CN102253598A - 光波导形成用树脂组合物及使用其的光波导 - Google Patents

光波导形成用树脂组合物及使用其的光波导 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可用辊到辊方式制作的、兼顾未固化层的柔性和图案化分辨率的、光波导形成用树脂组合物及使用其的光波导。一种光波导形成用树脂组合物，其含有下述(A)成分～(D)成分，相对于总量100重量份的(A)成分、(B)成分和(C)成分，(A)成分设定为80～90重量份的范围，(B)成分设定为5～15重量份的范围，(C)成分设定为1～10重量份的范围。(A)重均分子量(Mw)为500～5000的芳香族系多官能团环氧聚合物。(B)重均分子量(Mw)为10000～50000的芳香族系多官能团环氧聚合物。(C)单官能团、双官能团、三官能团的液态芳香族系环氧单体中的至少一种。(D)光酸产生剂。

Description

光波导形成用树脂组合物及使用其的光波导
技术领域
本发明涉及光波导形成用树脂组合物及使用其的光波导。
背景技术
光波导具备芯部和包层部，由于上述芯部与包层部的折射率的不同，上述芯部成为光路，发挥传输光信号的功能。目前，作为光波导的材料，无机系原材料使用石英玻璃、硅，有机系原材料使用高纯度聚酰亚胺系树脂、聚酰胺系树脂、聚醚系树脂等。
而且，近年来，作为光波导的简便制作方法，正在开发各种如下形成光波导的芯部的方法：其材料使用感光性树脂溶液(感光性单体混合物溶液)，隔着规定图案的掩模对由该溶液形成的涂膜层进行紫外线照射，使其光固化(例如，参考专利文献1)。
然而，一直以来用于上述用途的感光性树脂溶液的光固化灵敏度高，但其涂膜层(未固化层)表面表现粘性(表面粘着性)，因此具有下述缺点：例如难以适用于利用多重涂布机(multi-coater)等涂布机的辊到辊(roll to roll)方式这样的连续工艺。即，这是由于，在辊到辊方式中，如果上述涂膜层与卷取到其上面的涂膜层接触，则两涂膜层会粘在一起，该部分有可能被破坏。
因此，在采用辊到辊方式的情况下，通常其感光性树脂使用常温为固体的聚合物树脂(例如，参考专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-281475公报
专利文献2：日本特开2005-154715公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，如上所述使用常温为固体的聚合物树脂时，上述聚合物的分子量越高，由该树脂形成的未固化层(固化前阶段的非晶膜(amorphous film))的柔性(flexibility，柔软性)越会提高，但另一方面会产生图案化分辨率降低的问题。反之，如果为低分子量的聚合物，则图案化分辨率会提高，但柔性会降低。
如此，上述未固化层的柔性与图案化分辨率通常成权衡(trade off)关系。因此，现状是尚未得到适用于特别是需要卷取工序的辊到辊方式的光波导用材料。因此，迫切需要兼顾薄膜的柔性和图案化分辨率的光波导用材料。
本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于，提供可用辊到辊方式制作的、兼顾未固化层的柔性和图案化分辨率的、光波导形成用树脂组合物及使用其的光波导。
用于解决问题的方案
为了达成上述目的，本发明的第1要旨为一种光波导形成用树脂组合物，其含有下述(A)成分～(D)成分，相对于总量100重量份的(A)成分、(B)成分和(C)成分，(A)成分设定为80～90重量份的范围，(B)成分设定为5～15重量份的范围，(C)成分设定为1～10重量份的范围。
(A)重均分子量(Mw)为500～5000的芳香族系多官能团环氧聚合物。
(B)重均分子量(Mw)为10000～50000的芳香族系多官能团环氧聚合物。
(C)单官能团的液态芳香族系环氧单体、双官能团的液态芳香族系环氧单体、三官能团的液态芳香族系环氧单体中的至少一种。
(D)光酸产生剂。
