CN105264042A - 光学材料、光学膜及发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明的解决课题在于,提供一种光学材料,其具备能够长时间抑制氧等引起的半导体纳米粒子劣化的耐久性且透明性优异。该光学材料的特征在于含有聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物和半导体纳米粒子。
Description
技术领域
本发明涉及光学材料、光学膜及发光器件。特别是涉及具备能够长时间抑制氧等引起的半导体纳米粒子劣化的耐久性、且透明性优异的光学材料、光学膜以及具备该光学膜的光学器件。
背景技术
近年来,半导体纳米粒子(量子点)由于其尺寸可变(size-tunable)的电子特性而在商业上备受关注。期待半导体纳米粒子在例如生物标识、太阳能发电、催化剂作用、生物摄影、发光二极管(LightEmittingDiode;LED)、通常的空间照明及电致发光显示器等非常广泛的领域的利用。
例如,提出了一种技术,在利用了半导体纳米粒子的光学器件中,通过将LED光照射于半导体纳米粒子并使其发光,从而使射入液晶显示装置(LiquidCrystalDisplay;LCD)的光的光量增大,并提高该LCD的亮度(例如,参照专利文献1)。
这里,已知半导体纳米粒子与氧接触时会劣化,而采用了各种防止半导体纳米粒子与氧接触的方法。作为这样的方法,可以列举例如利用阻隔性膜或密封材料来密封半导体纳米粒子的方法,虽然可确保氧隔离性能,但是必须在N2气体氛围环境下进行密封操作等,制造设备昂贵、高级,且通用性差。
相比之下,提出了一种通过利用二氧化硅、玻璃包覆半导体纳米粒子自身来防止半导体纳米粒子与氧接触的方法(例如,参照专利文献2及专利文献3)。
但是,在上述现有的技术中,利用二氧化硅、玻璃包覆半导体纳米粒子的方法可以得到氧隔离性能,但是由于形成半导体纳米粒子的二氧化硅凝聚体而使粒径增大,在树脂中的分散性下降而降低透明性,或由于外部环境的影响使氧隔离性能下降而降低亮度等,在透明性和耐久性方面不足。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2011-202148号公报
专利文献2:国际公开第2007/034877号
专利文献3:日本特表2013-505347号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明是鉴于上述问题、情况而完成的,其解决的课题在于提供一种具备能够长时间抑制氧等引起的半导体纳米粒子劣化的耐久性、且透明性优异的光学材料、光学膜及具备该光学膜的光学器件。
用于解决课题的方法
为了解决本发明的上述课题,对上述问题的原因等进行了研究,其结果发现,通过含有聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物和半导体纳米粒子,能够得到具备可以长时间抑制氧等引起的半导体纳米粒子劣化的耐久性、且透明性更优异的光学材料。
即,本发明的课题可以通过以下方法解决。
1.一种光学材料,其特征在于,含有聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物和半导体纳米粒子。
2.如第1项所述的光学材料,其特征在于,所述半导体纳米粒子具有核壳结构。
3.一种光学膜,其特征在于,其具备:
基材;
半导体纳米粒子层,其设于所述基材上,且含有聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物和半导体纳米粒子。
4.如第3项所述的光学膜,其特征在于,所述半导体纳米粒子具有核壳结构。
5.如第3项或第4项所述的光学膜,其特征在于,所述半导体纳米粒子被所述聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物包覆。
