JP7463734B2 - 発色構造体 - Google Patents

Description

本発明は、構造色を呈する発色構造体に関する。

薄膜干渉や多層膜干渉といった光の干渉を利用して色を視認させる発色構造体が知られている。こうした発色構造体を物品に付すことで、色素が呈する色による装飾とは異なる外観の装飾を物品に施すことができる。それゆえ、物品の意匠性の向上が可能である（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１－１８９５１９号公報

薄膜干渉や多層膜干渉を生じさせる誘電体層において、干渉によって強められる光の波長域は、誘電体層が含む薄膜の各界面で反射される光の光路差によって決まる。入射光の入射角度が変われば、光路差は変わり、また、干渉によって強められた光は、入射光の正反射方向へ射出される。それゆえ、発色構造体に対する観察角度が変わると、視認される色の色相や明るさが大きく変化する。そこで、発色構造体の用途の拡大のために、観察角度の変化による色変化を抑えることのできる構造が求められている。

本発明は、観察角度の変化による色変化を抑えることを可能とした発色構造体を提供することを目的とする。

上記課題を解決する発色構造体は、凸部または凹部である複数の凹凸要素から構成される凹凸構造を表面に有する凹凸層と、前記凹凸構造に追従した表面形状を有し、干渉によって強められた反射光を射出する単層の薄膜からなる誘電体層と、を備え、前記凹凸層の厚さ方向に沿った方向から前記凹凸構造を見た平面視において、前記凹凸要素の短辺方向の幅および長辺方向の幅の各々は、１０μｍ以上１００μｍ以下であり、前記厚さ方向に沿った前記凹凸要素の寸法は、前記平面視での前記凹凸要素の端部から中央部に向かって連続的に大きくなり、前記短辺方向の幅に対する、前記凹凸要素内における前記厚さ方向に沿った寸法の最大値の比は、０．１以上１．０以下であり、前記誘電体層の材料の可視領域での消衰係数は、前記反射光における支配色の波長域にて最も小さい値を有し、前記支配色の波長域以外にて最も大きい値を有する。

上記課題を解決する発色構造体は、凸部または凹部である複数の凹凸要素から構成される凹凸構造を表面に有する凹凸層と、前記凹凸構造に追従した表面形状を有し、干渉によって強められた反射光を射出する単層の薄膜からなる誘電体層と、を備え、前記凹凸層の厚さ方向に沿った方向から前記凹凸構造を見た平面視において、前記凹凸要素の短辺方向の幅および長辺方向の幅の各々は、１０μｍ以上１００μｍ以下であり、前記厚さ方向に沿った前記凹凸要素の寸法は、前記平面視での前記凹凸要素の端部から中央部に向かって連続的に大きくなり、前記短辺方向の幅に対する、前記凹凸要素内における前記厚さ方向に沿った寸法の最大値の比は、０．１以上１．０以下であり、前記誘電体層は、金属酸化物、金属窒化物、および、金属酸窒化物のいずれかの金属化合物からなり、当該金属化合物は、化学量論組成よりも金属元素が過剰な組成を有する。

上記構成によれば、誘電体層が凹凸層の凹凸構造に沿った表面形状を有することにより、干渉により強められた波長域の反射光が散乱されて、様々な方向に射出される。そのため、発色構造体に対する観察角度の変化による色変化が抑えられ、反射光の支配色が広い観察角度で視認可能となる。また、干渉を生じさせる誘電体層が単層の薄膜であるため、多層膜層を用いる場合と比較して、発色構造体の構成が簡易となり、発色構造体の製造に要する負荷が軽減される。さらに、誘電体層が、可視領域の上記支配色以外の光のうちに吸収性を有するため、この吸収性を有する波長域の光が、発色構造体からの反射光に含まれることが抑えられる。したがって、発色構造体が呈する支配色の鮮明さが高められる。

上記構成において、前記誘電体層は、酸化チタンからなり、前記酸化チタンは、化学量論組成よりもチタンを多く含んでもよい。
上記構成によれば、可視領域の支配色以外の光のうちに吸収性を有する誘電体層が好適に実現される。

上記構成において、前記誘電体層は前記凹凸層に接し、前記誘電体層に対して前記凹凸層と反対側に位置し、前記反射光の強度を強める機能を有する反射層を備えてもよい。
上記構成によれば、誘電体層に対して凹凸層の位置する側から観察される発色構造体において、反射光の強度が高められる。したがって、発色構造体が呈する色の視認性が高められる。

上記構成において、前記凹凸層と前記誘電体層との間に位置し、前記反射光の強度を強める機能を有する反射層を備えてもよい。
上記構成によれば、凹凸層に対して誘電体層の位置する側から観察される発色構造体において、反射光の強度が高められる。したがって、発色構造体が呈する色の視認性が高められる。

上記構成において、前記誘電体層は、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚さを有してもよい。
上記構成において、前記誘電体層の材料の屈折率は、１．５より大きく３．０以下であってもよい。
上記各構成によれば、誘電体層における光の干渉が好適に生じやすくなる。

上記構成において、前記反射層における前記誘電体層を透過した光の反射率が３０％以上であってもよい。
上記構成において、前記反射層は金属材料から構成されてもよい。
上記構成において、前記反射層は、５０ｎｍ以上の厚さを有してもよい。
上記各構成によれば、反射光の強度がより高められる。

上記構成において、前記凹凸層を支持する基材をさらに備えてもよい。
上記構成によれば、熱や光を利用した転写成形を利用して樹脂製の凹凸層を形成する製造方法が適用できる。したがって、凹凸層の凹凸構造を簡便に形成することができる。

上記構成において、前記厚さ方向に沿った前記凹凸層の断面において、前記凹凸要素の表面は曲線を構成してもよい。
上記構成によれば、上記断面にて凹凸要素の表面が直線となる形態と比較して、入射光に対する凹凸要素の表面の角度が、当該表面内において不均一になる。そのため、反射光の散乱効果が高められる。

上記構成において、前記平面視において、前記複数の凹凸要素は、正方格子状に並んでいてもよい。
上記構成によれば、複数の凹凸要素の配置の設計および複数の凹凸要素の形成が容易である。また、平面視にて凹凸要素が四角形形状を有する場合には、構造層の表面にて平坦部が少なくなるように複数の凹凸要素を配置することが容易である。