另外，本发明的第2要旨为一种光波导，其具备传输光信号的芯部、和包层部，上述包层部和芯部中的至少一方由上述第1要旨的树脂组合物形成。
即，本发明人为解决前述课题而进行了深入研究。在其研究过程中，本发明人想到在将高分子量多官能团环氧聚合物和低分子量多官能团环氧聚合物复合而成的基础聚合物中添加液态环氧单体的方法并进行了各种实验，结果发现，通过如上述这样以特定的比例混合(A)～(D)的各成分，可以兼顾未固化层的柔性和图案化分辨率而不表现粘性，从而完成了本发明。
考虑能够表现这样的作用效果的原因如下。即，可考虑：对于重视反应性的低分子量多官能团环氧聚合物[(A)成分]与液态环氧单体[(C)成分]的组成，高分子量多官能团环氧聚合物[(B)成分]发挥了作为赋予柔性的反应性粘合剂的作用，从而在维持反应性的状态下实现了未固化层的高柔性。另外，在本发明的光波导形成用树脂组合物中，将液态单体成分的添加量设定为特定范围，因此可良好地进行固化而不表现粘性。
发明的效果
如此，本发明的光波导形成用树脂组合物含有以下成分：重均分子量在特定范围内(低分子量)的芳香族系多官能团环氧聚合物[(A)成分]；重均分子量在特定范围内(高分子量)的芳香族系多官能团环氧聚合物[(B)成分]；单官能团的液态芳香族系环氧单体、双官能团的液态芳香族系环氧单体、三官能团的液态芳香族系环氧单体中的至少一种[(C)成分]；光酸产生剂[(D)成分]，并且将上述各成分的比例设定在特定范围内，因此可以兼顾未固化层的柔性和高图案化分辨率而不表现粘性。因此，可以适用于辊到辊(roll to roll)方式这样的连续工艺。
具体实施方式
接着，对本发明的具体实施方式进行说明。
本发明的光波导形成用树脂组合物可以通过混合以下成分来得到：重均分子量(Mw)为500～5000的芳香族系多官能团环氧聚合物[(A)成分]；重均分子量(Mw)为10000～50000的芳香族系多官能团环氧聚合物[(B)成分]；单官能团的液态芳香族系环氧单体、双官能团的液态芳香族系环氧单体、三官能团的液态芳香族系环氧单体中的至少一种[(C)成分]；光酸产生剂[(D)成分]，并且如下设定各成分的含有比例：相对于总量100重量份(以下简称为“份”)的(A)成分、(B)成分和(C)成分，(A)成分为80～90份的范围，(B)成分为5～15份的范围，(C)成分为1～10份的范围。
作为上述(A)成分的环氧聚合物，只要如前所述为其重均分子量(Mw)在500～5000的范围内且分子中具有芳香环的多官能团聚合物即可，具体而言，可以使用157S70(JAPANEPOXY RE SINS CO.，LTD.制造)、YDCN-700-10(东都化成公司制造)等。这些可以单独使用或将2种以上组合使用。
另外，作为上述(B)成分的环氧聚合物，只要如前所述为其重均分子量(Mw)在10000～50000的范围内且分子中具有芳香环的多官能团聚合物即可，具体而言，可以使用MARPROOF G-0250S、MARPROOF G-0250SP、MARPROOF
G-0130SP(均为日本油脂公司制造)等。这些可以单独使用或将2种以上组合使用。
而且，如上所述，(A)成分的环氧聚合物的重均分子量(Mw)为500～5000的范围，优选为800～2000的范围。另外，如上所述，(B)成分的环氧聚合物的重均分子量(Mw)为10000～50000的范围，优选为15000～30000的范围。通过使用这样的重均分子量的环氧聚合物作为上述(A)成分和(B)成分，可以在维持反应性的状态下实现未固化时的高柔性。
作为与上述(A)成分和(B)成分的环氧聚合物一起使用的(C)成分的液态环氧单体，只要为单官能团～三官能团且分子中具有芳香环的液态单体即可，具体而言，可以使用JER828、JER827、JER152、JER630(均为JAPAN EPOXY RESINS CO.，LTD.制造)等。这些可以单独使用或将2种以上组合使用。