6.如第3~5项中任一项所述的光学膜,其特征在于,所述聚硅氮烷改性体是通过对所述聚硅氮烷照射真空紫外线而得到的,且含有选自氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中至少一种的化合物。
7.如第3~6项中任一项所述的光学膜,其特征在于,所述半导体纳米粒子层含有紫外线固化性树脂。
8.如第3~7项中任一项所述的光学膜,其特征在于,设有两层所述半导体纳米粒子层,且在该两层所述半导体纳米粒子层中,分别含有发光波长互不相同的半导体纳米粒子。
9.一种发光器件,其特征在于,其具备第3~8项中任一项所述的光学膜。
发明效果
根据本发明,可以提供一种具备能够长时间抑制氧等引起的半导体纳米粒子劣化的耐久性、且透明性优异的光学材料、光学膜及具备该光学膜的光学器件。
本发明效果的产生机理以及作用机理尚不明确,但是推测如下。
聚硅氮烷、聚硅氮烷改性体由于不仅具有氧隔离性,还具有氧吸收性能,因此,推测可以有效地减少与半导体纳米粒子接触的氧,并能够确保足够的耐久性。另外可以推定,聚硅氮烷、聚硅氮烷改性体通过真空紫外线照射等光照射可以进一步提高氧隔离性,且无论哪种方式均不会形成凝聚体,在树脂中的分散性良好,因此能够保持透明性。
具体实施方式
本发明的光学材料的特征在于,含有聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物和半导体纳米粒子(以下,也称为“量子点”)。该特征是与权利要求第1~9项中的各项相同或相对应的技术特征。
本发明的上述半导体纳米粒子优选具有核壳结构。由此,可以抑制半导体纳米粒子的凝聚并进一步提高分散性,另外,还能够提高亮度效率。
另外,本发明也可以作为一种光学膜,其特征在于,所述光学膜具备基材和半导体纳米粒子层,所述半导体纳米粒子层设于上述基材上、且含有聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物和半导体纳米粒子。
另外,本发明的上述半导体纳米粒子优选被上述聚硅氮烷及上述聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物包覆。由此,可以进一步提高光学膜的透明性及耐久性。
另外,本发明的上述半导体纳米粒子层优选含有紫外线固化性树脂。由此,可以容易地进行光学膜的制造。
另外,优选本发明的上述半导体纳米粒子层设置两层,且在该两层上述半导体纳米粒子层中,分别含有发光波长互不相同的半导体纳米粒子。由此,可以进一步提高光学膜的透明性及耐久性。
以下,对本发明和其构成要素及用于实施本发明的形式、方式进行详细的说明。需要说明的是,在本申请中,“~”是指包含将在其前后所记载的数值作为下限值及上限值的意思。
《光学膜的构成》
本发明的光学膜的构成在于,具备基材和半导体纳米粒子层,该半导体纳米粒子层设于上述基材上、且含有聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物和半导体纳米粒子。以下,对构成本发明的光学膜的各层及其材料进行说明。
《基材》
作为能够用于本发明的光学膜的基材,可以使用玻璃、塑料等,没有特别限定,可以使用具有透光性的基材。作为具有透光性的基材,优选使用的材料可以列举例如:玻璃、石英、树脂膜等。特别优选为可以对光学膜赋予挠性的树脂膜。
作为基材的厚度,没有特别限制,可以为任意厚度。
作为树脂膜,可以列举例如:聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等聚酯、聚乙烯、聚丙烯、玻璃纸、二乙酸纤维素、三乙酸纤维素(TAC)、乙酸丁酸纤维素、乙酸丙酸纤维素(CAP)、邻苯二甲酸醋酸纤维素、硝酸纤维素等纤维素酯类或它们的衍生物、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯乙烯醇、间规聚苯乙烯、聚碳酸酯、降冰片烯树脂、聚甲基戊烯、聚醚酮、聚酰亚胺、聚醚砜(PES)、聚苯硫醚、聚砜类、聚醚酰亚胺、聚醚酮酰亚胺、聚酰胺、氟树脂、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸或聚芳酯类、ARTON(商品名,JSR公司制)或Apelle(商品名,三井化学公司制)等环烯烃类树脂等。