上記構成において、前記構造層の前記表面に含まれる平坦部の割合は、前記平面視での当該表面の単位面積あたりにおいて１０％以下であってもよい。
上記構成によれば、反射光において散乱成分の割合が十分に確保されるため、観察角度の変化による色変化が的確に抑えられる。また、反射光における正反射成分の割合が小さく抑えられるため、観察者の目にかかる負担が小さくなる。

上記構成において、前記平面視において、前記凹凸要素は、前記短辺方向の幅と前記長辺方向の幅とが一致した正方形形状を有し、前記複数の凹凸要素において、前記短辺方向の幅および前記長辺方向の幅は一定であってもよい。

上記構成によれば、構造層の表面における平坦部が少なくなるように複数の凹凸要素を配置することが容易である。さらに、厚さ方向の断面にて凹凸要素の表面が曲線を構成する場合には、上記平面視にて凹凸要素が正方形であれば、凹凸要素の表面内において部位による表面の傾きのばらつきが大きいため、入射光に対する凹凸要素の表面の角度が、当該表面内においてより不均一になる。それゆえ、凹凸要素の形状が単純であって凹凸要素の形成が容易でありながら、反射光の散乱効果が高められる。

上記構成において、前記平面視において、前記凹凸要素は四角形形状を有し、隣り合う前記凹凸要素において、前記短辺方向の幅および前記長辺方向の幅の少なくとも一方は互いに異なってもよい。

上記構成によれば、凹凸要素の形状が単純であって凹凸要素の形成が容易でありながら、複数の凹凸要素の形状が一定である形態と比較して、反射光の散乱効果が高められる。さらに、厚さ方向の断面にて凹凸要素の表面が曲線を構成する場合には、上記平面視にて凹凸要素が四角形であれば、凹凸要素の表面内において部位による表面の傾きのばらつきが大きいため、入射光に対する凹凸要素の表面の角度が、当該表面内においてより不均一になる。それゆえ、反射光の散乱効果が高められる。

本発明によれば、発色構造体において、観察角度の変化による色変化を抑えることができる。

発色構造体の第１実施形態について、発色構造体の断面構造を示す図。 第１実施形態の発色構造体が備える樹脂層の斜視構造を示す図。 第１実施形態の発色構造体が備える樹脂層の平面構造および断面構造を示す図。 ＴｉＯ_２の屈折率および消衰係数の波長に応じた変化を示す図。 ＴｉＯ_ｘの屈折率および消衰係数の波長に応じた変化を示す図。 アルミニウムの屈折率および消衰係数の波長に応じた変化を示す図。 ポリエチレンテレフタラートの屈折率および消衰係数の波長に応じた変化を示す図。 ＴｉＯ_２およびＴｉＯ_ｘの各々を用いた場合の反射光の波長を示す図。 発色構造体の第２実施形態について、発色構造体の断面構造を示す図。 変形例の発色構造体の断面構造を示す図。

（第１実施形態）
図１～図８を参照して、発色構造体の第１実施形態を説明する。発色構造体が対象とする入射光および反射光は、可視領域の光である。以下の説明において、可視領域の光とは、３６０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の波長域の光を指す。

［発色構造体の構成］
図１が示すように、発色構造体１０は、基材２０と、凹凸層の一例である樹脂層２１と、誘電体層２２、反射層２３とを備えている。

基材２０は、平坦な層であり、樹脂層２１を支持している。基材２０は、可視領域全体の光を透過する材料、すなわち、可視領域の光に対して透明な材料から構成される。基材２０としては、例えば、合成石英基板や、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）等の樹脂からなるフィルムが用いられる。発色構造体１０の可撓性が高められる観点では、基材２０は樹脂フィルムであることが好ましい。基材２０の膜厚は、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下である。

樹脂層２１は、基材２０上に位置する。樹脂層２１は、基材２０に向けられた面とは反対側の面である表面に、凹凸構造を有する。凹凸構造は、複数の凸部２１ａから構成される。凸部２１ａは、凹凸要素の一例であり、誘電体層２２に向けて突出する。

樹脂層２１は、可視領域全体の光を透過する樹脂、すなわち、可視領域の光に対して透明な樹脂から構成される。樹脂層２１の材料の樹脂としては、例えば、光硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂が用いられる。

誘電体層２２は、樹脂層２１の表面を覆い、樹脂層２１の凹凸構造に追従した表面形状を有している。誘電体層２２は、誘電体から構成された単層の薄膜からなる層であり、干渉によって強められた反射光を射出する。誘電体層２２は、金属酸化物、金属窒化物、および、金属酸窒化物のいずれかの材料から構成される。誘電体層２２における光の干渉を好適に生じさせるためには、誘電体層２２の材料の屈折率は、１．５より大きく３．０以下であることが好ましく、また、誘電体層２２の膜厚は１０ｎｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。なお、誘電体層２２の材料および膜厚は、発色構造体１０にて発色させる所望の色に応じて、選択されればよい。

反射層２３は、誘電体層２２に対して樹脂層２１とは反対側で、誘電体層２２に接している。反射層２３は、誘電体層２２の表面の凹凸構造に追従した表面形状を有している。反射層２３は、干渉によって強められて射出される反射光の強度を高める機能を有する。可視領域について透過率よりも反射率の方が大きい反射層２３を実現可能であれば、その材料および膜厚は限定されないが、反射光の強度をより高めるためには、反射層２３は金属材料から構成されることが好ましく、反射層２３の膜厚は５０ｎｍ以上であることが好ましい。

第１実施形態の発色構造体１０は、樹脂層２１に対して基材２０の位置する側から発色構造体１０に入る光を入射光として、樹脂層２１に対して基材２０の位置する側から観察される。言い換えれば、発色構造体１０は、誘電体層２２に対して樹脂層２１の位置する側から観察される。

基材２０および樹脂層２１を透過した入射光が誘電体層２２に入ると、誘電体層２２は、薄膜干渉による反射光を射出する。すなわち、誘電体層２２と樹脂層２１との界面で反射した光および誘電体層２２と反射層２３との界面で反射した光が干渉を起こし、これによって強められた波長域の光が射出される。反射層２３が、誘電体層２２に対して樹脂層２１と反対側に位置することにより、反射層２３が設けられていない場合と比較して、観察者に向けて射出される反射光の強度が大きくなる。反射光の強度を高めるためには、誘電体層２２と反射層２３との界面における光の反射率、すなわち、反射層２３における誘電体層２２を透過した光の反射率は、３０％以上であることが好ましい。