在本发明的光波导形成用树脂组合物中，如前所述，需要如下设定各成分的含有比例：相对于总量100份的(A)成分、(B)成分和(C)成分，(A)成分为80～90份的范围，(B)成分为5～15份的范围，(C)成分为1～10份的范围；优选的含有比例是：(A)成分为83～87份的范围，(B)成分为8～12份的范围，(C)成分为4～6份的范围。即，这是由于：若(A)成分的含有比例小于上述范围，则图案化分辨率会降低，反之，若(A)成分的含有比例超过上述范围，则未固化时的柔性会降低；另外，若(B)成分的含有比例小于上述范围，则未固化时的柔性会降低，反之，若(B)成分的含有比例超过上述范围，则图案化分辨率会降低；另外，若(C)成分的含有比例小于上述范围，则图案化分辨率会降低，反之，若(C)成分的含有比例超过上述范围，则有可能表现粘性。
本发明的树脂组合物可以进一步含有氧杂环丁烷单体。在该情况下，可以使氧杂环丁烷单体的含有比例为上述液态芳香族系环氧单体[(C)成分]与氧杂环丁烷单体的总量的70重量％以下。通过这样组合使用液态芳香族系环氧单体[(C)成分]和氧杂环丁烷单体，可以获得固化速度提高、图案化分辨率提高这样的效果。而且，作为上述氧杂环丁烷单体，具体而言，可列举出1，4-双{[(3-乙基-3-氧杂环丁基)甲氧基]甲基}苯、二[2-(3-氧杂环丁基)丁基]醚、3-乙基-3-苯氧基甲基氧杂环丁烷、3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷、1，4-双[(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲氧基]苯、1，3-双[(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲氧基]苯、1，2-双[(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲氧基]苯、4，4’-双[(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲氧基]联苯、2，2’-双[(3-乙基-3-氧杂环丁基)甲氧基]联苯、3，3’，5，5’-四甲基[4，4’-双(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲氧基]联苯、2，7-双[(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲氧基]萘、1，6-双[(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲氧基]-2，2，3，3，4，4，5，5-八氟己烷、3(4)，8(9)-双[(1-乙基-3-氧杂环丁基)甲氧基甲基]-三环[5.2.1.2.6]癸烷、1，2-双{[2-(1-乙基-3-氧杂环丁基)甲氧基]乙硫基}乙烷、4，4’-双[(1-乙基-3-氧杂环丁基)甲基]硫代二苯硫醚、2，3-双[(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲氧基甲基]降冰片烷、2-乙基-2-[(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲氧基甲基]-1，3-O-双[(1-乙基-3-氧杂环丁基)甲基]-丙烷-1，3-二醇、2，2-二甲基-1，3-O-双[(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲基]-丙烷-1，3-二醇、2-丁基-2-乙基-1，3-O-双[(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲基]-丙烷-1，3-二醇、1，4-O-双[(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲基]-丁烷-1，4-二醇、2，4，6-O-三[(3-乙基氧杂环丁烷-3-基)甲基]氰尿酸等。这些可以单独使用或将2种以上组合使用。
