JP2004510013A - 増強されたカラーシフティング特性を有する光学的に可変であるピグメントおよびホイル - Google Patents
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Abstract
Description
(発明の背景)
(1.発明の分野)
本発明は、一般に、カラーシフティングピグメント組成物に関する。より具体的には、本発明は、入射光の角度または視角の変化に伴う増強したカラーシフティング特性を示す、光学的に可変のピグメントフレーク、ホイル、および着色料に関する。
【0002】
(2.従来の技術水準)
種々の光学的に可変のピグメント(pigment)(カラーシフティングピグメントとしてもまた公知)が、広範な種々の適用のために開発されてきた。例えば、カラーシフティングピグメントは、自動車の塗料から、保証文書および貨幣のための偽造防止用インクまでにわたる適用において、使用されている。カラーシフティング着色料は、小さなフレーク(これらは代表的に、特定の工学特性を有する多層の薄層からなる)を、塗料またはインクのような媒体にわたって分散させることによって、製造され、これが引き続いて、物体の表面に塗布される。カラーシフティングピグメントおよび着色料は、入射光の角度の変化の際に、または観察者の視角が移動するにつれて、色(カラー)を変化させる特性を示す。
【0003】
従来の光学的に可変のピグメントは、代表的に、多層の薄膜界面構造体に基づく。例えば、Phillipsらに対する米国特許第5,135,812号は、いくつかの異なる構成の層(例えば、全てが誘電性の透明なスタック、または透明な誘電層と半透明の金属層とのスタック)を有する、光学的に可変の薄膜フレークを開示する。Phillipsらに対する米国特許第5,278,590号において、対称な3層の光学干渉コーティングが開示されており、このコーティングは、第1および第2の部分的に透過性の吸収層(これらは、本質的に同じ組成および厚みを有する)、ならびに第1および第2の吸収層の間の誘電性スペーサー層を備える。
【0004】
塗料において使用するためのカラーシフティング小板(platelet)は、Phillipsらに対する米国特許第5,571,624号に開示されている。これらの小板は、対称的な多層薄膜構造体から形成され、ここで、第1の半透明な層が、基板上に形成されており、第1の誘電層が、この第1の半透明な層の上に形成されている。反射層が、この第1の誘電層の上に形成され、続いて第2の誘電層が、この反射層の上に形成され、そして第2の半透明な層が、この第2の誘電層の上に形成される。
【0005】
ピグメントのカラーシフティング特性は、フレークを形成するために使用される光学コーティングの適切な設計を介して、制御され得る。所望の効果は、フレークを形成する層の厚み、および各層の反射率のようなパラメータの改変を介して、達成され得る。異なる視角または入射光の角度に対して起こる、知覚される色の変化は、層を形成する材料の選択吸収と、波長依存性の干渉効果との組み合わせの結果である。干渉効果(これは、複数の反射を起こした光波の重なりから生じる)は、異なる角度で知覚される色のシフトの原因である。干渉現象によって特定の波長において選択的に増強された、材料の吸収特性に起因して、位置および強度における反射の最大値は、視角が変化するにつれて変化する。
【0006】
(発明の要旨)
本明細書中で実施され、そして広範に記載されるように、本発明に従って、カラーシフティング特性を有する着色料組成物を製造するために使用され得る、ピグメントフレークが提供される。これらのピグメントフレークは、対称的なコーティング構造を、反射層の反対側に有し得るか、非対称的な構造を、反射層の片側の層の全てに有し得るか、または1つ以上のカプセル化コーティングを反射層の周囲に有して形成され得る。このコーティング構造は、反射層の1つ以上の面の選択吸収層、この選択吸収層の上の誘電層、およびこの誘電層の上の吸収層を備える。このピグメントフレークは、離散的カラーシフトを示し、その結果、このピグメントフレークは、第1の入射光角度または視角において第1の色を有し、そして第2の入射光角度または視角において、第1の色とは異なる第2の色を有する。このピグメントフレークは、塗料またはインクのような液体媒体中に散在して、物体または紙への引き続く塗布のための着色料組成物を形成し得る。
【0007】
反射層、この反射層の上の選択吸収層、この選択吸収層の上の誘電層、およびこの誘電層の上の吸収層の、コーティング構造を備える、非対称ホイルもまた、提供される。
【0008】
本発明のこれらおよび他の局面および特徴は、以下の説明および添付の特許請求の範囲から、より完全に明らかとなるか、または本明細書中以下に記載された本発明の実施によって、習得され得る。
【0009】
本発明の上に列挙した利点および他の利点が得られる様式を説明するために、上で簡単に記載された本発明の、より具体的な説明が、添付の図面に図示される本発明の特定の実施形態を参照して、与えられる。これらの図面が本発明の代表的な実施形態のみを示し、そしてこれによって本発明の範囲を限定するとはみなされないことを理解して、本発明が、添付の図面の使用によって、さらに具体的滑詳細に、記載および説明される。
【0010】
(発明の詳細な説明)
本発明は、増強したカラーシフティング特性を示す、光学的に可変のピグメントフレークおよびホイルに関する。これらのピグメントフレークおよびホイルは、入射光の角度または観察者の視角の変化に伴う、クローマおよび色相の実質的なシフトを有する。従って、これらのピグメントフレークおよびホイルは、第1の入射光角度または視角において第1の色を、そして第2の入射光角度または視角において、第1の色とは異なる第2の色を示す。これらのピグメントフレークは、塗料またはインクのような液体媒体中に散在して、引き続いて物体または紙に塗布されるための、種々のカラーシフティング着色料組成物を製造し得る。
【0011】
一般に、ピグメントフレークは、対称的なコーティング構造を反射層の反対側に有し得るか、反射層の片側に全ての層を有して非対称的な構造を有し得るか、または反射層コアを囲むカプセル化コーティングで形成され得る。コーティング構造は、反射層の1つ以上の面の上の選択吸収層、この選択吸収層の上の誘電層、およびこの誘電層の上の吸収層を備える。