在树脂薄膜的表面上可以形成由无机物或有机物或该两者构成的阻气膜。作为这种阻气膜,优选为通过根据例如JISK7129-1992的方法测定的、水蒸气透过率(25±0.5℃、相对湿度(90±2)%RH)为0.01g/(m2·24h)以下的阻气性膜,更优选为通过根据JISK7126-1987的方法测定的氧透过率为1×10-3ml/(m2·24h·atm)以下,且水蒸气透过率为1×10-5g/(m2·24h)以下的高气体阻隔性膜。
作为形成阻气膜的材料,只要是具有抑制水分、氧等对元件的半导体纳米粒子造成劣化的物质侵入的功能的材料即可,可以使用例如:氧化硅、二氧化硅、氮化硅等。另外,为了改良该膜的脆弱性,更优选具有这些无机层与由有机材料构成的层形成的叠层结构。对于无机层和有机层的叠层顺序没有特别限制,但是优选使两者交替叠层数次。
阻气膜的形成方法没有特别限定,可以使用例如:真空蒸镀法、溅射法、反应性溅射法、分子束外延法、离子聚束法(clusterionbeam)、离子镀敷法、等离子体聚合法、大气压等离子体聚合法、等离子体CVD法、激光CVD法、热CVD法、涂布法等,特别优选如特开2004-68143号公报中记载的大气压等离子体聚合法。
《半导体纳米粒子层》
半导体纳米粒子层含有聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物和半导体纳米粒子而构成。本发明的光学材料含有这些聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物和半导体纳米粒子等而构成。
另外,半导体纳米粒子层也可以设置两层以上。在该情况下,优选在两层以上的各个半导体纳米粒子层中分别含有不同发光波长的半导体纳米粒子。
作为半导体纳米粒子层的形成方法,可以通过在基材上涂布含有聚硅氮烷及半导体纳米粒子的半导体纳米粒子层形成用涂布液,然后进行干燥处理而形成。
作为涂布方法,可以采用任意适当的方法。作为具体例子,可以列举:旋涂法、辊涂法、流涂法、喷墨法、喷涂法、印刷法、浸渍涂布法、流延成膜法、棒涂法、凹板印刷法等。
另外,作为制备半导体纳米粒子层形成用涂布液的溶剂,可以使用例如甲苯等,只要不与半导体纳米粒子、聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体发生反应就可以使用任意溶剂。
优选将涂布了半导体纳米粒子层形成用涂布液的涂布层进行干燥处理,然后通过后面叙述的方法进行使聚硅氮烷的一部分或全部成为聚硅氮烷改性体的改性处理。
另外,在半导体纳米粒子层中,优选还含有树脂材料,特别是更优选含有紫外线固化性树脂。在半导体纳米粒子层中含有紫外线固化性树脂的情况下,即,在半导体纳米粒子层形成用涂布液中含有紫外线固化性树脂的情况下,对涂布半导体纳米粒子层形成用涂布液而形成的涂布层进行紫外线照射处理。需要说明的是,该紫外线照射处理也可以包括对上述将聚硅氮烷进行改性的改性处理。
作为半导体纳米粒子层的层厚,没有特别限定,可以根据光学膜的用途适当设定。
《半导体纳米粒子》
在构成本发明的光学膜的半导体纳米粒子层中含有半导体纳米粒子。即,在半导体纳米粒子层形成用涂布液中含有半导体纳米粒子。
本发明的半导体纳米粒子是指由半导体材料的结晶构成、且具有量子限域效应的给定大小的粒子,其是粒径为数nm~数十nm左右的微粒,可以得到如下所示的量子点效应。
作为本发明的半导体纳米粒子的粒径,具体而言,优选为1~20nm的范围内,更优选为1~10nm的范围内。
通常将普朗克常数设为“h”,电子的有效质量设为“m”,半导体纳米粒子的半径设为“R”时,上述半导体纳米粒子的能级E可以用下式(1)表示。
式(1)
E∝h2/mR2
如式(1)所示,半导体纳米粒子的能带隙与“R-2”成比例增大,可以获得所谓的量子点效应。这样,通过控制、给定半导体纳米粒子的粒径,能够控制半导体纳米粒子的能带隙值。即,通过控制、给定微粒的粒径,可以使其具有通常原子中所没有的多样性。因此,可以通过光激发、或将光变换成希望波长的光后射出。在本发明中,将这种发光性的半导体纳米粒子材料定义为半导体纳米粒子。