而且，作为与上述(A)成分～(C)成分一起使用的光酸产生剂[(D)成分]，可以使用经紫外线照射而产生可进行阳离子聚合的酸的物质。作为这样的光酸产生剂，例如可列举出由SbF6 -、PF6 -、BF4 -、AsF6 -、(C6F5)4 -、PF4(CF2CF3)2 -等阴离子成分和阳离子成分形成的鎓盐(重氮鎓盐、锍盐、碘鎓盐、硒鎓盐、吡啶鎓盐、二茂铁鎓盐、鏻盐等)。这些可以单独使用或将2种以上组合使用。其中，从固化性、透明性的观点来看，优选以SbF6 -、PF4(CF2CF3)2 -为阴离子成分的鎓盐。另外，作为上述鎓盐，从阴离子生成速度的观点来看，优选芳香族锍盐，尤其，从该观点来看，特别优选三芳基锍盐。
从固化性、图案化分辨率的观点来看，相对于总重量100份的上述(A)成分～(C)成分，上述(D)成分的光酸产生剂的配合比例优选设定为2～6份的范围，从同样的观点来看，更优选为3～4份的范围。
在本发明的光波导形成用树脂组合物中，在上述各成分的基础上，根据需要还可以使用溶剂。作为该溶剂，例如可以使用乳酸乙酯、醋酸甲酯、醋酸丁酯等酯类，丙酮、甲乙酮、甲基异丁基酮等酮类，二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等极性溶剂，1，1，1-三氯乙烷、氯仿等卤素系溶剂，四氢呋喃、二噁烷等醚类，苯、甲苯、二甲苯等芳香族类，全氟辛烷、全氟三正丁基胺等氟化惰性液体(inert liquid)类等。此外，对于使用上述溶剂时的用量，例如相对于总重量100份的上述(A)成分～(C)成分为0～200份左右。
另外，在本发明的光波导形成用树脂组合物中，在上述各成分的基础上，作为其他添加剂，根据需要还可以适当混合流平剂、赋粘剂、柔性赋予剂、抗氧化剂、消泡剂等。这些可以单独使用或将2种以上组合使用。而且，从不阻碍本发明的作用效果的观点来看，优选以树脂组合物总体的5重量％以下的范围使用这些其他添加剂。
本发明的光波导形成用树脂组合物(清漆)例如可以如下制备：将作为树脂成分的上述(A)成分～(C)成分适当与溶剂混合，在40～100℃下加热来使上述各成分完全溶解，然后冷却至室温，接着加入(D)成分的光酸产生剂并混合，从而制备。
此外，作为本发明的光波导形成用树脂组合物(清漆)的粘度，优选为1000～3000mPa·s(25℃)，更优选为1500～2500mPa·s(25℃)。上述粘度例如使用Brookfield公司制造的粘度计(DV-I+)来进行测定。
关于使用上述树脂组合物(清漆)而成的本发明的光波导，例如可列举出如下结构的光波导。即，具备传输光信号的芯部、和包层部、且上述包层部和芯部中的至少一方由上述树脂组合物形成的光波导。上述芯部形成为规定图案(光波导图案)，上述包层部的折射率需要小于芯部。该折射率的差异可以通过上述包层部与芯部的材料比例、材料本身的差异等来进行控制。
另外，本发明的光波导也可以为如下结构：基材和包层(下包层)兼用，在该基材上设置上述规定图案的芯部，使上述芯部暴露于空气。在该情况下，通过使芯部的折射率大于空气的折射率，可以防止光从芯部散失。另外，本发明的光波导也可以如下：分设基材和下包层，在下包层上设置上述规定图案的芯部，进而自其上形成上包层。
并且，上述光波导例如可以如下制作。即，在辊到辊方式中，首先，在由第一辊放出的柔性基材上涂布上述树脂组合物(清漆)，适当热干燥，形成未固化层(涂膜层)，然后将其卷取到第二辊上。接着，以规定图案对由上述第二辊放出的柔性基材上的未固化层进行紫外线照射，此后进行60～150℃×5～30分钟的加热处理来使上述未固化层的紫外线照射区域固化，形成光波导的芯部，然后将其卷取到第三辊上。接着，通过显影液(喷涂显影)来将由上述第三辊放出的柔性基材上的未固化部分(紫外线未照射区域)溶解除去，然后将其卷取到第四辊上。经由这样的工序来制作上述光波导。而且，上述树脂组合物具有可兼顾未固化层的柔性和高图案化分辨率而不表现粘性的特征，因此可以优选地适用于上述这样的的需要卷取操作的辊到辊方式。结果，其生产率优异。
对于上述芯部的形成中的、规定图案(光波导图案)的紫外线照射，例如可以通过隔着光掩模进行紫外线曝光等光照射来进行。而且，上述光照射可以使用低压汞灯、高压汞灯、超高压汞灯、氙气灯等作为光源来进行，作为照射量，优选为100～3000mJ/cm2。