そして、樹脂層２１の凹凸構造に起因して、上記各界面の入射光に対する角度が発色構造体１０内で変化するため、様々な方向に反射光が射出される。すなわち、反射光が散乱される。結果として、様々な方向からの入射光に対し、干渉によって強められた波長域の光が、様々な方向に射出され、当該波長域の光が広い観察角度で視認可能となる。
上記構成において、誘電体層２２の材料の屈折率をｎ１、樹脂層２１の材料の屈折率をｎ２、反射層２３の材料の屈折率をｎ３とする。ｎ１＞ｎ２、かつ、ｎ１＞ｎ３であるとき、干渉で強め合う可視領域の波長について下記式（１）が満たされる。下記式（１）において、ｄは誘電体層２２の膜厚であり、ｍは０または任意の正の整数であり、θは入射光の入射角度であり、λは入射光の波長である。
２×ｎ１×ｄ×ｃｏｓθ＝（１／２＋ｍ）λ ・・・（１）

また、ｎ１＞ｎ２、かつ、ｎ１＜ｎ３であるとき、干渉で強め合う可視領域の波長について下記式（２）が満たされる。下記式（２）において、ｄは誘電体層２２の膜厚であり、ｍは任意の正の整数であり、θは入射光の入射角度であり、λは入射光の波長である。
２×ｎ１×ｄ×ｃｏｓθ＝ｍ×λ ・・・（２）

上記式（１）または（２）が満たされる構成であれば、薄膜干渉によって強められた反射光が好適に得られる。

ここで、一般に、単層の薄膜干渉あるいは多層膜干渉を生じさせるための誘電体層は、反射成分を増大させるために、可視領域全体の光を透過する材料、すなわち、可視領域の全域の光に対して透明な材料から構成される。しかしながら、単層の薄膜干渉による反射光の波長域は、多層膜干渉による反射光の波長域ほど急峻なピークを有さないため、反射光の波長選択性が低くなりやすく、その結果、反射光として視認される色の鮮明さが低くなりやすい。つまり、単層の薄膜干渉を生じさせる従来の誘電体層は、特定の色を発色させるための構造体に用いるには不向きであった。

そこで、本実施形態では、可視領域の光のうち、誘電体層２２における反射光の支配色以外の少なくとも一部の光を、誘電体層２２が吸収するように、誘電体層２２を構成している。反射光の支配色は、すなわち、光の干渉が生じた結果、反射光において最も強度が大きくなる波長域に対応する色である。発色構造体１０には支配色が視認される。

詳細には、可視領域において、誘電体層２２の材料の消衰係数ｋは、反射光の支配色の波長域にて最も小さい値を有し、かつ、支配色の波長域以外にて最も大きい値を有する。例えば、反射光の支配色の波長域において、誘電体層２２の材料の消衰係数ｋは０であり、当該波長域から離れるほど、上記材料の消衰係数ｋが大きくなる。

こうした誘電体層２２は、その材料として、化学量論組成よりも金属元素が過剰な組成を有する金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物を用いることにより実現できる。これらの金属化合物は、化学量論組成を有する場合には、可視領域全体の光を透過する。そして、金属化合物の消衰係数ｋの最小値は、金属元素が過剰になるにつれて低波長側にシフトしやすい。なお、金属の消衰係数ｋは、波長が大きくなるにつれて大きくなる。

本実施形態の発色構造体１０によれば、可視領域の光のうち、誘電体層２２の反射光の支配色以外の少なくとも一部の光が、誘電体層２２に吸収される。したがって、入射光のうち、反射光の支配色以外の光、すなわち、発色構造体１０にて発色させたい色とは異なる色の光が、発色構造体１０にて反射して観察者に視認されることが抑えられる。そのため、発色構造体１０にて発色させたい特定の色がより鮮明に視認されるようになる。

［凹凸構造の構成］
樹脂層２１が有する凹凸構造について詳細に説明する。図２は、樹脂層２１の斜視構造を示し、図３は、樹脂層２１の平面構造および断面構造を示す。

図２が示すように、凹凸構造は、複数の凸部２１ａが隙間なく並ぶ構造を有している。例えば、凸部２１ａはマイクロレンズを構成しており、樹脂層２１はマイクロレンズアレイを構成している。

図３が示すように、樹脂層２１の厚さ方向に沿った方向から凹凸構造を見た平面視において、凸部２１ａは四角形形状を有することが好ましく、特に、正方形形状を有することが好ましい。複数の凸部２１ａは互いに同一の正方形形状を有し、複数の凸部２１ａは、上記正方形の辺が延びる方向に沿って、正方格子状に並んでいることが好ましい。

凸部２１ａの幅Ｄは、正方形の一辺の長さであり、複数の凸部２１ａにおいて、幅Ｄは一定である。幅Ｄは、１０μｍ以上１００μｍ以下である。幅Ｄが１０μｍ以上であると、凸部２１ａの規則的な配列に起因して光の回折が生じることが抑えられる。それゆえ、回折光として虹色が視認されることが抑えられるため、誘電体層２２における反射光の支配色の視認性が高められる。また、幅Ｄが１０μｍ以上であると、凸部２１ａが微細になりすぎないため、凹凸構造の形成が容易であり、発色構造体１０の生産効率が高められる。一方、幅Ｄが１００μｍ以下であると、凸部２１ａが１つの構造体として人間の目に認識されることが抑えられる。これらの各効果が均衡して得られる観点では、幅Ｄは、４０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。

凸部２１ａの最大高さＨは、樹脂層２１の厚さ方向に沿った凸部２１ａの寸法の最大値である。言い換えれば、最大高さＨは、上記厚さ方向における、凸部２１ａの周面の基端と先端との間の長さである。複数の凸部２１ａにおいて、最大高さＨは一定である。最大高さＨは、例えば、１０μｍ以下であることが好ましい。

凸部２１ａのアスペクト比、すなわち、幅Ｄに対する最大高さＨの比は、０．１以上１．０以下である。アスペクト比が０．１以上であれば、平面と比較して十分な起伏を有する凹凸構造が形成されるため、凹凸構造による散乱効果が高く得られる。