半导体纳米粒子的平均粒径,如上所述为数nm~数十nm左右,设定为与作为目标的发光色对应的平均粒径。例如,想要得到红色发光时,作为半导体纳米粒子的平均粒径,优选设定为3.0~20nm的范围内,想要得到绿色发光时,优选将半导体纳米粒子的平均粒径设定为1.5~10nm的范围内,要得到蓝色发光时,优选将半导体纳米粒子的平均粒径设定为1.0~3.0nm的范围内。
作为平均粒径的测定方法,可以使用公知的方法。例如可以使用通过透射电子显微镜(TEM)进行半导体纳米粒子的粒子观察并由此作为粒径分布的数均粒径而求出的方法来测定、可以使用原子力显微镜(AFM)求得平均粒径的方法来测定、可以通过使用动态光散射法的粒径测定装置、例如Malvern公司制“ZETASIZERNanoSeriesNano-ZS”进行测定。除此之外,还可以列举使用半导体纳米粒子的粒径分布模拟计算从通过X射线小角散射法得到的光谱中导出粒径分布的方法等,在本发明中,优选使用原子力显微镜(AFM)求得平均粒径的方法。
另外,在本发明的半导体纳米粒子中,长径比(长轴径/短轴径)的值优选为1.0~2.0的范围内,更优选为1.1~1.7的范围。本发明的半导体纳米粒子的长径比(长轴径/短轴径)也可以使用例如原子力显微镜(AFM)测定长轴径及短轴径而求得。需要说明的是,作为测定的个体数,优选为300个以上。
对于半导体纳米粒子的添加量而言,将半导体纳米粒子层的总构成物质设为100质量份%时,优选为0.01~50质量%的范围内,更优选为0.5~30质量%的范围内,最优选为2.0~25质量%的范围内。如果添加量为0.01质量%以上,则可以得到足够的亮度效率,如果为50质量%以下,则可以保持适当的半导体纳米粒子的粒子间距离,可以充分发挥量子尺寸效应。
(1)半导体纳米粒子的构成材料
作为半导体纳米粒子的构成材料,可以列举例如:碳、硅、锗、锡等周期表第14族元素的单质、磷(黑磷)等周期表第15族元素的单质、硒、碲等周期表第16族元素的单质、碳化硅(SiC)等由多种周期表第14族元素构成的化合物、氧化锡(IV)(SnO2)、硫化锡(II、IV)(Sn(II)Sn(IV)S3)、硫化锡(IV)(SnS2)、硫化锡(II)(SnS)、硒化锡(II)(SnSe)、碲化锡(II)(SnTe)、硫化铅(II)(PbS)、硒化铅(n)(PbSe)、碲化铅(II)(PbTe)等周期表第14族元素与周期表第16族元素的化合物、氮化硼(BN)、磷化硼(BP)、砷化硼(BAs)、氮化铝(AlN)、磷化铝(AlP)、砷化铝(AlAs)、锑化铝(AlSb)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、锑化镓(GaSb)、氮化铟(InN)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)、锑化铟(InSb)等周期表第13族元素与周期表第15族元素的化合物(或III-V族化合物半导体)、硫化铝(Al2S3)、硒化铝(Al2Se3)、硫化镓(Ga2S3)、硒化镓(Ga2Se3)、碲化镓(Ga2Te3)、氧化铟(In2O3)、硫化铟(In2S3)、硒化铟(In2Se3)、碲化铟(In2Te3)等周期表第13族元素与周期表第16族元素的化合物、氯化铊(I)(TlCl)、溴化铊(I)(TlBr)、碘化铊(I)(TlI)等周期表第13族元素与周期表第17族元素的化合物、氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化锌(ZnTe)、氧化镉(CdO)、硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、碲化镉(CdTe)、硫化汞(HgS)、硒化汞(HgSe)、碲化汞(HgTe)等周期表第12族元素与周期表第16族元素的化合物(或II-VI族化合物半导体)、硫化砷(III)(As2S3)、硒化砷(III)(As2Se3)、碲化砷(III