另外，通过上述紫外线照射，上述涂膜层的曝光区域会成为芯部，未曝光区域(未照射紫外线区域)可以进行利用显影液的溶解除去，另外，除此之外，例如可以通过加热处理来使其热固化而作为光波导的包层部。
作为上述柔性基材，例如可列举出光固化环氧薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜、聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、铜箔、不锈钢箔等金属箔等。而且，其厚度通常设定在10μm～5mm的范围内。
此外，对于上述柔性基材，根据情况其自身即可作为包层的基材，而根据需要，也可以在上述柔性基材上形成下包层后形成上述芯部。另外，根据需要，可以在上述芯部上形成上包层。具体而言，按下述步骤制作：在上述柔性基材上形成包层部材料的涂膜并固化，形成下包层，在上述下包层上形成芯部材料的涂膜并进行利用规定图案曝光的紫外线固化，此后，通过显影液溶解除去未固化部分，形成芯部，进而在其上形成包层部材料的涂膜并固化，形成上包层。此外，上述两包层的固化可以是热固化也可以是紫外线固化。
在上述光波导的制造方法中，涂膜层的形成方法除了辊到辊方式以外，例如也可以应用基于旋转涂布机、涂布机、圆盘涂布机(disk coater)、棒涂布机等的涂布法、丝网印刷法、静电涂装法。
另外，如果不应用辊到辊方式，则作为上述基材，例如可以使用石英玻璃板、硅晶片、陶瓷基板、玻璃环氧树脂基板等非柔性基材。
此外，如上所述地得到的光波导也可以通过剥离除去基材来制成薄膜状光波导。在制成这样的构成的情况下，柔性变得更优异。
而且，本发明的光波导例如可以作为直线光波导(linearoptical waveguide)、弯曲光波导(curved optical waveguide)、交叉光波导(cross optical waveguide)、Y分支光波导(Y-branched optical waveguide)、条形介质光波导(slab opticalwaveguide)、马赫-泽德型光波导(Mach-Zehnder opticalwaveguide)、AWG型光波导(AWG optical waveguide)、光栅(grating)、光波导棱镜(optical waveguide lens)等使用。而且，作为使用这些光波导的光学元件，可以列举出滤波器(wavelength filter)、光开关(optical switch)、光分路器(opticaldemultiplexer)、光复用器(optical multiplexer)、波分复用器(optical multiplexer/demultiplexer)、光放大器(opticalamplifier)、波长调制器(wavelength modulator)、分波器(wavelength divider)、分光器(optical splitter)、定向耦合器(directional coupler)、以及混合集成有激光二极管、光电二极管的光传输组件等。
实施例
接着，与比较例一起说明实施例。然而，本发明并不受这些实施例限定。
首先，在实施例和比较例之前，准备以下示出的各材料。
低分子量环氧聚合物A1(A成分)
157S70(Mw：900，芳香族系多官能团环氧聚合物)，JAPANEPOXY RESINS CO.，LTD.制造
低分子量环氧聚合物A2(A成分)
YDCN-700-10(Mw：1400，芳香族系多官能团环氧聚合物)，东都化成公司制造
高分子量环氧聚合物B1(B成分)
MARPROOF G-0250SP(Mw：20000，芳香族系多官能团环氧聚合物)，日本油脂公司制造
高分子量环氧聚合物B2(B成分)
MARPROOF G-0130SP(Mw：10000，芳香族系多官能团环氧聚合物)，日本油脂公司制造
液态环氧单体(C成分)
JER828(双官能团的芳香族系环氧单体)，JAPAN EPOXYRESINS CO.，LTD.制造
氧杂环丁烷单体
TriS P-RK-OX，本州化学公司制造
乳酸乙酯(溶剂)