【0012】
本発明のカラーシフティングホイルは、非対称な薄膜コーティング構造を有し、これは、反射層、この反射層の上の選択吸収層、この選択吸収層の上の誘電層、およびこの誘電層の上の吸収層を備える。本発明のフレークおよびホイルのコーティング構造における、これらの層の各々は、本明細書中以下においてさらに詳細に議論される。
【0013】
本発明のカラーシフティングフレークおよびホイルは、薄いコーティング構造体を形成する分野において周知の、従来の薄膜製造技術を使用して形成され得る。このような薄膜製造技術の非限定的な例としては、物理蒸着(PVD)、化学蒸着(CVD)、スパッタリング、プラズマで増強されるこれらのバリエーション、電着などが挙げられる。
【0014】
図面(ここで、類似の構造体は類似の参照番号を与えられる)を参照すると、図1は、本発明の1つの実施形態による、ピグメントフレーク10を示し、これは、カラーシフティング特性を示す。フレーク10は、ほぼ対称な多層薄膜構造を反射層12の反対側に有する、7層の設計である。従って、第1および第2の選択吸収層14aおよび14bが、反射層12の各面に配置され、第1および第2の誘電層16aおよび16bが、選択層14aおよび14bの各々の上にそれぞれ配置され、そして第1および第2の吸収層18aおよび18bが、反射層16aおよび16bの各々の上にそれぞれ配置される。フレーク10のコーティング構造におけるこれらの層の各々は、以下のようにさらに詳細に議論される。
【0015】
反射層12は、種々の反射性金属材料(例えば、1つ以上の金属、1つ以上の金属合金、またはそれらの組み合わせ)から構成され得る。反射層12に適切な金属材料の非限定的な例としては、アルミニウム、銀、銅、金、白金、スズ、チタン、パラジウム、ニッケル、コバルト、ロジウム、ニオブ、クロム、およびこれらの組み合わせまたは合金が挙げられる。これらは、所望される色の効果に基づいて選択され得る。反射層12は、約200オングストローム(Å)〜約1000Å、好ましくは約400Å〜約700Åの適切な物理的厚みを有するように形成され得る。
【0016】
あるいは、反射(レフレクター)層12は、Coulterらの米国特許第6,013,370号(この開示は本明細書中に参考として援用される)に開示される「ブライトメタルフレーク(bright metal flake)」のような、多層構造であり得る。このような多層構造は、少なくとも約40nmの厚みを有する金属のような中央反射層、ならびにこの反射層の上部および底部表面の誘電支持層を備える。この誘電層は、少なくとも約10nmの厚みを有し、この厚みは、誘電層がこの反射層のカラー特性に実質的に影響しないように選択されている。これらのブライトメタルフレークの完全な説明は、Coulterらに対する上記特許に見出され得る。
【0017】
この第1および第2の選択吸収層14aおよび14b(反射層12の各側面に配置されている)は、約380〜780nmのスペクトル領域のどこかにおいて1つ以上の狭い吸収帯域を有する(ただし、スペクトル領域の他の点については透明または半透明である)種々の材料から構成され得る。吸収層14aおよび14bにおけるこれらの狭い吸収帯域は、従来のカラーシフティングピグメントを超える拡大したカラー空間を提供する。
【0018】
選択的な吸収層14aおよび14bに適切な材料は、ブルー(青色)スペクトル領域において高い(すなわち、約1より大きい)、そしてレッド(赤色)スペクトル領域に減少する(すなわち、約0.1より小さい)吸収係数(k)を有する。選択吸収層14aおよび14bを形成する材料の非限定的な例としては、種々の無機材料(例えば、ケイ素、カーバイド、アルミニウム、アンチモニド、ヒ化アルミニウム、酸化鉄(例えば、酸化鉄(III)および酸化第一鉄)酸化銅、酸化マンガン、硫化カドミウム、セレン化カドミウム、セレン化亜鉛、AgGaSe2、Bi12GeO20、ケイ化チタニウム、ケイ化タンタル、ケイ化タングステン、それらの組み合わせ、など)が挙げられる。
【0019】
あるいは、選択吸収層は、有機ピグメント材料、好ましくは可視スペクトルにおける吸収帯を有するピグメント(例えば、結合体化ポリマーおよび有機染料分子(発色団および助色団を含む))から構成され得る。これらのピグメントとしては、以下が挙げられるがこれらに限定されない:塩基性ピグメントまたはカチオン染料;酸性ピグメントおよびプレメタライズされた(premetalized)ピグメント;クロム染料および媒染染料;直接ピグメントおよび発色された直接ピグメント;イオウ染料、アゾイック染料、バット染料、分散染料、および反応染料;上記のピグメントのいずれかの組み合わせなど。有機ピグメント材料は、カラーシフティングを可能にする適切な厚みで配置され得なければならない。なぜなら、選択吸収層は、選択吸収層が非吸収性であるスペクトル領域における誘電体の厚みの一部分であるからである。
【0020】
選択吸収層に好ましい1つの材料は、ケイ素であり、これは青色スペクトル領域において強力に吸収し、そしてその他のスペクトル領域では半透明〜透明である。青色吸収特性は、従来のカラーシフティングピグメントにおいて見出される青色ピークを減じ、それによって赤色およびピンク色(桃色)になるマゼンタ(深紅色)のようなカラーの変化を生じる。カラーにおけるこの変化は、選択的吸収材料の吸収スペクトル帯の配置、および幅、ならびにこのフレークのコーティング構造のもともとの設計に依存する。
【0021】
選択的な吸収層は各々、約50Å〜約2000Å、そして好ましくは約100Å〜約200Åの物理的な厚みを有するように形成され得る。選択吸収層における酸素量は、特定の実施形態において、そのような層に必要な厚みに影響することに注目すべきである。選択的な吸収層は各々、同じ材料または異なる材料から形成され得、そして各々の層について同じかまたは異なる物理的厚みを有し得る。
【0022】
第1の誘電層および第2の誘電層である16aおよび16bは、コーティングプロセスに適切な任意の誘電性材料から形成され得る。この誘電性材料は、低屈折性物質(すなわち、約1.65以下の屈折率を有する材料)、または高屈折性物質(すなわち、約1.65より大きい屈折率を有する材料)であり得る。
【0023】