一方、アスペクト比が１．０以下であれば、凸部２１ａ内での光の反射が抑えられる。凸部２１ａ内での反射が大きいと、入射光のうち、誘電体層２２における反射光の支配色とは異なる波長域の光が凸部２１ａ内で反射されて観察者に向けて射出されることが起こり得る。支配色とは異なる波長域の光が視認されると、支配色の視認性が低下する。これに対し、上述のように、アスペクト比が１．０以下であれば、支配色とは異なる波長域の光が視認されることが抑えられるため、視認される支配色の鮮明さが低下することが抑えられる。なお、凸部２１ａは、支配色とは異なる波長域の光を反射し難い形状に設計されていることが好ましい。

凸部２１ａの高さは、樹脂層２１の広がる方向、すなわち、上記厚さ方向と直交する方向における凸部２１ａの端部から中央部に向けて、連続的に変化し、徐々に大きくなる。そして、凸部２１ａの高さは、樹脂層２１の広がる方向における凸部２１ａの中央部で最大となる。言い換えれば、凸部２１ａの高さは、上記平面視での凸部２１ａの端部に対応する部分から、上記平面視での凸部２１ａの中央部に対応する部分に向けて、連続的に大きくなる。そして、上記平面視にて正方形の重心である凸部２１ａの中心Ｃが位置する部分で、凸部２１ａの高さは最大となる。

中心Ｃを通り上記厚さ方向に沿った断面において、凸部２１ａの周面である表面は、誘電体層２２に向けて突出するように湾曲する曲線を構成する。この曲線の曲率は一定であってもよいし、一定でなくてもよい。例えば、凸部２１ａの端部と中央部とで上記表面が構成する曲線の曲率は異なっていてもよい。

上記曲線の曲率が一定である構成では、凸部２１ａの中央部で曲率が大きくなる形態と比較して、凸部２１ａ内での光の反射を抑えやすい。一方、上記曲線の曲率が一定でない構成では、入射光に対する凸部２１ａの周面の角度が、周面内においてより不均一になるように凸部２１ａを構成することができるため、誘電体層２２の反射光の散乱効果を高めるように凸部２１ａの形状を設計することもできる。

凸部２１ａの配列の周期Ｐは、凸部２１ａの配列方向、すなわち、正方形を構成する辺に沿った２つの方向のいずれについても、幅Ｄと一致する。こうした構成においては、樹脂層２１の表面は、平坦な部分を有さない。

なお、複数の凸部２１ａは、隣り合う凸部２１ａの間に隙間を空けて並んでいてもよい。言い換えれば、樹脂層２１の表面は、隣り合う凸部２１ａの間に平坦部を有していてもよい。ただし、上記平面視にて、樹脂層２１の表面における単位面積あたりの平坦部の割合は、１０％以下であることが好ましい。平坦部に誘電体層２２が積層されている領域では反射光の散乱が小さいが、平坦部の割合が１０％以下であれば、誘電体層２２からの反射光において散乱成分の割合が十分に確保されるため、観察角度の変化による色変化が的確に抑えられる。また、平坦部の割合が１０％以下であれば、誘電体層２２からの反射光における正反射成分の割合が小さく抑えられるため、観察者の目にかかる負担が小さくなる。なお、こうした効果を高めるためには、平坦部の割合は小さいほど好ましい。

凹凸構造の変形例について説明する。上記平面視における凸部２１ａの形状は、正方形に限らず、三角形、長方形、六角形等の多角形や、円形であってもよい。また、上記平面視における凸部２１ａの形状は、複数の凸部２１ａにおいて一定でなくてもよい。また、複数の凸部２１ａにおいて、最大高さＨは一定でなくてもよい。

ここで、反射光の散乱効果を高めてより多方向に反射光を射出させるためには、入射光に対する凸部２１ａの周面の角度が、周面内において不均一であるほど好ましい。例えば、上記平面視における凸部２１ａの形状が四角形である場合、四角形の頂点から四角形の中心に向けた周面の傾きの変化と、四角形の辺の中点から四角形の中心にむけた周面の傾きの変化とは異なる。したがって、凸部２１ａの周面内において部位による傾きのばらつきが大きい。それゆえ、凸部２１ａの形状が四角形である形態では、凸部２１ａの形状が単純であって凸部２１ａの形成が容易でありながら、反射光の散乱効果が高められる。

なお、上記平面視において、凸部２１ａの短辺方向の幅と長辺方向の幅とが異なるとき、短辺方向の幅と長辺方向の幅との双方が、１０μｍ以上１００μｍ以下とされる。上記短辺方向の幅は、上記平面視において凸部２１ａが内接する最小の矩形を仮想的に配置した場合における当該矩形の短辺の長さである。また、上記長辺方向の幅は、上記最小の矩形における長辺の長さである。また、凸部２１ａの最大高さＨは、短辺方向の幅を基準に設定されればよく、すなわち、短辺方向の幅に対する最大高さＨの比が、０．１以上１．０以下であればよい。上記平面視において凸部２１ａが正方形形状を有する形態は、上記短辺方向の幅と上記長辺方向の幅とが一致する形態である。

また、複数の凸部２１ａは、正方格子状に限らず、六方格子等の他の二次元格子状に並んでいてもよいし、不規則に並んでいてもよい。また、複数の凸部２１ａの配列の周期は一定でなくてもよい。

複数の凸部２１ａにおける形状の不規則性や配列の不規則性が高いほど、反射光の散乱効果が高められる。例えば、上記平面視において、凸部２１ａが四角形形状を有し、隣り合う凸部２１ａにおいて、短辺方向の幅および長辺方向の幅の少なくとも一方が互いに異なる形態であれば、凸部２１ａの形状が単純であって凸部２１ａの形成が容易であり、かつ、複数の凸部２１ａの形状が一定である形態と比較して、反射光の散乱効果が高められる。

また、凸部２１ａの高さが、上記平面視での凸部２１ａの端部から重心である中心に向けて徐々に大きくなる形態であれば、上記厚さ方向に沿った断面において、凸部２１ａの周面は当該周面の基端と先端とを結ぶ直線を構成していてもよい。ただし、上記断面において凸部２１ａの周面が曲線を構成する形態であれば、入射光に対する凸部２１ａの周面の角度が、周面内において不均一になるため、反射光の散乱効果が高められる。