乳酸乙酯，和光纯药工业公司制造
光酸产生剂(D成分)
CPI-200K，San-Apro Ltd.制造
实施例1
将10g上述高分子量多官能团环氧聚合物B1、85g低分子量多官能团环氧聚合物A1、5g液态环氧单体与55g乳酸乙酯混合，在85℃的加热下使它们完全溶解。此后，将上述混合物冷却至室温，进一步添加4g光酸产生剂并混合，由此得到光波导形成用树脂组合物(清漆)。
然后，使用涂布器将如此得到的清漆涂布(涂布器间隙：120μm)在光固化环氧薄膜层(厚度：15μm)上，在150℃的干燥炉中进行3分钟的热干燥，得到未固化芯薄膜层。接着，隔着光掩模对上述未固化芯膜层进行基于曝光装置的紫外线(i射线)曝光(2000mJ/cm2)，次后进行100℃×10分钟的加热，使其部分固化。此后，使用喷雾显影机，进行基于γ-丁内酯的显影，进一步进行水洗、干燥，由此制作光波导图案(图案化了的芯层)。此外，上述芯层的图案化形成如下：其截面凸部的宽度与截面凹部(槽部)的宽度均为15μm，长宽比(纵横比)约为3。
实施例2～7、比较例1～6
除了如后述表1和表2所示地改变各成分材料的配合量等以外，根据实施例1来制备光波导形成用树脂组合物(清漆)。而且，除了使用该清漆以外，用与实施例1同样的方法制作光波导图案。
对于如此得到的实施例1～7和比较例1～6的树脂组合物，按照下述基准进行各特性的评价。其结果一并示于后述表1和表2。
柔性
对于形成有紫外线照射前的未固化芯薄膜层的光固化环氧薄膜，使该未固化芯薄膜层侧朝外来进行弯曲(R＝1cm)。然后，将经过该弯曲而未固化芯膜层未产生裂纹的评价为○，将产生裂纹的评价为×。此外，将产生了不影响实际使用的程度的裂纹的评价为△。在本发明中，要求评价为△以上(○和△)。
分辨率
将光波导图案(图案化了的芯层)的截面形状拍成显微镜照片，根据该照片，将未确认到芯层的截面凸部的倾倒(倒れ、collapse)、变形(摇らぎ、variation)的评价为○，将未确认到芯层的截面凸部的倾倒但确认到变形的评价为△，将确认到芯层的截面凸部的倾倒和变形的评价为×。此外，在本发明中，要求评价为△以上(○和△)。
粘性
将光波导形成用树脂组合物(清漆)涂布并干燥来制作未固化薄膜。然后，如下对其表面的粘性进行评价。即，在上述未固化薄膜上放置SUS板，进一步载置3kg的重物，放置一晚，然后在剥离上述SUS板时确认未固化薄膜是否粘附，将确认到粘性(表面粘着性)的薄膜评价为×，将未确认到粘性的薄膜评价为○。
表1
Figure BSA00000492012300131
表2
Figure BSA00000492012300141
由上述结果可知，实施例1～7的树脂组合物兼顾了未固化层的柔性和高图案化分辨率而未表现出粘性。因此，可以应用于辊到辊(roll to roll)方式这样的连续工艺。
与此相对，由于比较例1～6的树脂组合物的低分子量环氧聚合物(A成分)与高分子量环氧聚合物(B成分)与液态环氧单体(C成分)的比例不在本发明所规定的特定范围内，因此其未能得到上述这样的实施例1～7的树脂组合物的作用效果。

Claims (3)

1.一种光波导形成用树脂组合物，其特征在于，其含有下述(A)成分～(D)成分，相对于总量100重量份的(A)成分、(B)成分和(C)成分，(A)成分设定为80～90重量份的范围，(B)成分设定为5～15重量份的范围，(C)成分设定为1～10重量份的范围，
(A)重均分子量Mw为500～5000的芳香族系多官能团环氧聚合物，
(B)重均分子量Mw为10000～50000的芳香族系多官能团环氧聚合物，
(C)单官能团的液态芳香族系环氧单体、双官能团的液态芳香族系环氧单体、三官能团的液态芳香族系环氧单体中的至少一种，
(D)光酸产生剂。
2.根据权利要求1所述的光波导形成用树脂组合物，其进一步含有氧杂环丁烷单体。
3.一种光波导，其特征在于，其具备传输光信号的芯部、和包层部，其中，所述芯部和包层部中的至少一方由权利要求1或2所述的树脂组合物形成。
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