誘電層の各々は、以下:単一の材料から、または種々の材料の組み合わせおよび配置で、形成され得る。例えば、誘電層は、低屈折性物質のみ、または高屈折性物質のみ、2つ以上の低屈折性物質の混合物もしくは複数の副層、2つ以上の高屈折性物質の混合物もしくは複数の副層、または低屈折性物質および高屈折性物質の混合物もしくは複数の副層。さらに、誘電層は、部分的にまたは全体的に、高/低誘電性光学スタック(以下にさらに詳細に考察される)から形成され得る。誘電層が部分的に、誘電性光学スタックで形成される場合、この誘電層の残りの部分は、上記のような、単一の材料、または種々の材料の組み合わせおよび配置で形成され得る。
【0024】
適切な低屈折性誘電性材料の例としては、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、フッ化マグネシウム、フッ化アルミニウム、フッ化セリウム、フッ化ランタン、フッ化ネオジミウム、フッ化サマリウム、フッ化バリウム、フッ化カルシウム、フッ化リチウム、およびそれらの組み合わせが挙げられる。
【0025】
適切な高屈折性誘電性材料の例としては、硫化亜鉛、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、二酸化チタン、炭素、酸化インジウム、酸化インジウム−スズ、五酸化タンタルム、酸化セリウム、酸化イッテリウム、酸化ユーロピウム、酸化鉄、窒化ハフニウム、炭化ハフニウム、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化マグネシウム、酸化ネオジミウム、酸化プラセオジミウム、酸化サマリウム、三酸化二アンチモン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、一酸化ケイ素、三酸化セレニウム、酸化スズ、三酸化タングステン、およびそれらの組み合わせが挙げられる。
【0026】
上記に列挙した誘電性材料のいくつかは、代表的に、コーティング層として誘電性材料を蒸着するために用いた特定の方法にしばしば基づいて、非化学量論的形態で存在すること、そして上記列挙した化合物名は適切な化学量論を示すことが理解される。例えば、一酸化ケイ素および二酸化ケイ素は、それぞれ、名目上1:1および1:2のケイ素:酸素の比を有するが、特定の誘電性コーティング層の実際のケイ素:酸素の比は、これらの名目上の値から幾分変化する。このような非化学量論的誘電性材料がまた、本発明の範囲内である。
【0027】
誘電層16aおよび16bは、所望のカラー特性を達成するために適切な光学的厚みを有するように形成される。この光学的厚みは、積ndとして規定された周知の光学パラメーターである。ここでnは、この層の屈折率であり、そしてdはこの層の物理的な厚みである。代表的に、この層の光学的厚みは、4nd/λに等しい、1/4波長光学厚み(QWOT)という形で表現され、ここでλは、QWOT条件が生じる波長である。各々の誘電層16aおよび16bの光学的厚みは、所望のカラーシフティングに依存して、約400nmの設計波長での約2QWOTから、約700nmの設計波長での約9QWOTまでの範囲におよび得る。誘電層は代表的に、低屈折誘電性材料が用いられる場合、約200nm〜約800nmの物理的厚みを有し、そして高屈折性誘電性材料が用いられる場合、約100nmへ低下される。
【0028】
所定の材料についての屈折率が一定である必要はないことに注意すべきである。所定の材料の屈折率は、他のどの材料が上に配置されるかに依存して変化し得、そしてまた厚みで変化し得る。本発明のピグメント設計において誘電層に隣接する選択吸収層が、カラースペクトルの非吸収領域において誘電体として作用することが見出されている。これは、ピグメント設計において、全体的な誘電体の厚みを効果的に増大し、さらに長い波長への応答ピークのシフトを生じる。この応答ピークシフトは、選択吸収層の屈折率に依存する。従って、所望の場合、この誘電層は、選択吸収層によって提供される誘電体の厚みにおける効率的な増大を補償するためにさらに薄くされ得る。
【0029】
誘電層16aおよび16bは各々、同じ材料または異なる材料から構成され得、そして各々の層について、同じまたは異なる、光学的厚みまたは物理的厚みを有し得る。誘電層が、異なる材料から構成されるかまたは異なる厚みを有する場合、このフレークはその各面で異なるカラーを示し、そしてピグメントまたはペイント混合物中のフレークの得られた混合物は、2つのカラーの組み合わせである新しいカラーを示すことが理解される。得られたカラーは、このフレークの2つの側面から生じる2つのカラーの中間カラー(加法的なカラー)の理論に基づく。多数のフレークにおいて、得られたカラーは、観察者に向かって方向付けられた異なる側面を有するフレークの無作為の分配から生じる2つのカラーの加算合計になる。
【0030】
上記のように、誘電層は、低屈折性物質(L)および高屈折性物質(H)の交互の層を有する、高/低誘電性光学スタックから形成され得る。誘電層が高/低誘電性スタックから形成される場合、このカラーシフティングは、このスタック中の層の組み合わせた屈折率に依存する。誘電層の適切なスタック整列の例としては、LH、HL、LHL、HLH、HLHL、LHLH、ならびにそれらの種々の倍数(繰り返し)および組み合わせが挙げられる。これらのスタックにおいて、例えば、LHは、低屈折性物質および高屈折性物質の別個の層を示す。別の実施形態において、この高/低誘電性スタックは、屈折率の勾配を伴って形成される。例えば、このスタックは、低〜高への段階的な屈折率、高〜低への段階的な屈折率、低〜高〜低への段階的な屈折率、高〜低〜高への段階的な屈折率を有する層、ならびにそれらの組み合わせまたは倍数(繰り返し)で形成される。この段階的な屈折率は、隣接する層の屈折率における段階的変動(例えば、低〜高屈折率、または高〜低屈折率)によって生じる。この層の段階的な屈折率は、異なる特性における2つの材料(例えば、LおよびH)を蒸着または同時蒸着する間の気体交換によって生成され得る。種々の誘電性スタックは、本発明のピグメントのカラーシフティング能力を強化するために、そして可能なカラー空間を変化するために用いられ得る。
【0031】