)(As2Te3)、硫化锑(III)(Sb2S3)、硒化锑(III)(Sb2Se3)、碲化锑(III)(Sb2Te3)、硫化铋(III)(Bi2S3)、硒化铋(III)(Bi2Se3)、碲化铋(III)(Bi2Te3)等周期表第15族元素与周期表第16族元素的化合物、氧化铜(I)(Cu2O)、硒化铜(I)(Cu2Se)等周期表第11族元素与周期表第16族元素的化合物、氯化铜(I)(CuCl)、溴化铜(I)(CuBr)、碘化铜(I)(CuI)、氯化银(AgCl)、溴化银(AgBr)等周期表第11族元素与周期表第17族元素的化合物、氧化镍(II)(NiO)等周期表第10族元素与周期表第16族元素的化合物、氧化钴(II)(CoO)、硫化钴(II)(CoS)等周期表第9族元素与周期表第16族元素的化合物、四氧化三铁(Fe3O4)、硫化铁(II)(FeS)等周期表第8族元素与周期表第16族元素的化合物、氧化锰(II)(MnO)等周期表第7族元素与周期表第16族元素的化合物、硫化钼(IV)(MoS2)、氧化钨(IV)(WO2)等周期表第6族元素与周期表第16族元素的化合物、氧化钒(II)(VO)、氧化钒(IV)(VO2)、氧化钽(V)(Ta2O5)等周期表第5族元素与周期表第16族元素的化合物、氧化钛(TiO2、Ti2O5、Ti2O3、Ti5O9等)等周期表第4族元素与周期表第16族元素的化合物、硫化镁(MgS)、硒化镁(MgSe)等周期表第2族元素与周期表第16族元素的化合物、氧化镉(II)铬(III)(CdCr2O4)、硒化镉(II)铬(III)(CdCr2Se4)、硫化铜(II)铬(III)(CuCr2S4)、硒化汞(II)铬(III)(HgCr2Se4)等硫属尖晶石类、钛酸钡(BaTiO3)等,优选为:SnS2、SnS、SnSe、SnTe、PbS、PbSe、PbTe等周期表第14族元素与周期表第16族元素的化合物、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSb等III-V族化合物半导体、Ga2O3、Ga2S3、Ga2Se3、Ga2Te3、In2O3、In2S3、In2Se3、In2Te3等周期表第13族元素与周期表第16族元素的化合物、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdO、CdS、CdSe、CdTe、HgO、HgS、HgSe、HgTe等II-VI族化合物半导体、As2O3、As2S3、As2Se3、As2Te3、Sb2O3、Sb2S3、Sb2Se3、Sb2Te3、Bi2O3、Bi2S3、Bi2Se3、Bi2Te3等周期表第15族元素与周期表第16族元素的化合物、MgS、MgSe等周期表第2族元素与周期表第16族元素的化合物,其中,更优选为:Si、Ge、GaN、GaP、InN、InP、Ga2O3、Ga2S3、In2O3、In2S3、ZnO、ZnS、CdO、CdS。这些物质由于不含有毒性高的电负性元素,因此耐环境污染性、对生物的安全性优异,而且在可见光区域可以稳定得到单纯的光谱,因此有利于发光器件的形成。在这些材料中,从发光的稳定性方面考虑,优选CdSe、ZnSe、CdS。从发光效率、高折射率、安全性、经济性的观点考虑,优选为ZnO、ZnS的半导体纳米粒子。另外,上述材料可以使用一种,也可以组合使用两种以上。
需要说明的是,在上述半导体纳米粒子中,可以根据需要将微量的各种元素作为杂质来掺杂。通过添加这种掺杂物质,能够大幅提高发光特性。
本发明中所谓的发光波长(能带隙)是指,在无机物的半导体纳米粒子的情况下,将价电子带与传导带的能量差作为半导体纳米粒子的能带隙(eV),以发光波长(nm)=1240/能带隙(eV)来表示。
半导体纳米粒子的能带隙(eV)可以使用Tauc图进行测定。
对作为能带隙(eV)的光科学测定方法之一的Tauc图进行说明。
以下,示出使用了Tauc图的能带隙(E0)的测定原理。
在半导体材料的长波长侧的光学吸收端附近的吸收较大的区域中,可以认为在光吸收系数α与光能量hν(其中,h为普朗克常数、ν为频率)、及能带隙能量E0之间,下式(A)成立。
