JP4595445B2 - フォトニック結晶、光導波路、光共振回路、光記録媒体、及びフォトニック結晶の製造方法 - Google Patents
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本発明のフォトニック結晶を構成する単分散熱可塑性樹脂粒子(以下、単に「樹脂粒子」と略す)は、熱可塑性樹脂を主成分とする単分散粒子である。樹脂粒子の平均粒径は、粒子が二次元又は三次元のフォトニック結晶を形成したときにフォトニック結晶となるような粒径であればよく、10〜2000nmの範囲であればよいが、フォトニック結晶は、フォトニック結晶を形成する誘電体の周期を、入射させる光等の電磁波の波長と同程度とすることで、フォトニックバンドギャップが出現するので、実際には、制御させたい電磁波の波長に合わせて決定する。例えば、可視光の範囲を制御したい場合は、平均粒径は10〜1000nmの範囲とするとよい。
本発明でいう融着とは、具体的には、樹脂粒子に活性エネルギー線を照射したとき、樹脂粒子が軟化、変形し、隣接する樹脂粒子同士が融着することを指す。
一般に、物質に、物質が吸収する波長の活性エネルギー線を照射すると、エネルギーを吸収して励起状態となり、該励起状態から基底状態に失活する際に熱エネルギーが発生する。本発明はこれを利用するもので、具体的には、樹脂粒子が吸収する波長の活性エネルギー線を照射して、該樹脂粒子に、樹脂が熱変形する温度(例えば、ガラス転移点温度や軟化点等の、樹脂が熱変形する温度)と同等あるいはそれ以上のエネルギーを与えることで、樹脂粒子を融着させる。
その方法としては、例えば、
1)樹脂粒子を構成する熱可塑性樹脂そのものが吸収する波長の活性エネルギー線を照射して該樹脂粒子を軟化、変形させることにより融着させる方法。
2)樹脂粒子に、任意の波長の活性エネルギー線を吸収する物質を含有させておき、該物質が吸収する波長の活性エネルギー線を照射して該樹脂粒子を軟化、変形させることにより融着させる方法。
が挙げられる。本発明においては、1)または2)の方法いずれでもよく、1)または2)の方法を組み合わせても良い。
また、熱可塑性樹脂に任意の波長を吸収するような構造単位を組み込ませることで、任意の波長の活性エネルギー線を使用することができる。例えば、後述の紫外線や可視光線を吸収するようなフォトクロミズムを示す化学構造を熱可塑性樹脂に導入すると、活性エネルギー線として紫外線や可視光線を使用することができる。具体的には、アゾベンゼン構造を熱可塑性樹脂に導入することで、近紫外線〜可視光が使用でき、チタンサファイアレーザーやアルゴンレーザー等の紫外、可視レーザーを使用できる。前記構造単位は、熱可塑性樹脂を合成する際に、前記構造単位を有するモノマーを原料とすることで、容易に熱可塑性樹脂に組み込ませることができる。
任意の波長の活性エネルギー線を吸収する物質を使用することで、過度の活性エネルギー線照射を行うことなく欠陥領域を作成することができる。従って、熱に弱い材料を使用する用途、または周辺部材への熱の影響が心配される用途に非常に有用である。
任意の波長の活性エネルギー線を吸収する物質を該樹脂粒子に添加する方法としては、粒子とする前の熱可塑性樹脂にあらかじめ混合すればよく、例えば、公知の、超音波分散機、サンドミル、ボールミル、ペイントコンディショナーなどの分散機を使用して混合すればよい。
前記活性エネルギー線を吸収して熱を発生する物質としては、例えば、IR吸収剤や、金・銀などの金属微粒子、活性エネルギー線の波長を吸収帯に有する色素が挙げられる。これらの例としては、カーボンブラック、フタロシアニン、ナフタロシアニン、シアニン等の顔料や染料、ポリメチン系顔料や染料、スクワリリウム色素などの赤色吸収剤、銅イオン錯体、アンチモンをドープした酸化スズの微粒子などの有機又は無機の物質が挙げられる。これらは単独で用いても、二種以上を混合して用いてもよい。例えば、IR吸収剤や金属微粒子の添加量は、使用する光源の波長領域における熱可塑性樹脂粒子の吸光度が0.5〜3程度となるように調節するが、具体的には不揮発分に対して0.5〜50質量%の範囲が好ましく、1〜30質量%の範囲がより好ましい。0.5質量%より少ないと熱の発生が少ないために、融着が充分に起こらず、また、50質量%より多い場合は、フォトニック結晶がもろくなったり均一な熱可塑性樹脂粒子が形成されなくなったりするおそれがある。
(参考文献 Optical Switching and Image Storage by Means of Azobenzene Liquid-Crystal Films, Science, 268, 1873-1875 (1995))
本発明で使用する樹脂粒子は、例えば、熱可塑性樹脂の原料となるモノマー組成物を乳化重合法、ソープフリー乳化重合法、又は懸濁重合法により重合させて樹脂粒子を得る方法や、溶液重合等で得た熱可塑性樹脂を、強制乳化や転相乳化により粒子化させる方法により得られる。中でも、微小で且つ粒径の揃った粒子が得られることから、ソープフリー乳化重合法が好ましい。ここでは例として、ビニル系樹脂からなる樹脂粒子をソープフリー乳化重合で得る方法の具体的態様について述べる。勿論、本発明においては該具体的態様に限られるべきではなく、ビニル系樹脂以外の熱可塑性樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂等を使用する場合は、各々公知の重合方法や公知の原料、粒子化方法に従い樹脂粒子を作成し、本発明のフォトニック結晶の材料として使用することができる。