この第1の吸収層および第2の吸収層18aおよび18b(誘電層16aおよび16bの各々に蒸着された)は、所望の吸収特性を有する任意の吸収材料(選択的吸収材料および非選択的吸収材料の両方を含む)から構成され得る。例えば、この吸収層は、この吸収層が少なくとも部分的に吸収されているかまたは半透明である厚さまで蒸着された非選択的吸収金属材料から形成され得る。適切な吸収材料の非限定的な例としては、金属性吸収材(例えば、クロム、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、プラチナ、チタン、バナジウム、コバルト、鉄、スズ、タングステン、モリブデン、ロジウム、ニオビウム)、ならびに他の吸収材(例えば、炭素、グラファイト、ケイ素、ゲルマニウム、サーメット)、酸化鉄(III)、または他の酸化金属、誘電マトリックス中で混合された金属、およびそれらの組み合わせ、混合物、化合物または合金が挙げられる。
【0032】
上記の吸収材材料の適切な合金の例としては、Inconel(Ni−Cr−Fe)、およびチタンベースの合金(例えば、炭素と混合したチタン(Ti/C)、タングステンと混合したチタン(Ti/W)、ニオビウムと混合したチタン(Ti/Nb)、およびケイ素と混合したチタン(Ti/Si))が挙げられる。吸収層に適切な化合物の例としては、チタンベースの化合物(例えば、窒化チタン(TiN)、チタニウムオキシニトリド(TiNxOy)、炭化チタン(TiC)、チタニウムニトリドカーバイド(TiNxCz)、チタニウムオキシニトリドカーバイド(TiNxOyCz)、ケイ化チタン(TiSi2)、およびホウ化チタン(TiB2))が挙げられる。TiNxOyおよびTiNxOyCzの場合、好ましくはx=0〜1、y=0〜1、そしてz=0〜1であり、ここでx+y=1(TiNxOyの場合)、そしてx+y+z=1(TiNxOyCzの場合)である。TiNxCzの場合、好ましくはx=0〜1、そしてz=0〜1であり、ここでx+z=1である。あるいは、吸収層は、Tiのマトリックス(基体)に蒸着されたチタンベースの合金から構成され得るか、またはチタンベースの合金の混合物中に蒸着されたTiから構成され得る。
【0033】
一般に、吸収層18aおよび18bは、吸収層材料の光学的定数および所望のピークシフトに依存して、約30Å〜約500Åの範囲にわたる物理的厚みを有する。吸収層18aおよび18bは各々、同じ材料または異なる材料から形成され得る、そして各層について同じかまたは異なる物理的厚みを有し得る。
【0034】
図1はさらに、本発明の別の実施形態に従うカラーシフティングフレーク10の別のコーティング構造(想像線を有する)を示す。この実施形態において、1つ以上の吸収層、誘電層、および選択吸収層は、封入(カプセル化)プロセスにおけるコーティングされた周囲反射層12である。例えば、封入プロセスが吸収層に用いられる場合、吸収層18aおよび18bは、その下にフレーク構造を実質的に囲む連続的コーティング層18の一部として形成される。同様に、封入プロセスを用いてまた、誘電層16aおよび16bが、その下にこのフレーク構造を実質的に囲む連続的コーティング層16の一部として形成されるように、誘電層を形成し得る。封入プロセスを用いてまた、選択吸収層14aおよび14bが実質的に反射層12を囲む連続的コーティング層14の一部として形成されるように、選択吸収層を形成し得る。
【0035】
従って、カラーシフティングピグメントフレーク(ここでコーティング層の全てが封入によって形成される)は、少なくとも1つの反射層12、反射層12を実質的に囲む選択吸収層14、選択吸収層14を実質的に囲む誘電層16、および誘電層16を実質的に囲む吸収層18を備える。
【0036】
カラーシフティングピグメントフレーク(ここでコーティング層の1つ以上が封入によって形成される)は、少なくとも1つの反射層12(上面、底面および少なくとも側面を有する)を有するコアフレーク部分、ならびにこの上面および底面(ただし、反射層12の少なくとも1つの側面上ではない)に事前形成された選択吸収層14aおよび14bを備える。誘電性コーティング層16は、このコアフレーク部分を実質的に囲むように形成され得るか、または2つの対立する誘電層16aおよび16bは、選択吸収層14aおよび14b上に形成され得る。次いで吸収コーティング層18は、基部にあるフレーク構造を実質的に囲むように形成される。
【0037】
図2は、本発明の別の実施形態に従うカラーシフティングフレーク20のコーティング構造を示す。このフレーク20は、非対称性の複数の薄層フィルム構造を有する4層設計であり、これは以前に考察したフレーク10の一方の側と類似の層を備える。従って、フレーク20は、反射層22、反射層22の上の選択吸収層24、選択吸収層24の上の誘電層26、および誘電層26の上の吸収層28を備える。これらの層の各々は、同じ材料から形成され得、ぞしてフレーク10の対応する層について上記されたのと同じ厚みを有し得る。
【0038】
本発明のカラーシフティングピグメントフレーク(例えば、フレーク10およびフレーク20)は、種々の製造方法で形成され得る。例えば、このピグメントフレークは、ウェブコーティングプロセスで形成され得る。このようなプロセスにおいて、上記のような種々の層が、従来の蒸着技術によってウェブ材料上に連続して蒸着され、薄層フィルム構造を形成する。この構造はその後、溶媒の使用などによって破壊されてこのウェブから取り除かれ、複数の薄層フィルムフレークが形成される。この薄層フィルム構造は、米国特許第5,135,812号(その開示は、本明細書において参考として援用されている)に記載されるように、従来の様式でウェブ材料上に形成され得る。このピグメントフレークはさらに、所望の場合、例えば、このフレークを空気研磨(air grind)を用いて所望のサイズに粉砕することによって、断片化され得、その結果、このピグメントフレークの各々は、その任意の表面に、約2μ〜約200μの範囲におよぶ寸法を有する。
【0039】
別の作製方法において、少なくとも反射層を含む上記の層のうちの1つ以上の層は、フィルムを形成するためにウェブ上に蒸着され、続いてこれは、複数のピグメントのプリフレーク(preflake)を形成するために破砕され、ウェブから取り除かれる。これらのプリフレークは、所望であれば、研削によってさらに断片化され得る。次いでプリフレークは、複数のピグメントフレークを形成するために、連続した封入プロセスにおいて層を維持したままでコートされる。
【0040】