式(A)
αhν=B(hν-E0)2
因此,测定吸收光谱,然后对(αhν)的0.5次方绘制hν曲线(所谓的Tauc图),将直线区间外插得到的α=0时的hν的值作为待求的半导体纳米粒子的能带隙能量E0。
需要说明的是,在半导体纳米粒子的情况下,由于吸收与发光的光谱的差异(斯托克斯位移)较小,且波形也呈尖峰,因此也可以简便地将发光光谱的极大波长用作能带隙的指标。
另外,作为其它方法,作为估算这些有机及无机功能材料的能级的方法,可以列举:根据通过扫描隧道分光法、紫外线光电子分光法、X射线光电子分光法、俄歇电子分光法求出的能级来求得的方法以及在光学上对能带隙进行估算的方法。
优选半导体纳米粒子的表面被由无机物包覆层或有机配体构成的被膜包覆。即,优选半导体纳米粒子的表面具有核壳结构,所述核壳结构具有由半导体纳米粒子材料构成的核区域和由无机物包覆层或有机配体构成的壳区域。
该核壳结构优选由至少两种化合物形成,也可以由两种以上化合物形成梯度结构(倾斜结构)。由此,能够有效地防止涂布液中的半导体纳米粒子的凝聚,并且能够提高半导体纳米粒子的分散性,同时提高亮度效率,在连续驱动使用了本发明的光学膜的发光器件的情况下可以抑制色差的产生。另外,由于包覆层的存在,能够稳定地得到发光特性。
另外,半导体纳米粒子的表面由被膜(壳部)包覆时,能够使如后面叙述的“表面修饰剂”可靠地担载于半导体纳米粒子的表面附近。
被膜(壳部)的厚度没有特别限定,优选为0.1~10nm的范围内,更优选为0.1~5nm的范围内。
通常,可以通过半导体纳米粒子的平均粒径来控制发光色,只要被膜的厚度为上述范围内的值,则被膜的厚度为从相当于数个原子的厚度至不足1个半导体纳米粒子的厚度,可以高密度地填充半导体纳米粒子,从而获得足够的发光量。另外,由于被膜的存在,能够抑制存在于相互的核粒子的粒子表面的缺陷,可以抑制对悬空键的电子捕集引起的非发光的电子能量的转移,并且可以抑制量子效率的降低。
(2)功能性表面修饰剂
在使用含有半导体纳米粒子的本发明的半导体纳米粒子层形成用涂布液形成半导体纳米粒子层时,在本发明的半导体纳米粒子层形成用涂布液中,优选在半导体纳米粒子的表面附近附着有表面修饰剂。由此,能够使半导体纳米粒子层形成用涂布液中的半导体纳米粒子的分散稳定性特别优异。另外,在制造半导体纳米粒子时,通过在半导体纳米粒子表面上附着表面修饰剂,使形成的半导体纳米粒子的形状为真球度高的形状,另外,由于能够较窄地控制半导体纳米粒子的粒径分布,因此可以作为特别优异的半导体纳米粒子。
作为本发明中可以适用的功能性表面修饰剂,可以直接附着于半导体纳米粒子的表面,也可以经由壳附着(表面修饰剂直接附着于壳,不与半导体纳米粒子的核部接触)。
作为表面修饰剂,可以列举例如:聚氧乙烯月桂醚、聚氧乙烯硬脂醚、聚氧乙烯油基醚等聚氧乙烯烷基醚类;三丙基膦、三丁基膦、三己基膦、三辛基膦等三烷基膦类;聚氧乙烯正辛基苯基醚、聚氧乙烯正壬基苯基醚等聚氧乙烯烷基苯基醚类;三正己基胺、三正辛基胺、三正癸基胺等叔胺类;三丙基氧化膦、三丁基氧化膦、三己基氧化膦、三辛基氧化膦、三癸基氧化膦等有机磷化合物;聚乙二醇二月桂酸酯、聚乙二醇二硬脂酸酯等聚乙二醇二酯类;吡啶、二甲基吡啶、三甲基吡啶、喹啉类的含氮芳香族化合物等有机含氮化合物;己胺、辛胺、癸胺、十二烷胺、十四烷胺、十六烷胺、十八烷胺等氨基烷类;二丁基硫醚等二烷基硫醚类;二甲基亚砜、二丁基亚砜等二烷基亚砜类;噻吩等含硫芳香族化合物等有机含硫化合物;棕榈酸、硬脂酸、油酸等高级脂肪酸;醇类;山梨糖醇酐脂肪酸酯类;脂肪酸改性聚酯类;叔胺改性聚氨酯类;聚乙烯亚胺类等,在半导体纳米粒子为通过后面叙述的方法制备的粒子的情况下,作为表面修饰剂,优选在高温液相中可以与半导体纳米粒子的微粒配位且使其稳定的物质,具体而言,优选为三烷基膦类、有机磷化合物、氨基烷类、叔胺类、有机含氮化合物、二烷基硫醚类、二烷基亚砜类、有机含硫化合物、高级脂肪酸、醇类。通过使用这样的表面修饰剂,可以使涂布液中的半导体纳米粒子的分散性特别优异。另外,能够使制造半导体纳米粒子时形成的半导体纳米粒子的形状为真球度更高的形状,并且使半导体纳米粒子的粒度分布更窄。
