バルクエラストマーを利用した周期制御

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グ ル ー プ で 製 作 し た 可 変 カ ラ ー フ ィ ル タ は 静 電 櫛 歯 ア ク チ ュ エ ー タ や ヒ ン ジ で 形 成 し て い る た め ，CMOS イ メ ー ジ セ ン サ と の 一 体 化 や 高 速 動 作 に 適 し て い る が ，構 造 的 に フ レ キ シ ブ ル 性 を 有 し て い な い た め ウ ェ ア ラ ブ ル 素 子 へ の 応 用 が 困 難 で あ る ．よ っ て ，新 た な ア ク チ ュ エ ー シ ョ ン 方 法 を 検 討 す る 必 要 が あ る ．次 節 で は ，ほ と ん ど の 先 行 研 究 で 着 手 さ れ て い る バ ル ク エ ラ ス ト マ ー の 弾 性 変 形 を 利 用 し た 動 的 色 変 調 法 に つ い て 述 べ る ．

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図 1.3.9 (b)の よ う に 反 射 ス ペ ク ト ル も 150 nm ほ ど レ ッ ド シ フ ト し ， ナ ノ デ ィ ス ク の 周 期 も 横 方 向 に 拡 大 さ れ て い る こ と が 分 か る ． 現 状 で は 分 厚 い PDMSた め ，フ ィ ル ム を 伸 長 す る た め に 大 掛 か り な 治 具 を 用 い な け れ ば な ら な い ．

図 1.3.9. PDMS 基 板 に 形 成 し た ナ ノ デ ィ ス ク ア レ イ の 周 期 制 御 ．(a) 引 張 ひ ず み 印 加 の 様 子 ．(b) 反 射 ス ペ ク ト ル シ フ ト と ナ ノ デ ィ ス ク の SEM 画 像[66]．

図 1.3.10 に 示 す 構 造 は ，PDMS基 板 上 に SiO2粒 子 を 形 成 し ，Au ナ ノ 粒 子 を 付 着 さ せ る こ と で 金 属 周 期 構 造 を 製 作 し て い る ．光 が 入 射 し た と き ，Au 粒 子 に 局 在 す る 表 面 プ ラ ズ モ ン に よ り 図 1.3.10 (c)の よ う な 散 乱 強 度 の ピ ー ク が 生 じ る ．PDMS 基 板 を 30%伸 長 す る こ と で 図 1.3.10 (b)に 示 す Au 粒 子 の 周 期 変 化 と と も に ， 散 乱 波 長 を 47 nm シ フ ト さ せ る こ と に 成 功 し て い る[62]．

(a)

(b)

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用 途 と し て は ， 表 面 増 強 ラ マ ン ス ペ ク ト ル デ バ イ ス で あ る ．

図 1.3.10. PDMS 基 板 に 形 成 し た Au ナ ノ キ ャ ッ プ ア レ イ の 周 期 制 御 ．(a) 製 作 工 程 ，(b) Au 粒 子 の 周 期 変 化 の 様 子 ，お よ び(c) 基 板 伸 長 に よ る 散 乱 ピ ー ク シ フ ト[62]．

図 1.3.11 は ，PDMS 基 板 に ナ ノ グ ル ー ブ を 形 成 し ，55 nm の Ag 薄 膜 を 蒸 着 し た 構 造 で あ る ． 図 1.3.11 (a)よ り ， フ ィ ル ム の 伸 長 で 金 属 格 子 周 期 が 線 形 的 に 変 化 し て い る こ と が 分 か る ．図 1.3.11 (b)で は ，23%の フ ィ ル ム 伸 長 で 金 属 格 子 周 期 が 変 化 し ，表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 に 関 係 し た 反 射 ス ペ ク ト ル の デ ィ ッ プ を 80 nm 長 波 長 側 へ シ フ ト さ せ る こ と に 成 功 し て い る[67]．し か し な が ら ，Ag 薄 膜 が つ な が っ て い る た め ， ひ ず み 率 が 高 く な る と 他 の 構 造 に 比 べ て 崩 壊 し や す い と 考 え ら れ る ．

(a)

(b) (c)

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図 1.3.11. PDMS 基 板 に 形 成 し た ナ ノ グ ル ー ブ に よ る 周 期 制 御 ． 引 張 ひ ず み に 伴 う(a) 格 子 周 期 の 変 化 ，お よ び(b) 反 射 ス ペ ク ト ル の デ ィ ッ プ シ フ ト[67]．