代替的な作製方法において、反射粒子は、複数のピグメントフレークを形成するために、連続した封入プロセスにおいて、上記の層でコートされ得る。封入プロセスが、フレークの外層を形成するために使用される場合、各々の封入層は、1つの物質で構成される連続した層であり、そしてフレーク構造の周囲に実質的に同じ厚みを有することが理解される。
【0041】
種々のコーティングプロセスは、誘電性コーティング層および吸収性コーティング層を、封入によって形成する工程において利用され得る。例えば、誘電層を形成するのに適切な好ましい方法としては、真空蒸気蒸着、ゾル−ゲル加水分解、流動層におけるCVD、および電気化学蒸着が挙げられる。吸着層を形成するのに適切な好ましい方法としては、真空蒸気蒸着、および粒子の機械的な振動層上でのスパッタリングが挙げられ、これらは、同一出願人による同時係属中の特許出願番号09/389,962(1999年9月3日出願、「Methods and Apparatus for Producing Enhanced Interference Pigments」と題される)に開示されており、その全体が本明細書中に参考として援用される。あるいは、吸収性コーティングは、金属−オルガノ化合物の熱分解による分解または関連のCVDプロセスよって蒸着され得る。これは、Schmidらに対する米国特許第5,364,467号および同第5,763,086号(これらの開示は、本明細書中に参考として援用される)において開示されるように、流動層において実施され得る。さらなる研削が実施されない場合、これらの方法は、その周りに誘電性物質および吸収性物質を有する封入されたコアフレークセクションを生じる。上記のコーティングプロセスの種々の組み合わせは、それらの周りに複数のコーティングを有するピグメントフレークの製造の間に利用され得る。
【0042】
本発明のいくつかのフレークは、多層の薄層フィルム干渉構造として特徴づけられ得、ここで層は、フレークが、第1および第2の平行平面の外部表層および第1および第2の平行平面の外部表層に対して垂直な端の厚みを有するような平行平面に位置する。このようなフレークは、狭い粒子サイズ分布を伴って、少なくとも約2:1、好ましくは、約5〜15:1のアスペクト比を有するように産生される。フレークのアスペクト比は、このフレークの端の厚みの寸法に対する第1および第2の外部表層の最も長い平面の寸法の比を取ることによって確定される。
【0043】
カラーシフティングのフレークに対してさらなる耐久性を与えるために、アニーリングプロセスが、約10分〜約24時間の範囲の時間、そして好ましくは約15〜60分の時間にわたって、約200〜300℃、そして好ましくは約250〜275℃の温度範囲でフレークを加熱処理するために使用され得る。
【0044】
本発明のカラーシフティングピグメントフレークは、多様な物体および紙に適用し得る着色(colorant)組成物を産生するためのピグメント媒質内に散在し得る。媒質に添加されたピグメントフレークは、凝固した媒質の表面上に入射する放射線によって予め決められた光学的応答を産生する。適切なピグメント媒質としては、種々の重合性組成物または有機結合剤(例えば、アクリルメラミン、ウレタン、ポリエステル、ビニル樹脂、アクリレート、メチルアクリレート、ABS樹脂、エポキシ、スチレン、アルキド樹脂ベースのインクおよび塗料処方物、ならびにそれらの混合物)が挙げられる。ピグメント媒質と合わされたカラーシフティングフレークは、塗料、インクまたは成形用プラスチック物質として直接使用され得る着色組成物を産生する。この着色組成物はまた、従来の塗料、インクまたはプラスチック物質に添加物として利用され得る。
【0045】
さらに、カラーシフティングフレークは、必要に応じて、種々の添加剤(例えば、従来のピグメントフレーク、粒子、または異なる色相、彩度および明度の染料)とブレンドされて、所望の色特徴が達成され得る。例えば、このフレークは、他の従来のピグメント(干渉型または非干渉型のいずれか)と混合されて、一定範囲の他の色が生成され得る。次いで、この予めブレンドされた組成物は、ポリマー媒体(例えば、塗料、インク、従来の様式で使用するためのプラスチックまたは他のポリマーピグメントビヒクル)に分配され得る。
【0046】
本発明のカラーシフティングフレークと組み合わせられ得る適切な添加剤の例としては、例えば、MgF2/Al/MgF2小板(platelet)またはSiO2/Al/SiO2小板のような、色をシフトしない高彩度または高反射性の小板(これは、独特の色彩効果(color effect)を生じる)が挙げられる。このカラーシフティングフレークと混合され得る他の適切な添加剤としては、層状ピグメント(例えば、アルミニウムフレーク、炭素フレーク、ガラスフレーク、酸化鉄、窒化ホウ素、マイカフレーク、干渉ベースのTiO2コーティングマイカフレーク、複数のコーティングされたプレート様ケイ酸基質に基づく干渉ピグメント、金属誘電性干渉ピグメントもしくは全誘導性干渉ピグメントなど);および非層状ピグメント(例えば、アルミニウム粉末、カーボンブラック、群青、コバルトベースのピグメント、有機ピグメントまたは染料、金紅石ベースまたは尖晶石ベースの無機ピグメント、天然に存在するピグメント、無機ピグメント(例えば、二酸化チタン、タルク、陶土など));ならびに種々のこれらの混合物が挙げられる。例えば、アルミニウム粉末またはカーボンブラックのようなピグメントが添加されて、明度および他の色彩特性が制御され得る。
【0047】
本発明のカラーシフティングフレークは、高彩度かつ色のさめない着色料が所望される適用における使用に特に適切である。着色料組成物にこのカラーシフティングフレークを用いることにより、高彩度の、色のさめない塗料またはインクが生成され得る。ここで、変えることができる色彩効果は、人目を引くものである。本発明のカラーシフティングフレークは、広範なカラーシフティング特性を有し、これらの特性としては、彩度の大きなシフト(色の純度の程度)および見る角度を変えた場合の色相の大きなシフト(相対色)もまた挙げられる。従って、本発明のカラーシフティングフレークを含む塗料で着色した物体は、見る角度または目に対する物体の角度の変化に依存して、色彩が変わる。例示により、本発明のピグメントフレークを利用して達成され得るカラーシフティングとしては、桃色〜緑色、緑色〜桃色、橙色〜金色、紫色〜赤色、桃色〜金色、銀色〜緑色、シアンブルー〜桃色、および金色〜緑色が挙げられる。