另外,在本发明中,如下所述可以将聚硅氮烷用作表面修饰剂。
在本发明中,如上所述,半导体纳米粒子的尺寸(平均粒径)优选为1~20nm的范围内。在本发明中,半导体纳米粒子的尺寸表示由半导体纳米粒子材料构成的核区域和由非活性的无机物的包覆层或有机配体构成的壳区域以及由表面修饰剂构成的总尺寸。在不含表面修饰剂、壳的情况下,表示不含表面修饰剂、壳的尺寸。
(3)半导体纳米粒子的制造方法
作为半导体纳米粒子的制造方法,可以使用以往进行的公知的任意方法。另外,作为市售品,也可以从Aldrich公司、CrystalPlex公司、NNLab公司等购入。
例如,作为高真空下的工艺,可以列举:分子束外延法、CVD法等;作为液相制造方法,可以列举:使原料水溶液作为例如正庚烷、正辛烷、异辛烷等烷类、或苯、甲苯、二甲苯等芳香族烃等非极性有机溶剂中的反胶束而存在,并在该反胶束相中进行结晶生长的反胶束法;将热分解性原料注入高温的液相有机介质中来进行结晶生长的热皂法;以及与热皂法一样,以酸碱反应为驱动力,在较低的温度下伴随结晶生长的溶液反应法等。可以从这些制造方法中使用任意的方法,其中,优选液相制造方法。
需要说明的是,对于液相制造方法而言,在半导体纳米粒子合成时,将存在于表面的有机表面修饰剂称为初期表面修饰剂。例如,作为热皂法中的初期表面修饰剂的例子,可以列举:三烷基膦类、三烷基氧化膦类、烷基胺类、二烷基亚砜类、烷基膦酸等。优选这些初期表面修饰剂通过交换反应交换成上述的功能性表面修饰剂。
具体而言,例如,通过上述热皂法得到的三辛基氧化膦等的初期表面修饰剂,可以通过在含有功能性表面修饰剂的液相中以进行交换反应而与上述的功能性表面修饰剂交换。
《聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体》
在构成本发明的光学膜的半导体纳米粒子层上含有聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物。聚硅氮烷改性体是通过对聚硅氮烷进行改性处理而生成的、含有选自氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中至少一种的化合物。
这里,聚硅氮烷可以在半导体纳米粒子层形成用涂布液中与半导体纳米粒子一起分散,也可以将半导体纳米粒子预先用聚硅氮烷包覆并将该粒子分散于半导体纳米粒子层形成用涂布液中。需要说明的是,在本发明中,包覆是指覆盖半导体纳米粒子的表面,但可以不用覆盖半导体纳米粒子表面的全部,也可以覆盖一部分。
在半导体纳米粒子层中,通过含有聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物,可以赋予能够长时间抑制半导体纳米粒子与氧等接触的耐久性,且可以成为透明性高的层。
(1)聚硅氮烷的构成材料
所谓“聚硅氮烷”是指在具有硅-氮键的聚合物中,由Si-N、Si-H、N-H等构成的SiO2、Si3N4及两者的中间固溶体SiOxNy等陶瓷前体无机聚合物。聚硅氮烷及聚硅氮烷衍生物用下述通式(I)表示。
[化学式1]
通式(I)
为了以不损坏膜基材的方式涂布,可以如特开平8-112879号公报中记载,以较低的温度进行陶瓷化并改性成二氧化硅。
在通式(I)中,R1、R2及R3分别独立地表示氢原子、烷基、烯基、环烷基、芳基、烷基甲硅烷基、烷基氨基或烷氧基等。
从得到的层的致密性的观点考虑,特别优选R1、R2及R3均为氢原子的全氢聚硅氮烷。
另一方面,该与Si键合的氢部分中的一部分被烷基等取代的有机聚硅氮烷具有如下优点:由于具有甲基等烷基而改善了与基底基材的粘接性,且可以使硬而脆的聚硅氮烷形成的陶瓷膜具有韧性,即使在进一步增加了(平均)膜厚的情况下也能够抑制裂纹产生。可以根据用途适当选择这些全氢聚硅氮烷和有机聚硅氮烷,也可以混合使用。
可以推定全氢聚硅氮烷存在有直链结构和以6及8元环为中心的环结构。其分子量以数均分子量(Mn)计约为600~2000左右(聚苯乙烯换算),是液体或固体物质,根据分子量的不同而不同。它们以溶解于有机溶剂中的溶液状态销售,可以将市售品直接用作含有聚硅氮烷的液体。