［誘電体層の特性］
誘電体層２２の特性について、シミュレーション結果を用いて説明する。当該シミュレーションにおいては、発色構造体１０に青色を発色させる場合において、誘電体層２２の材料として、化学量論組成の酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用いたときと、化学量論組成よりも金属元素が過剰な酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ：０＜ｘ＜２）を用いたときとの各々について、反射光の波長域を求めた。ＴｉＯ_ｘは、言い換えれば、ＴｉＯ_２に対して酸素が欠損している状態の酸化チタンである。また、当該シミュレーションにおいては、反射層２３の材料にアルミニウムを適用した。

まず、図４～図６に、誘電体層２２および反射層２３の材料の屈折率ｎおよび消衰係数ｋを示す。図４は、ＴｉＯ_２の屈折率ｎおよび消衰係数ｋを示し、図５は、酸素が欠損するように成膜したＴｉＯ_ｘの屈折率ｎおよび消衰係数ｋを示し、図６は、アルミニウムの屈折率ｎおよび消衰係数ｋを示す。なお、図７は、基材２０として用いるポリエチレンテレフタラートの屈折率ｎおよび消衰係数ｋを示す。図４，６，７は市販品の規格値であり、図５は実測値である。

図４が示すように、ＴｉＯ_２については、可視領域の全体において消衰係数ｋが０であり、すなわち、ＴｉＯ_２は可視領域の全体において光を透過する。一方、図５が示すように、ＴｉＯ_ｘについては、青色光の波長域の一部である約４１０ｎｍ～約４５０ｎｍの波長域において消衰係数ｋが０であり、当該波長域から離れるにつれて、消衰係数ｋが大きくなっている。例えば、約７５０ｎｍ以上の波長域での消衰係数ｋは、０．０５付近である。このように、化学量論組成よりも金属元素が過剰な酸化チタンにおいては、消衰係数ｋが、青色光の波長域にて最も小さく、青色光以外の波長域で、青色光の波長域よりも大きい。当該消衰係数ｋは、可視領域においては、赤色光の波長域にて最大となる。なお、図４および図５が示すように、ＴｉＯ_２とＴｉＯ_ｘとで、屈折率ｎには差異はない。

ＴｉＯ_２とＴｉＯ_ｘとの各々について、入射光の入射角を３０°、反射層２３の膜厚を０．１μｍとし、誘電体層２２と反射層２３との積層体からの反射光の支配色が青色となる最適な膜厚を、遺伝的アルゴリズムを用いて探索した。その結果、青色発色に適したＴｉＯ_２の膜厚は０．０６８２μｍであり、青色発色に適したＴｉＯ_ｘの膜厚は０．０６２４μｍであった。

誘電体層２２の材料としてＴｉＯ_２とＴｉＯ_ｘとの各々を用いた場合について、誘電体層２２の膜厚を上記青色発色に適した膜厚とし、反射層２３の膜厚を０．１μｍとして、誘電体層２２と反射層２３との積層体からの反射光の波長域を求めた。図８は、その結果を示す。なお、図８には、参考値として、青色発色の多層膜層における反射光の波長域を示す。この多層膜層は、ＴｉＯ_２薄膜とＳｉＯ_２薄膜との交互積層体である。

図８が示すように、単層の薄膜からなる誘電体層２２を用いた場合、多層膜層を用いた場合と比べて、青色光以外の波長域、すなわち、支配色とは異なる色に対応する波長域での反射光の強度が大きいことがわかる。しかし、誘電体層２２の材料としてＴｉＯ_２を用いた場合と、ＴｉＯ_ｘを用いた場合とを比較すると、ＴｉＯ_ｘを用いた場合の方が、青色光以外の波長域での反射光の強度が低くなっている。このことは、上述のように、青色光以外の波長域において、ＴｉＯ_ｘの消衰係数ｋがＴｉＯ_２の消衰係数ｋよりも大きいことに因る。すなわち、ＴｉＯ_ｘからなる誘電体層２２は、青色光以外の光の吸収性を有しており、その結果、可視領域全体で吸収性を有さないＴｉＯ_２を用いた場合と比較して、青色光以外の波長域、言い換えれば、青色光の波長域よりも長波長領域での反射光の強度が低くなっている。

したがって、単層の薄膜からなる誘電体層２２を用いる場合においては、ＴｉＯ_２を用いた場合よりも、ＴｉＯ_ｘを用いた場合の方が、反射光に含まれる青色以外の色の光が少なくなり、結果として、青色の反射光が視認されやすくなる。言い換えれば、より鮮やかな青色が観察される。

なお、ＴｉＯ_２とＴｉＯ_ｘとをそれぞれ用いた場合について、誘電体層２２の膜厚を、青色発色に適したＴｉＯ_２の膜厚に統一した場合、および、青色発色に適したＴｉＯ_ｘの膜厚に統一した場合のいずれにおいても、同様の結果が得られた。すなわち、ＴｉＯ_ｘを用いた場合の方が、青色光以外の波長域での反射光の強度が低くなった。

［発色構造体の製造方法］
発色構造体１０の製造方法を説明する。樹脂層２１が有する凹凸構造の形成方法としては、熱や光を利用した転写成形、射出成形、切削等の機械加工、エッチング等が用いられる。転写成形や射出成形に用いられる凹版は、機械加工やエッチングによって形成される。

例えば、形成対象の凹凸が反転された凹凸を有する凹版に、樹脂層２１の材料である光硬化性樹脂からなる塗布液が塗布され、塗布液からなる層の表面に、基材２０が重ねられる。基材２０と凹版とが互いに押し付けられた状態で、紫外線等の光が照射され、硬化した樹脂からなる層および基材２０から凹版が離型される。これによって、凹版の有する凹凸が樹脂に転写されて、表面に凹凸構造を有する樹脂層２１が形成され、基材２０と樹脂層２１とからなる積層体が形成される。

続いて、樹脂層２１の凹凸を有する表面に、誘電体層２２が形成される。さらに、誘電体層２２の表面に、反射層２３が形成される。誘電体層２２および反射層２３は、材料に応じて、スパッタリングや真空蒸着等の公知の薄膜形成技術によって形成される。これにより、発色構造体１０が形成される。