【0048】
本発明のカラーシフティングフレークは、容易にかつ経済的に塗料中で利用され得、これらの塗料およびインクは、種々の物体または紙(例えば、電動乗り物)、紙幣またはセキュリティー文書、家庭用器具、建築用構造物、床材、生地、スポーツ用品、エレクトロニックパッケージング/ハウジング、玩具、製品包装などに適用され得る。このカラーシフティングフレークはまた、着色されたプラスチック材料、コーティング組成物、押出し成形品、静電コーティング、ガラスおよびセラミック材料を形成する際に利用され得る。
【0049】
図3は、本発明の別の実施形態に従うカラーシフティングホイル30のコーティング構造を示す。このホイル30は、非対称の多層薄膜構造であり、この構造は、先に議論されたフレーク20と本質的に同じ層構造を有する。
従って、ホイル30は、反射層32、反射層32上の選択吸収層34、選択吸収層34上の誘電層36、および誘電層36上の吸収層38を備える。これらの層の各々は、同じ物質から構成され得、上記のように、フレーク10および20の対応する層と同じ厚さを有する。
【0050】
ホイル30は、ウェブコーティング処理によって形成され得、薄いフィルムホイル構造を形成するために、従来の蒸着技術によってウェブ物質上に連続して蒸着した上記のような種々の層を有する。ホイル30はまた、キャリア基板上に形成され得るか、またはホイルが対象の表面に引き続き付着され得るように、解離層上で形成され得る。
【0051】
例えば、図4Aは、任意の解離層42(この上に反射層32が蒸着する)を有するウェブ40上に蒸着したホイル30の1つの実施形態を示す。解離層が使用されない場合、ホイル30を使用して、キャリアとしてウェブ40に付着し得る。あるいは、ホイル30は、解離層が使用される場合、任意の透明な接着剤44を介して透明な基板(示されていない)に積層され得る。
【0052】
図4Bは、吸収層38が任意の解離層42を有するウェブ40上に蒸着する、ホイル30の代替的な実施形態を示す。解離層が使用されない場合、ホイル30を使用して、キャリアとしてウェブ40(これは、好ましくは透明である)に接着し得る。ホイル30はまた、解離層が使用される場合、接着剤46(例えば、高温スタンプ可能な接着剤、圧力感受性接着剤、耐久性接着剤など)を介して、基板(示されていない)に接着され得る。
【0053】
本発明のカラーシフティングフレークおよびホイルは、誘電層の厚さの減少に起因して、生産性における増加の利益を提供し、誘電層は、金属層または他の選択吸収層によって置換され得る。金属は、一般的に、誘電金属よりも速い速度で蒸着され得るので、いくらかの厚さの誘電層と金属との置換は、より低い製造費用の可能性を提供する。
【0054】
以下の実施例は、本発明を例示するために与えられ、本発明の範囲を限定することは意図されない。
【0055】
(実施例)
特定の対象の色の特徴を数量化するために、Commission Internationale de l’Eclairage(CIE)によって開発されたL*a*b*色座標システムを呼び出すことは、有用であり、これは、色の値を正確に記載するために産業における標準として現在使用されている。このシステムにおいて、L*は、明るさを示し、そしてa*およびb*は、色度座標を示す。以下の1つの実施例において、本発明のピグメントに特徴的な色は、L*、彩度(C*)(これは、色の純度に対応する)、および色合い(h)(これは、変化する角度での色のバリエーションに対応する)の点で、従来のピグメントと比較される。
【0056】
L*a*b*色システムは、パラメーターΔEabを介する2つの測定値間の色の差異の比較を可能にし、ΔEabは、L*a*b*色空間において測定される色の変化(例えば、2つの異なるピグメント設計の色の差異)を示す。ΔEabの数値を、測定されたL*a*b*値を使用して以下の等式:
ΔEab=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2
を介して計算し、ここで、記号Δは、比較される測定値における差異を示す。
【0057】
(実施例1)
Cr/SiO2/Al/SiO2/Crの5層設計を有する従来のカラーシフティングピグメントを、コーティング構造Cr/SiO2/Si/Al/Si/SiO2/Crを有する本発明のピグメントについての7層設計と比較した。各設計におけるクロム吸収層は、55Åの物理的厚さを有し、SiO2誘電層は、650nmで4 QWOTの光学的な厚さを有し、そして各設計におけるアルミニウム反射層は、400Åの物理的厚さを有した。本発明の7層設計における反射層の各側面上のシリコン選択吸収層は、180Åの物理的厚さを有した。
【0058】
図5は、波長の関数としての反射率の理論的なプロットを示すグラフであり、プロットライン50は、従来の5層設計に対応し、プロットライン52は、実施例1の7層設計に対応する。図5のグラフは、7層設計における反射層の各側面上のシリコン選択的吸収を添加する理論的効果の指標を与え、これは、スペクトルの青色領域(380〜500nm)における増加した吸収を示し、それにより、従来の5層設計中のカラーシフトと異なるカラーシフトの組み合わせを可能にする。
【0059】
(実施例2)
実施例1に記載される従来のカラーシフティングピグメントを、コーティング構造Cr/SiO2/Si/Al/Si/SiO2/Crを有する本発明のピグメントについての7層設計と比較した。7層設計は、実施例1の設計に類似し、これらは、55Åのクロム吸収層、180Åのシリコン選択吸収層、および400Åのアルミニウム反射層を含むが、600nmで4 QWOTのSiO2誘電層について、減少した光学的な厚さを有した。
【0060】
図6は、波長の関数としての反射率の理論的なプロットを示すグラフであり、プロットライン50は、従来の5層設計に対応し、プロットライン54は、実施例2の7層設計に対応する。図6のグラフは、誘電層について減少した光学的厚さを有する7層設計が、675nmにおいて5層設計と同じピーク値を有するように、シフトダウンすることを示す。
【0061】
(実施例3)
