォトニック結晶ポリマーが充填された複数のマイクロチャネルを有する光学フィルタ２５０を用いるのが望ましい。すべてのマイクロチャネルを一種類のフォトニック結晶ポリマーで充填して、構造色の変化を見るだけでもサンプルに含まれる主成分の変化を測定可能であるが、異なる種類のフォトニック結晶ポリマーのチャネルを設けることで、測定精度を向上することができる。通常は、サンプル内には目的とする物質以外に多様な物質も含まれており、異なる種類のフォトニック結晶ポリマーを用いることで、目的外の物質からのノイズを処理することができる。
【０１１０】
異なる種類のフォトニック結晶ポリマーは、一種類のポリマーに粒径の異なるコロイド粒子を規則的に配置してもよいし、同一粒径のコロイド粒子を、異なる種類のポリマー内に規則的に配置してもよい。これにより、小電力かつ簡単な構成で視認可能なセンサが実現される。
【符号の説明】
【０１１１】
１０、１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ  ＰＣＣ（フォトニックコロイド結晶）ドーム
１２、１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ  コロイド結晶チャネル
１５、１５Ｒ、１５Ｒ、１５Ｂ  画素列
４０  透明基板
４２  レジストパターン
４３  モールドパターン
４５  転写基板
４６、２２０  ＰＤＭＳシート（樹脂シート）
５０、２３０Ａ、２３０Ｂ  カラーフィルタ
１００  表示装置
１０１、１０１−１、１０１−２  マイクロチャネル
１０２  ドーム空間
１０３  チャネル空間
１０５  チャネルセット
１０５ａ、１０５ｂ  チャネル列
１１０  ベース基板
１１１  コロイド粒子
１１５  ポリマーゲル
１１５Ｓ  刺激応答性ゲル
１２０  白黒表示装置
２００  センサ
２０１  ケーシング
２０４Ｇ，２０４Ｂ，２０４Ｒ、２１４  フォトニック結晶ポリマーチャネル
２１０  マイクロチャネル
２１１  円形部
２１２  連結部
２５０  光学フィルタ
【図１】
2017134385.tif 000003
【図２】
2017134385.tif 000004
【図３】
2017134385.tif 000005
【図４】
2017134385.tif 000006
【図５】
2017134385.tif 000007
【図６】
2017134385.tif 000008
【図７】
2017134385.tif 000009
【図８】
2017134385.tif 000010
【図９】
2017134385.tif 000011
【図１０】
2017134385.tif 000012
【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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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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