誘電体層２２の成膜時における材料の導入量の調整によって、化学量論組成よりも金属元素が過剰な組成を有する金属化合物の生成が可能である。例えば、金属酸化物からなる誘電体層２２の形成時には、化学量論組成を有する薄膜の形成時よりも酸素流量を減じることで、金属元素が過剰な組成を有する誘電体層２２を形成できる。

本実施形態の発色構造体１０は、干渉を生じさせる層として、単層の薄膜からなる誘電体層２２を備えるため、干渉を生じさせる層として多層膜層を備える構造と比較して、その構成が簡易であり、必要な薄膜の形成数が少ない。また、多層膜層を備える構造と比較して、１つの薄膜の膜厚の製造誤差が発色構造体１０の発色に与える影響が小さい。そのため、発色構造体１０の製造に要する負荷の軽減が可能であり、所望の発色も得られやすい。

以上、第１実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）発色構造体１０が、樹脂層２１と、樹脂層２１の凹凸構造に追従した表面形状を有する誘電体層２２とを備える。凸部２１ａの幅Ｄは、１０μｍ以上１００μｍ以下であり、厚さ方向に沿った凸部２１ａの高さは、平面視での凸部２１ａの端部から中央部に向かって連続的に大きくなり、幅Ｄに対する最大高さＨの比は、０．１以上１．０以下である。こうした構成によれば、誘電体層２２が樹脂層２１の凹凸構造に沿った表面形状を有することにより、誘電体層２２での干渉により強められる反射光が散乱されて、様々な方向に射出される。そのため、観察角度の変化による色変化が抑えられ、反射光の支配色が広い観察角度で視認可能となる。

（２）干渉を生じさせる誘電体層２２が単層の薄膜であるため、多層膜層を用いる場合と比較して、発色構造体１０の構成が簡易となる。したがって、発色構造体１０の製造に要する負荷が軽減される。

（３）誘電体層２２が、可視領域において反射光の支配色以外の光の吸収性を有するため、この吸収性を有する波長域の光が、発色構造体１０からの反射光に含まれることが抑えられる。したがって、発色構造体１０が呈する支配色の鮮明さが高められる。

具体的には、誘電体層２２の材料の可視領域での消衰係数ｋが、誘電体層２２における反射光の支配色の波長域にて最も小さい値を有し、支配色の波長域以外にて最も大きい値を有する。また、誘電体層２２は、金属酸化物、金属窒化物、および、金属酸窒化物のいずれかの金属化合物からなり、当該金属化合物は、化学量論組成よりも金属元素が過剰な組成を有する。これらによって、上記効果が得られる。

（４）発色構造体１０が、誘電体層２２に対して樹脂層２１と反対側に位置する反射層２３を備えている。これにより、誘電体層２２に対して樹脂層２１の位置する側から観察される発色構造体１０において、反射光の強度が高められる。したがって、発色構造体１０が呈する色の視認性が高められる。

（５）誘電体層２２が１０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚さを有すること、および、誘電体層２２の材料の屈折率が１．５より大きく３．０以下であることの各々によって、誘電体層２２における光の干渉が好適に生じやすくなる。

（６）反射層２３における誘電体層２２を透過した光の反射率が３０％以上であること、反射層２３が金属材料から構成されること、および、反射層２３が５０ｎｍ以上の厚さを有することの各々によって、反射光の強度がより高められる。

（７）厚さ方向に沿った樹脂層２１の断面において、凸部２１ａの周面である表面が曲線を構成する形態であれば、当該表面が直線となる形態と比較して、入射光に対する凸部２１ａの周面の角度が、周面内において不均一になる。そのため、反射光の散乱効果が高められる。

（８）平面視において、複数の凸部２１ａが正方格子状に並ぶ形態であれば、複数の凸部２１ａの配置の設計および複数の凸部２１ａの形成が容易である。また、平面視にて凸部２１ａが四角形形状を有する場合には、平坦部が少なくなるように複数の凸部２１ａを配置することが容易である。

（９）樹脂層２１の表面に含まれる平坦部の割合が、平面視での当該表面の単位面積あたりにおいて１０％以下である形態では、誘電体層２２の反射光において散乱成分の割合が十分に確保されるため、観察角度の変化による色変化が的確に抑えられる。また、誘電体層２２の反射光における正反射成分の割合が小さく抑えられるため、観察者の目にかかる負担が小さくなる。

（１０）平面視において、凸部２１ａが四角形形状を有する形態であれば、凸部２１ａの周面内において部位による周面の傾きのばらつきが大きいため、入射光に対する凸部２１ａの周面の角度が、周面内においてより不均一になる。それゆえ、凸部２１ａの形状が単純であって凸部２１ａの形成が容易でありながら、反射光の散乱効果が高められる。

（１１）平面視において、凸部２１ａが正方形形状を有し、複数の凸部において、幅Ｄが一定である形態では、平坦部が少なくなるように複数の凸部２１ａを配置することが容易である。また、平面視において、凸部２１ａが四角形形状を有し、隣り合う凸部２１ａにおいて、短辺方向の幅および長辺方向の幅の少なくとも一方が互いに異なる形態であれば、複数の凸部２１ａの形状が一定である形態と比較して、反射光の散乱効果が高められる。

（１２）発色構造体１０が樹脂層２１を支持する基材２０を備えることにより、熱や光を利用した転写成形を利用して樹脂製の樹脂層２１を形成する製造方法が適用できる。したがって、樹脂層２１の凹凸構造を簡便に形成することができる。

（第２実施形態）
図９を参照して、発色構造体の第２実施形態を説明する。第２実施形態では、誘電体層と反射層との位置関係が、第１実施形態と異なる。以下では、第２実施形態と第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。

図９が示すように、第２実施形態の発色構造体１１においては、樹脂層２１に反射層２３が接し、反射層２３に対して樹脂層２１と反対側に誘電体層２２が位置している。すなわち、第２実施形態の発色構造体１１では、樹脂層２１に対する誘電体層２２と反射層２３との位置が第１実施形態とは反対になっており、樹脂層２１と誘電体層２２との間に反射層２３が挟まれている。誘電体層２２は、発色構造体１１の最外層であり、空気層に接している。