赤紫色〜緑色のシフト(以下「M/G OVP」)を有する従来のカラーシフティングピグメントを、上記のL*a*b*カラーシステムを使用して、コーティング構造Cr/SiO2/Si/Al/Si/SiO2/Crを有する本発明のピグメントについての7層ピグメントと比較した。7層設計は、以下の層の厚さを有した:55Åのクロム吸収層、600nmで4 QWOTのSiO2誘電層、180Åのシリコン選択吸収層、および400Åのアルミニウム反射層。7層ピグメントは、ピンク色〜緑色のカラーシフトを示した。
【0062】
以下の表1は、M/G OVPピグメントおよび本発明の7層ピグメント(7層)について作製した色データを列挙し、M/G OVPピグメントと7層ピグメントとの間のこれらの値の各々における変化(Δ)と共に、L*、a*、b*、C*、およびhについて測定した値を含む。表1のデータを作製するために使用された光源/観測者条件は、サンプルを照射するためにΔ65 10deg(10度で6500Kの黒体光源)を含んだ。
【0063】
ΔEabについての数値(2つのピグメントについての色の変化を示す)は、表1におけるL*a*b*値から25.92であると計算した。M/G OVPピグメントおよび本発明の7層ピグメントは、類似の誘電層の厚さを有するので、色の差異は、青色領域において吸収する7層ピグメントのシリコン層に起因する。
【0064】
(表1)
【0065】
【表1】
図7は、波長の関数としての反射率を示すグラフであり、プロットライン60は、M/G OVPピグメントに対応し、プロットライン62は、実施例3の7層設計に対応する。図7のグラフに示されるように、7層ピグメントは、M/G OVPピグメントと比較して、青色領域において減少した反射率(すなわち、増加した吸収)を有した。
【0066】
(実施例4)
アルミニウム層のような反射層上に配置された、シリコン層のような選択吸収層の光学的影響を分析した。50Å、100Å、および150Åのシリコン層を含む、3つの異なる厚さのシリコン層を分析した。金の反射を、アルミニウム上のシリコン層によって生成した。
【0067】
図8は、アルミニウム上の50Å、100Å、および150Åのシリコン層の各々について、ならびにシリコン層なしでのアルミニウム層についての波長の関数としての反射率の理論的なプロットを示すグラフである。シリコン層の影響を決定するために、カラースペクトル(color spectral)領域を、2つの部分(380〜500nm部分および550〜780nm部分)に分けた。図8のグラフに示されるように、シリコン層は、青色領域(380〜500nm)で非常に吸収性(すなわち、低い反射率)であり、その結果、アルミニウムリフレクタは、青色領域ではもはやリフレクタではない。カラースペクトル領域の550〜780nm部分について、シリコン層は、はるかに少ない吸収を有する(すなわち、より高い反射率を可能にする)。
【0068】
(実施例5)
Cr/SiO2/Al/SiO2/Crの5層設計を有する従来のカラーシフティングピグメントを、コーティング構造Cr/SiO2/Si/Al/Si/SiO2/Crを有する本発明に従う種々の7層ピグメント設計と比較した。7層設計のシリコン層の厚さを、50Å、100Å、および150Åの厚さを有するシリコン層を含むように変化させた。7層設計の各々におけるSiO2誘電層の厚さは、5層設計と同じ波長でその反応ピークを維持するために対応する量を減少させた。なぜなら、シリコン層は、7層設計の全体の誘電体の厚さを効果的に増大させるからである。以前に考察されたように、増加した誘電体の厚さは、反応ピークをより長い波長にシフトさせる。
【0069】
図9は、50Å、100Å、および150Åのシリコン層を有する7層設計の各々について、ならびにシリコン層なしでの5層設計についての波長の関数としての反射率の理論的なプロットを示すグラフである。図9のグラフは、シリコン層の厚さが、より厚いシリコン層が青色領域において漸増性の吸光度を有するが、赤色領域においてより低い性能を有するという点で、どのようにピグメント設計性能に影響するかを示す。
【0070】
本発明は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具体化され得る。記載された実施形態は、例示のみであり制限的でないことが、全ての観点で考慮される。従って、本発明の範囲は、前述の説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の同等の意味内および範囲内で生じる全ての変化が、これらの範囲内に包含される。
【図面の簡単な説明】
【図1】
図1は、本発明の実施形態による、カラーシフティングピグメントフレークのコーティング構造の概略図である。
【図2】
図2は、本発明の別の実施形態による、カラーシフティングピグメントフレークのコーティング構造の概略図である。
【図3】
図3は、本発明の別の実施形態による、カラーシフティングホイルのコーティング構造の概略図である。
【図4A】
図4Aは、ウェブ上に形成された、図3のホイルの代替の概略構成である。
【図4B】
図4Bは、ウェブ上に形成された、図3のホイルの代替の概略構成である。
【図5】
図5は、従来のピグメントおよび本発明のピグメントに関する、反射率の、波長の関数としての理論的プロットを示すグラフである。
【図6】
図6は、従来のピグメントおよび本発明のピグメントに関する、反射率の、波長の関数としての理論的プロットを示すグラフである。
【図7】
図7は、従来のピグメントおよび本発明によって作製されたピグメントに関する、反射率の、波長の関数としてのプロットを示すグラフである。
【図8】
図8は、アルミニウム上の種々のシリコン層、およびシリコン層を有さないアルミニウム層に関する、反射率の、波長の関数としての理論的プロットを示すグラフである。
【図9】
図9は、種々のシリコン層を有する本発明のピグメント設計、および従来のピグメントに関する、反射率の、波長の関数としての理論的プロットを示すグラフである。
Claims (21)
- カラーシフティングピグメントフレークであって、該ピグメントフレークは、以下:
第1の面および第2の面を有する少なくとも1つの反射層;
該反射層の第1の面の上の第1の選択的吸収層;
該第1の選択的吸収層の上の第1の誘電層;ならびに
該第1の誘電層の上の第1の吸収層、
を備え、
ここで、該ピグメントフレークは、離散的カラーシフトを示し、その結果、該ピグメントフレークは、第1の入射光角度または視角での第1の色および第2の入射光角度または視角での第2の色を有し、該第2の色は、該第1の色とは異なる、