単分散性の樹脂粒子は、該粒子を溶解させない溶媒に分散させ、該分散液をガラス板等の基板上に塗布して溶媒を除去すると、樹脂粒子が自己集合するかのように整列して二次元又は三次元の周期構造領域を形成する。ここで使用する溶媒としては、水、メタノール、エタノール等の適当な蒸発速度を持つものが好ましい。分散液の濃度は使用する溶媒によっても異なるが、0.05〜50質量%であればよい。
本発明のフォトニック結晶に存在する線状欠陥領域又は点状欠陥領域は、単分散熱可塑性樹脂粒子に活性エネルギー線を照射して該粒子の軟化と変形を誘起し、隣接した粒子同士が融着することによってフォトニック結晶の格子周期構造が部分的に崩れた部分である。
フォトニック結晶の欠陥部分は、フォトニックバンドギャップが無くなるために光が存在可能となる。欠陥領域が線状に連なっていると、光は線状欠陥領域に粗って伝送されるのでフォトニック結晶光導波路として機能する。また欠陥欠陥が点状であれば、光は点状欠陥領域に集中して強まるので、フォトニック結晶光共振回路として機能する。
反応容器に蒸留水40mlを仕込み、窒素雰囲気下、攪拌しながら、90℃に加熱した。これに、メチルメタクリレート8.6g(85.9mmol)、2−[エチル{4−(4−ニトロフェニルアゾ)フェニル}]エチルメタクリレート1.73g(4.53mmol)、エチレングリコールジメタクリレート1.19g(6.00mmol)の混合物を滴下し、15分間攪拌を続けた。その後、7.5×10−3mol/Lのペルオキソ二硫酸カリウム水溶液10mlを添加して重合を開始した。80分間、攪拌速度700rpmで攪拌した後、反応を終了した。孔径5μmの濾紙を用いて粒子から塵芥を取り除き、更に粒子を蒸留水で洗浄した後、5000rpmで遠心分離した。この方法から、電子顕微鏡による計測で、平均粒子径230nm、変動係数3%の粒子が得られた。
製造例1で得られたフィルムを95℃に保ち、波長488nmのアルゴンイオンレーザーを強度500W/m2で1800秒間照射した。この後、該フィルムの可視反射スペクトルを測定したところ、中心波長565nmのフォトニックバンドギャップが消失した。更にこのフィルムに波長400〜500nmの可視光線を200mW/cm2の強度で30分間照射したが、フォトニックバンドギャップは再生しなかった。
次に、レーザー照射後の該フィルムの電子顕微鏡観察を行った結果、レーザー照射部の粒子が移動・融着し、フォトニック結晶の周期構造が崩れていることが確認された。
製造例1で得られたフィルムを95℃に保ち、フォトマスクを介して波長488nmのアルゴンイオンレーザーを強度500W/m2で1800秒間照射した。この後、該フィルムの光学顕微鏡観察を行った結果、レーザー照射部とマスクによって非照射部となった部分の反射率の差に基づくパターンが形成されていることを確認した。次に、レーザー照射部及び非照射部の電子顕微鏡観察を行った結果、レーザー照射部の粒子は移動と融着を起こしており、フォトニック結晶の周期構造が崩れていることが確認できたが、非照射部の粒子は移動しておらず、フォトニック結晶の周期構造が保たれていることが確認された。
2: コリメーター
3: 単分散性熱可塑性樹脂粒子
4: 単分散性熱可塑性樹脂粒子がレーザーにより融着した線状欠陥領域または点状欠陥領域
5: 本発明のフォトニック結晶
Claims (9)
- フォトクロミック色素を含有する単分散性熱可塑性樹脂粒子からなる二次元又は三次元の周期構造領域、及び、前記単分散性熱可塑性樹脂粒子の融着による線状欠陥領域または点状欠陥領域とを有することを特徴とするフォトニック結晶。
- フォトクロミック色素がアゾベンゼン構造、スピロピラン構造、フルキド構造又はジアリールエテン構造を有する化合物である請求項1に記載のフォトニック結晶。
- 樹脂粒子を構成する物質の0.5〜80モル%がフォトクロミック色素である請求項1又は2記載のフォトニック結晶。
- 前記単分散性熱可塑性樹脂粒子が、フォトクロミズムを示す化学構造を有する熱可塑性樹脂からなる粒子である、請求項1に記載のフォトニック結晶。
- 前記単分散性熱可塑性樹脂粒子が、ビニル系樹脂粒子である、請求項1〜4のいずれかに記載のフォトニック結晶。
- 請求項1〜5のいずれかに記載のフォトニック結晶からなることを特徴とする光導波路。
- 請求項1〜5のいずれかに記載のフォトニック結晶からなることを特徴とする光共振回路。
- 請求項1〜5のいずれかに記載のフォトニック結晶の製造方法であって、基板上に形成した単分散性熱可塑性樹脂粒子からなる二次元又は三次元の周期構造体に、線状または点状に活性エネルギー線を照射して、前記単分散性熱可塑性樹脂粒子同士を融着させることを特徴とする、フォトニック結晶の製造方法。
- 前記二次元又は三次元の周期構造体が、基板上に、単分散性熱可塑性樹脂粒子分散液を塗布又は印刷して得られたものである、請求項8に記載のフォトニック結晶の製造方法。
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