第２実施形態における基材２０および樹脂層２１の構成は、第１実施形態と同様であり、すなわち、樹脂層２１が有する凹凸構造は、第１実施形態と同様である。
反射層２３は、樹脂層２１の表面を覆い、樹脂層２１が有する凹凸構造に追従した表面形状を有している。誘電体層２２は、反射層２３の表面の凹凸構造に追従した表面形状を有しており、すなわち、樹脂層２１が有する凹凸構造に追従した表面形状を有している。誘電体層２２と反射層２３との位置関係以外の構成、すなわち、誘電体層２２と反射層２３との材料および特性は、第１実施形態と同様である。

また、誘電体層２２と反射層２３との形成の順序が反対であること以外は、発色構造体１１の製造方法は、第１実施形態と同様である。
第２実施形態の発色構造体１１は、樹脂層２１に対して基材２０と反対側から発色構造体１１に入る光を入射光として、樹脂層２１に対して基材２０と反対側、すなわち、樹脂層２１に対して誘電体層２２が位置する側から観察される。

誘電体層２２に光が入射すると、誘電体層２２は、薄膜干渉による反射光を射出する。すなわち、誘電体層２２と空気層との界面で反射した光および誘電体層２２と反射層２３との界面で反射した光が干渉を起こし、これによって強められた波長域の光が射出される。反射層２３が、誘電体層２２に対して樹脂層２１と同じ側に位置することにより、反射層２３が設けられていない場合と比較して、観察者に向けて射出される反射光の強度が大きくなる。そして、干渉によって強められた反射光が、凹凸によって散乱されて多方向に射出されるため、観察角度による色の変化が緩やかになる。

上記構成において、誘電体層２２の材料の屈折率をｎ１、空気の屈折率をｎ４、反射層２３の材料の屈折率をｎ３とする。ｎ１＞ｎ４、かつ、ｎ１＞ｎ３であるとき、干渉で強め合う可視領域の波長について下記式（３）が満たされる。下記式（３）において、ｄは誘電体層２２の膜厚であり、ｍは０または任意の正の整数であり、θは入射光の入射角度であり、λは入射光の波長である。
２×ｎ１×ｄ×ｃｏｓθ＝（１／２＋ｍ）λ ・・・（３）

また、ｎ４＜ｎ１＜ｎ３であるとき、干渉で強め合う可視領域の波長について下記式（４）が満たされる。下記式（４）において、ｄは誘電体層２２の膜厚であり、ｍは任意の正の整数であり、θは入射光の入射角度であり、λは入射光の波長である。
２×ｎ１×ｄ×ｃｏｓθ＝ｍ×λ ・・・（４）

上記式（３）または（４）が満たされる構成であれば、薄膜干渉によって強められた反射光が好適に得られる。

第２実施形態においても、誘電体層２２の材料としては、化学量論組成よりも金属元素が過剰な組成を有する金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物が用いられる。そして、可視領域において、誘電体層２２の材料の消衰係数ｋは、誘電体層２２における反射光の支配色の波長域にて最も小さい値を有し、かつ、支配色の波長域以外にて最も大きい値を有する。

したがって、可視領域の光のうち、誘電体層２２における反射光の支配色以外の少なくとも一部の光が、誘電体層２２に吸収される。それゆえ、入射光のうち、反射光の支配色以外の光、すなわち、発色構造体１１にて発色させたい色とは異なる色の光が、発色構造体１１にて反射して観察者に視認されることが抑えられるため、発色構造体１１にて発色させたい特定の色がより鮮明に視認されるようになる。

以上、第２実施形態によれば、第１実施形態の（１）～（３），（５）～（１２）の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
（１３）発色構造体１１が、誘電体層２２と樹脂層２１との間に位置する反射層２３を備えている。これにより、樹脂層２１に対して誘電体層２２の位置する側から観察される発色構造体１１において、反射光の強度が高められる。したがって、発色構造体１１が呈する色の視認性が高められる。

［変形例］
上記各実施形態は、以下のように変更して実施することが可能である。
・発色構造体は、反射層２３に代えて、吸収層を備えていてもよい。吸収層は、観察者から見て誘電体層２２よりも奥に位置する。例えば、樹脂層２１に対して誘電体層２２の位置する側から発色構造体が観察される場合、図１０が示すように、吸収層２４は、基材２０における樹脂層２１と反対側の面を覆う。吸収層２４は、少なくとも、可視領域の光のうち、誘電体層２２における反射光の支配色以外の光の一部を吸収する。吸収層２４は、黒色顔料等を含む黒色の層であって、可視領域全体の光を吸収してもよい。吸収層が設けられていることにより、誘電体層２２における反射光の支配色の波長域とは異なる波長域の光が、発色構造体内部の各層の界面や、発色構造体とその外部との界面で反射して観察者に向けて射出されることが抑えられる。したがって、発色構造体に視認される支配色の鮮明さが高められる。

また、樹脂層２１に対して誘電体層２２の位置する側から発色構造体が観察される場合、樹脂層２１と誘電体層２２との間に代えて、図９の吸収層２４の位置、すなわち、基材２０における樹脂層２１と反対側の面を覆う位置に反射層が設けられていてもよい。誘電体層２２と樹脂層２１と基材２０とを透過して反射層によって反射される光に、支配色以外の光が混じっていても、誘電体層２２が支配色以外の光の吸収性を有するため、支配色以外の光が観察者に向けて射出されることは抑えられる。結果として、反射層は、反射光における支配色の光の強度をさらに高めることに寄与する。

・発色構造体は、基材２０と反対側で発色構造体の最外部を構成する保護層や、紫外線吸収機能を有する層等、上記各実施形態および変形例で説明した層とは異なる層をさらに備えていてもよい。

・発色構造体は、基材２０を備えていなくてもよい。発色構造体が基材２０を備えない場合、凹凸層は、合成石英のように樹脂とは異なる材料から構成されてもよい。
・樹脂層２１の凹凸構造は、誘電体層２２に対して窪む複数の凹部から構成されていてもよい。すなわち、凹凸構造は、凸部または凹部である複数の凹凸要素から構成されていればよい。凹凸要素が凹部である場合、平面視における凹部の形状には、凸部２１ａの形状と同様の構成が適用される。すなわち、平面視における凹部の短辺方向の幅および長辺方向の幅の各々は、１０μｍ以上１００μｍ以下であればよい。また、凹部の深さに関する構成には、凸部２１ａの高さと同様の構成が適用される。すなわち、樹脂層２１の厚さ方向に沿った凹部の寸法である深さは、平面視での凹部の端部から中央部に向かって連続的に大きくなり、上記短辺方向の幅に対する、凹部内における深さの最大値の比は、０．１以上１．０以下であればよい。

