中空ナノヒンジ構造を利用した周期制御

本 研 究 室 で は こ れ ま で に ，表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 を 励 起 す る 波 長 を 決 定 す る う え で 最 も 支 配 的 な パ ラ メ ー タ で あ る 金 属 格 子 配 列 の 周 期 を 制 御 す る こ と で ，光 の 異 常 透 過 現 象 を 制 御 す る 研 究 に 取 り 組 ん で き た[84–86]．デ バ イ ス は ， 図 1.3.5 に 示 す コ ン セ プ ト 図 の よ う に 中 空 の Al ナ ノ ワ イ ヤ ー 格 子 配 列 と 静 電 櫛 歯 型 MEMS ア ク チ ュ エ ー タ と が 一 体 化 さ れ た 構 造 で あ る ． こ の 構 造 よ り ，電 圧 駆 動 で 格 子 周 期 を 制 御 で き ，そ れ に 伴 う 異 常 透 過 光 の ス ペ ク ト ル を 制 御 す る こ と が 可 能 で あ る ．

図 1.3.5. 静 電 櫛 歯 ア ク チ ュ エ ー タ と 一 体 化 さ れ た Al ナ ノ ワ イ ヤ ー サ ブ 波 長 格 子 ．(a) 1 画 素 の 構 造 ， お よ び(b) 拡 大 図[84]．

図 1.3.6 は 実 際 に 製 作 さ れ た 表 面 プ ラ ズ モ ン 可 変 カ ラ ー フ ィ ル タ の SEM 画 像 で あ る ．製 作 方 法 は ，第 2 章 で 後 述 す る 犠 牲 層 エ ッ チ ン グ プ ロ セ ス を 行 い ，基 板 か ら 自 立 し た Alナ ノ ワ イ ヤ ー 配 列 を 形 成 す る こ と に 成 功 し て い る ． 格 子 に は 最 小 幅 100 nm の ヒ ン ジ が 設 け ら れ て お り ， 格 子 を 駆 動 す る た め の

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バ ネ の 役 割 を し て い る ． 図 1.3.7 は 製 作 さ れ た 表 面 プ ラ ズ モ ン 可 変 カ ラ ー フ ィ ル タ で あ る ．Si 基 板 に 製 作 さ れ て お り ，各 画 素 に は 光 を 透 過 さ せ る た め の 基 板 貫 通 孔 が 設 け ら れ て い る ． 図 1.3.7 (b) は 裏 面 か ら 白 色 光 を 入 射 し た と き の 透 過 光 学 顕 微 鏡 画 像 ， 図 1.3.7 (c)は 対 応 す る Al 格 子 の SEM 画 像 で あ る ．こ れ よ り ，Al 格 子 周 期 に 付 随 し た 青・緑・黄 色・赤 の 透 過 色 が 観 測 さ れ て い る ．

図 1.3.6. 製 作 さ れ た 静 電 櫛 歯 ア ク チ ュ エ ー タ お よ び 一 体 化 さ れ た Al ナ ノ ワ イ ヤ ー サ ブ 波 長 格 子 の SEM画 像 ．(a) 全 体 図 ，(b) フ ィ ル タ 領 域 ， お よ び(c) ヒ ン ジ 部 分[84]．

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図 1.3.7. 製 作 さ れ た 表 面 プ ラ ズ モ ン 可 変 カ ラ ー フ ィ ル タ ．(a) チ ッ プ 写 真 ， (b) 透 過 顕 微 鏡 画 像 ， お よ び(c) Al 格 子 の SEM 画 像[85]．

図 1.3.8 は 静 電 櫛 歯 型 ア ク チ ュ エ ー タ を 電 圧 駆 動 し ，Al ナ ノ ワ イ ヤ ー 格 子 の 周 期 を 変 更 し た と き の 透 過 光 ス ペ ク ト ル で あ る ．60 V ま で 印 加 す る こ と で 550 nm か ら 670 nm 程 度 ま で ピ ー ク 波 長 シ フ ト し て お り ， 図 1.3.8 (b)の SEM 画 像 か ら も 格 子 周 期 が 電 圧 増 加 に 伴 い 拡 大 し て い る 様 子 が 分 か る ． 以 上 よ り ， 可 視 光 領 域 に 渡 り 透 過 色 の 制 御 が 可 能 で あ る こ と を 実 証 し て い る ． サ ブ 画 素 を 要 さ ず 単 画 素 で 実 現 す る カ ラ ー フ ィ ル タ は ，ハ イ パ ー ス ペ ク ト ル イ メ ー ジ ン グ や 高 解 像 度 デ ィ ス プ レ イ に 向 け て 魅 力 的 な シ ス テ ム で あ る ．

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図 1.3.8. 電 圧 制 御 に よ る 透 過 光 ス ペ ク ト ル の シ フ ト ， お よ び(b) 電 圧 印 加 時 の Al サ ブ 波 長 格 子 の SEM 画 像[86]．

プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ で は ，金 属 微 小 構 造 を 透 過 す る 光 が エ バ ネ ッ セ ン ト 場 に よ る 電 場 増 強 効 果 の た め ，開 口 面 積 に 入 射 す る 光 の 強 度 の 2 倍 の 光 の 強 度 が 透 過 す る こ と か ら 異 常 透 過 現 象 と 呼 ば れ て い る[21]． こ れ は ， 従 来 の 色 素 粒 子 に よ る 波 長 吸 収 で カ ラ ー 化 す る カ ラ ー レ ジ ス ト と 比 較 し て 光 利 用 効 率 が 高 く ，自 然 反 射 光 を 利 用 す る ウ ェ ア ラ ブ ル デ ィ ス プ レ イ に 適 し て い る ．ま た ，プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ は バ ッ ク ラ イ ト を 用 い な い 反 射 型 と し て 製 作 可 能 だ が ，1.2 節 に 示 し た 先 行 研 究 の プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー フ ィ ル タ で は ， バ ル ク 基 板 に サ ブ 波 長 格 子 が 固 定 さ れ る た め に RGB 加 法 混 色 で フ ル カ ラ ー を 表 示 す る こ と に な る ． す な わ ち ，RGB の サ ブ 画 素 に 入 射 す る 光 量 を 制 御 す る た め の シ ャ ッ タ ー 構 造 や ON/OFF 機 構 が 必 要 に な り ，デ バ イ ス 構 造 が 複 雑 に な る ．特 に e-skin 等 の 超 薄 膜 シ ス テ ム に 応 用 す る 場 合 に は 課 題 と な る ． そ の た め ， 本 研 究 室 で 検 討 し て き た 静 電 型 の MEMS 可 変 カ ラ ー フ ィ ル タ が 適 し て い る と 思 わ れ る ．可 変 構 造 な ら ば ，格 子 周 期 を 拡 大 ・ 縮 小 し て ON(白 色)/OFF(肌 の 色 に 近 い 薄 橙 色)や ， 混 色 で 表 示 す る 色 を 光 量 調 整 す る こ と な く 直 接 中 間 色 と し て 出 力 可 能 で あ る ．し か し な が ら ，本 研 究

(a) (b)

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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 ．