ピグメントフレーク。 - 請求項1に記載のピグメントフレークであって、該ピグメントフレークは、以下:
前記反射層の第2の面の上の第2の選択的吸収層;
該第2の選択的吸収層の上の第2の誘電層;および
該第2の誘電層の上の第2の吸収層、
をさらに備える、ピグメントフレーク。 - 請求項2に記載のピグメントフレークであって、ここで、前記第1の吸収層および前記第2の吸収層は、クロム、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、白金、チタン、バナジウム、コバルト、鉄、炭素、グラファイト、スズ、タングステン、モリブデン、ロジウム、ニオブおよびそれらの組み合わせまたは合金からなる群より選択される物質を含む、ピグメントフレーク。
- 請求項2に記載のピグメントフレークであって、ここで、前記第1の誘電層および第2の誘電層が約1.65以下の屈折率を有する誘電物質を含有する、ピグメントフレーク。
- 請求項4に記載のピグメントフレークであって、ここで、前記誘電物質が、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、フッ化マグネシウム、フッ化アルミニウム、フッ化セリウム、フッ化ランタン、フッ化ネオジウム、フッ化サマリウム、フッ化バリウム、フッ化カルシウム、フッ化リチウムおよびそれらの組み合わせからなる群より選択される、ピグメントフレーク。
- 請求項2に記載のピグメントフレークであって、ここで、前記第1の誘電層および第2の誘電層が約1.65より大きい屈折率を有する誘電物質を含有する、ピグメントフレーク。
- 請求項6に記載のピグメントフレークであって、ここで、前記誘電物質は、硫化亜鉛、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、二酸化チタン、炭素、酸化インジウム、インジウムスズ酸化物、五酸化タンタル、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化ユーロピウム、酸化鉄、窒化ハフニウム、炭化ハフニウム、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化マグネシウム、酸化ネオジム、酸化プラセオジム、酸化サマリウム、三酸化アンチモン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、一酸化ケイ素、三酸化セレン、酸化スズ、三酸化タングステンおよびそれらの組み合わせからなる群より選択される、ピグメントフレーク。
- 請求項2に記載のピグメントフレークであって、ここで、前記第1の誘電層および前記第2の誘電層はそれぞれ、高屈折性物質および低屈折性物質の複数の交互層を有する誘電性光学スタックから構成される、ピグメントフレーク。
- 前記誘電性光学スタックが階調性の屈折率を有する、請求項8に記載のピグメントフレーク。
- 請求項1に記載のカーラーシフティングピグメントフレークであって、該ピグメントフレークは、以下:
前記反射層を実質的に取り囲む選択的吸収層;
該選択的吸収層を実質的に取り囲む誘電層;および
該誘電層を実質的に取り囲む吸収層、
をさらに備える、ピグメントフレーク。 - 請求項2に記載のカラーシフティングピグメントフレークであって、ここで、前記少なくとも1つの反射層が少なくとも1つの側面を有し、前記選択的吸収層は前記第1の面および第2の面上に配置されるが該少なくとも1つの面上には配置されず、
前記第1の誘電層および第2の誘電層は、前記誘電層を実質的に取り囲み、そして
前記第1の吸収層および第2の吸収層は、該誘電層を実質的に取り囲む、
ピグメントフレーク。 - カラーシフティングホイルであって、該ホイルは、以下:
反射層;
該反射層の上の選択的吸収層;
該選択的吸収層の上の誘電層;および
該誘電層の上の吸収層、
を備え、ここで、該ホイルは、離散的カラーシフトを示し、その結果、該ホイルは、第1の入射光角度または視角での第1の色および第2の入射光角度または視角での第2の色を有し、該第2の色は、第1の色とは異なる、カラーシフティングホイル。 - 請求項12に記載のホイルであって、該ホイルはウェブキャリアをさらに備え、該ウェブキャリアは該ウェブキャリア上に前記反射層または前記吸収層のいずれかを有する、ホイル。
- 請求項13に記載のホイルであって、ここで、前記ウェブキャリアは、該キャリアの上の該ウェブキャリアと前記反射層との間または該ウェブと前記吸収層との間に配置される解離層をさらに備える、ホイル。
- 請求項14に記載のホイルであって、該ホイルを基材に接着するための接着剤をさらに備える、ホイル。
- 請求項15のホイルであって、ここで、前記接着剤がホットスタンピング可能な接着剤、感圧性接着剤、永久接着剤、および透明接着剤からなる群より選択される、ホイル。
- 請求項12に記載のホイルであって、ここで、前記反射層が、アルミニウム、銀、銅、金、白金、スズ、チタン、パラジウム、ニッケル、コバルト、ロジウム、ニオブ、クロムおよびそれらの組み合わせまたは合金からなる群より選択される反射性物質を含む、ホイル。
- 請求項12に記載のホイルであって、ここで、前記反射層が約200Å〜約1000Åの物理的厚さを有する、ホイル。
- 請求項12に記載のホイルであって、ここで前記選択的吸収層が、ケイ素、炭化ケイ素、アンチモン化アルミニウム、ヒ化アルミニウム、酸化鉄、酸化銅、酸化マンガン、硫化カドミウム、セレン化カドミウム、セレン化亜鉛、AgGaSe2、Bi12GeO20、ケイ化チタン、ケイ化タンタル、ケイ化タングステン、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される無機物質、ホイル。
- 請求項12に記載のホイルであって、ここで、前記選択的吸収層が有機色素物質を含有する、ホイル。
- 請求項39のホイルであって、ここで、前記有機色素物質は、共役ポリマー、発色団および助色団を含む有機色素分子、塩基性色素もしくはカチオン染料、酸性染料および含金属化染料、クロム染料および媒染染料、直接染料および顕色直接染料、硫化染料、アゾイック染料、建染染料、分散染料、反応染料、およびその組み合わせからなる群より選択される、ホイル。
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