・発色構造体の用途は特に限定されない。発色構造体は、装飾のために物品に付されてもよいし、偽造の防止のために物品に付されてもよい。また、各用途において、発色構造体は、シール部材に適用されて物品に貼り付けられてもよいし、転写シートに適用されて物品に転写されてもよい。

［実施例］
上述した発色構造体およびその製造方法を、具体的な実施例を用いて説明する。
まず、光を利用した転写成形によって凹凸構造を形成するためのモールドを形成した。照射する光として、３６５ｎｍの波長の光を用いるため、この波長の光を透過する合成石英をモールドの材料として用いた。凹凸層への形成対象の凹凸の反転された凹凸を、電子線描画およびドライエッチング法を用いて合成石英基板に形成することにより、モールドを形成した。具体的には、平面視にて一辺が４５μｍの正方形領域を、端部から中央部にかけて弧を描くように連続的に深さを変えながら窪ませた凹部を、モールドの表面に隙間無く形成した。上記正方形領域の中央部の深さは７μｍである。モールドの表面には、離型剤としてオプツールＨＤ－１１００（ダイキン工業製）を塗布した。

次に、片面に易接着処理が施されたＰＥＴフィルム上に光硬化性樹脂を塗布し、この樹脂にモールドの凹凸が形成されている面を押し当て、３６５ｎｍの波長の光を照射して樹脂を硬化させた。その後、硬化した樹脂およびＰＥＴフィルムをモールドから剥離した。これにより、凹凸構造を有する樹脂層と基材であるＰＥＴフィルムとの積層体が得られた。

続いて、得られた樹脂層と基材との積層体の凹凸を有する面に、スパッタリング法によって、誘電体層として、膜厚が６０ｎｍである１層の酸化チタン膜を形成した。この際、チャンバーに導入する酸素流量を調整することによって、化学量論組成よりも金属元素が過剰になるように、酸化チタン膜を形成した。さらに、誘電体層の上面に、スパッタリング法によって、反射層として、膜厚が１００ｎｍである１層のアルミニウム膜を形成した。

これにより、実施例の発色構造体が得られた。実施例の発色構造体を誘電体層に対して樹脂層の位置する側から観察した。基材の面に直交する方向に対して３０°傾斜した方向から観察した結果、光沢感のある青色が視認性良く確認された。

さらに、誘電体層に対して樹脂層の位置する側に射出される反射光の角度依存性を測定した。発色構造体に対して白色光を３０°の入射角で入射させた結果、正反射光に対して±３０°の範囲で散乱光が確認された。

１０，１１…発色構造体、２０…基材、２１…樹脂層２１ａ…凸部、２２…誘電体層、２３…反射層、２４…吸収層。

Claims (13)

1. 凸部または凹部である複数の凹凸要素から構成される凹凸構造を表面に有する凹凸層と、
   前記凹凸構造に追従した表面形状を有し、干渉によって強められた反射光を射出する単層の薄膜からなる誘電体層と、を備え、
   前記凹凸層の厚さ方向に沿った方向から前記凹凸構造を見た平面視において、前記凹凸要素は多角形状を有し、複数の前記凹凸要素は、隣り合う前記凹凸要素間に隙間を空けずに二次元格子状に並び、
   前記平面視において、前記凹凸要素の短辺方向の幅および長辺方向の幅の各々は、１０μｍ以上１００μｍ以下であり、
   前記厚さ方向に沿った前記凹凸要素の寸法は、前記平面視での前記凹凸要素の端部から中央部に向かって連続的に大きくなり、
   前記短辺方向の幅に対する、前記凹凸要素内における前記厚さ方向に沿った寸法の最大値の比は、０．１以上１．０以下であり、
   前記誘電体層は、酸化チタンからなり、前記酸化チタンは、化学量論組成よりもチタンを多く含む
   発色構造体。
2. 前記誘電体層は前記凹凸層に接し、
   前記誘電体層に対して前記凹凸層と反対側に位置し、前記反射光の強度を強める機能を有する反射層を備える
   請求項１に記載の発色構造体。
3. 前記凹凸層と前記誘電体層との間に位置し、前記反射光の強度を強める機能を有する反射層を備える
   請求項１に記載の発色構造体。
4. 前記誘電体層は、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚さを有する
   請求項１～３のいずれか一項に記載の発色構造体。
5. 前記誘電体層の材料の屈折率は、１．５より大きく３．０以下である
   請求項１～４のいずれか一項に記載の発色構造体。
6. 前記反射層における前記誘電体層を透過した光の反射率が３０％以上である
   請求項２または３に記載の発色構造体。
7. 前記反射層は金属材料から構成される
   請求項２，３，６のいずれか一項に記載の発色構造体。
8. 前記反射層は、５０ｎｍ以上の厚さを有する
   請求項２，３，６，７のいずれか一項に記載の発色構造体。
9. 前記凹凸層を支持する基材をさらに備える
   請求項１～８のいずれか一項に記載の発色構造体。
10. 前記厚さ方向に沿った前記凹凸層の断面において、前記凹凸要素の表面は曲線を構成する
    請求項１～９のいずれか一項に記載の発色構造体。
11. 前記平面視において、前記複数の凹凸要素は、正方格子状に並んでいる
    請求項１～１０のいずれか一項に記載の発色構造体。
12. 前記平面視において、前記凹凸要素は、前記短辺方向の幅と前記長辺方向の幅とが一致した正方形形状を有し、前記複数の凹凸要素において、前記短辺方向の幅および前記長辺方向の幅は一定である
    請求項１～１１のいずれか一項に記載の発色構造体。
13. 前記平面視において、前記凹凸要素は四角形形状を有し、隣り合う前記凹凸要素において、前記短辺方向の幅および前記長辺方向の幅の少なくとも一方は互いに異なる
    請求項１～１１のいずれか一項に記載の発色構造体。