図1.3.12はPDMS中 に Auナ ノ ホ ー ル ア レ イ を 埋 め 込 ん だ 構 造 で あ る[65]． 図 1.3.12 (b)の 透 過 ス ペ ク ト ル で は ，x 方 向 に 10%の 引 張 ひ ず み を 印 加 す る と x 偏 光 で は 周 期 拡 大 に 伴 い 6 nm レ ッ ド シ フ ト し ， ひ ず み に 垂 直 方 向 の y 偏 光 で は 7 nm ブ ル ー シ フ ト し て い る ． 製 作 方 法 は 図 1.3.12 (a)の よ う に 簡 便

(a)

(b)

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で 生 産 性 が 高 い が ，図 1.3.11 と 同 様 に 引 張 ひ ず み を 印 加 す る 構 造 に 適 し て い な い ．

図 1.3.12. PDMS 基 板 中 に 埋 め 込 ま れ た Au ナ ノ ホ ー ル ア レ イ に よ る 周 期 制 御 ．(a) 製 作 方 法 ．(b) SEM 画 像 と 透 過 ス ペ ク ト ル シ フ ト[65]．

図 1.3.13 は PDMS 上 に 形 成 し た ナ ノ ス ク エ ア ア レ イ を 二 次 元 方 向 に 伸 縮 さ せ て い る[68]． 図 1.3.13 (a)に お い て 初 期 状 態 で は 緑 色 が 表 示 さ れ て お り ， x 方 向 に 伸 長 す る と 周 期 が 拡 大 し ，散 乱 ピ ー ク が レ ッ ド シ フ ト し て 赤 色 が 表 示 さ れ て い る ．ま た ，y 方 向 に 伸 長 す る と x 方 向 の 周 期 は 縮 小 す る た め ，ブ ル ー シ フ ト し て 紫 色 が 表 示 さ れ て い る ． 図 1.3.13 (b)の デ モ ン ス ト レ ー シ ョ ン で は ，465 nm-505 nm の 波 長 を 持 つ シ ア ン の 光 源 を 使 用 し て ， 周 期 の 異 な る 三 文 字 を 伸 縮 さ せ る こ と で 入 射 波 長 に 対 応 す る 周 期 の 文 字 の み 発 光 さ せ る こ と に 成 功 し て い る ．

(a)

(b)

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図 1.3.13. PDMS基 板 に 形 成 さ れ た Alナ ノ ス ク エ ア ア レ イ に よ る 二 次 元 方 向 の 周 期 制 御 ．(a) 散 乱 ス ペ ク ト ル シ フ ト ．(b) SEM 画 像 と 伸 縮 に 伴 う 発 光 文 字 の 変 化[68]．

(a)

(b)

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図 1.3.14 は ， プ ラ ズ モ ニ ッ ク 構 造 を 形 成 し た PDMS 基 板 を 静 電 櫛 歯 型 ア ク チ ュ エ ー タ と 一 体 化 し た 構 造 で あ る[100]． 図 1.3.14 (a)の よ う に ， 四 方 向 か ら PDMS 基 板 を 200 V の 印 加 電 圧 で 伸 長 す る こ と で Al デ ィ ス ク の 周 期 を 調 整 し て い る ． 図 1.3.14 (b)は 製 作 フ ロ ー を 示 し て お り ，Si の モ ー ル ド 内 に 電 子 ビ ー ム(electron beam，EB)リ ソ グ ラ フ ィ に よ り プ ラ ズ モ ニ ッ ク 構 造 を 製 作 後 ，PDMS を 20 µm の 膜 厚 で 形 成 し て 離 型 す る ．ア ク チ ュ エ ー タ は PDMS と は 別 に 製 作 し ，最 終 的 に 接 合 す る ．図 1.3.14 (c)に 示 さ れ た よ う に ，シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は 視 認 可 能 な 程 度 の RGB を 出 力 で き て い る ．

図 1.3.14. MEMS ア ク チ ュ エ ー タ と 一 体 化 し た チ ュ ー ナ ブ ル カ ラ ー フ ィ ル タ ．(a) デ バ イ ス 構 造 の 上 面 図 ，(b) プ ラ ズ モ ニ ッ ク 構 造 部 分 の 拡 大 図 ， お よ び(c) 櫛 歯 の モ デ ル 図[100]．

こ れ ま で 紹 介 し て き た ほ と ん ど の 先 行 研 究 は ，エ ラ ス ト マ ー の 膜 厚 が ミ リ (b)

(a)

(c)

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ー ダ ー で あ り ， デ バ イ ス 応 用 を 考 慮 し た と き に MEMS と の 一 体 化 が 困 難 で あ る ．ま た ，数 十 µm で も MEMSア ク チ ュ エ ー タ の 駆 動 力 で 伸 長 す る こ と が 困 難 で あ る ．次 節 で は ，こ れ ら の デ バ イ ス 応 用 に 向 け た 課 題 に つ い て 述 べ る ．