作为在低温下进行陶瓷化的聚硅氮烷的其它例子,可以列举:使烷氧基硅与上述通式(I)表示的聚硅氮烷反应而得到的烷氧基硅加成聚硅氮烷(特开平5-238827号公报)、使缩水甘油反应而得到的缩水甘油加成聚硅氮烷(特开平6-122852号公报)、使醇反应而得到的醇加成聚硅氮烷(特开平6-240208号公报)、使金属羧酸盐反应而得到的金属羧酸盐加成聚硅氮烷(特开平6-299118号公报)、使含有金属的乙酰丙酮络合物反应而得到的乙酰丙酮络合物加成聚硅氮烷(特开平6-306329号公报)、添加金属微粒而得到的金属微粒添加聚硅氮烷(特开平7-196986号公报)等。
另外,在半导体纳米粒子层中,为了促进聚硅氮烷向氧化硅化合物的转化,也可以添加胺、金属等催化剂。具体而言,可以举出AZElectronicMaterials(公司)制AQUAMICANAX120-20、NN110、NN310、NN320、NL110A、NL120A、NL150A、NP110、NP140、SP140等。
(2)改性处理
优选对半导体纳米粒子层中含有的聚硅氮烷进行改性处理,由此,使半导体纳米粒子层中含有的聚硅氮烷的一部分或全部成为聚硅氮烷改性体。
在聚硅氮烷与半导体纳米粒子一起分散于半导体纳米粒子层形成用涂布液中的情况下,对涂布该半导体纳米粒子层形成用涂布液而形成的涂布层进行改性处理。
另外,在将半导体纳米粒子预先用聚硅氮烷包覆的情况下,可以预先对被该聚硅氮烷包覆的半导体纳米粒子进行改性处理,也可以对涂布被该聚硅氮烷包覆的半导体纳米粒子而形成的涂布层进行改性处理,还可以两种情况下均进行。
具体而言,改性处理可以根据聚硅氮烷的转化反应来选择公知的方法。对于利用硅氮烷化合物的取代反应的氧化硅膜或氮氧化硅膜制作而言,需要450℃以上的加热处理,在塑料等挠性基板上难以适用。为了能适用于塑料基板,优选使用能够在低温下进行转化反应的等离子体处理、臭氧处理、紫外线照射处理等方法。
需要说明的是,在对含有聚硅氮烷的涂布层进行改性处理的情况下,优选在该改性处理前除去水分。
作为本发明的改性处理,优选紫外线照射、真空紫外线照射、等离子体照射,特别是从聚硅氮烷的改性效果的观点考虑,优选真空紫外线照射。
(2-1)紫外线照射处理
作为改性处理的方法,优选利用紫外线照射的处理。通过紫外线(与紫外光同义)生成的臭氧、活性氧原子具有较高的氧化能力,能够在低温下制作具有较高致密性和绝缘性的氧化硅或氮氧化硅。
通过该紫外线照射,基材被加热,从而使有助于陶瓷化(二氧化硅转化)的O2和H2O、聚硅氮烷自身被激发、活性化,由此使聚硅氮烷激发,促进聚硅氮烷的陶瓷化,而且使得到的陶瓷膜更加致密。紫外线照射可以在半导体纳米粒子层形成用涂布液的制备时进行,也可以在涂布半导体纳米粒子层形成用涂布液以后进行。
本发明中,可以使用常用的任意紫外线产生装置。
需要说明的是,在本例中,所谓“紫外线”通常是指具有10~400nm波长的电磁波,但是在后面叙述的真空紫外线(10~200nm)处理以外的紫外线照射处理的情况下,优选使用210~350nm的紫外线。
对于紫外线的照射而言,在担载被照射涂布膜的基材不受损害的范围内设定照射强度、照射时间。
当以使用塑料膜作为基材的情况为例时,使用例如2kW(80W/cm×25cm)的灯,可以对基材-灯之间的距离进行设定,并进行0.1秒钟~10分钟的照射,使得基材表面的强度为20~300mW/cm2,优选为50~200mW/cm2。
通常,当紫外线照射处理时的基材温度为150℃以上时,在使用塑料膜等作为基材的情况下,会发生该基材的变形、基材的强度降低等。但是,在聚酰亚胺等耐热性高的膜、金属等基材的情况下,则可以在更高温下处理。因此,对该紫外线照射时的基材温度,没有通常的上限,本领域技术人员可以根据基材的种类适当设定。另外,对紫外线照射气体氛围没有特别限制,只要在空气中实施即可。
作为这样的紫外线的产生方法,可以列举例如:金属卤素灯、高压汞灯、低压汞灯、氙弧灯、碳弧灯、准分子灯(172nm、222nm、308nm的单一波长、例如,USHIO(公司)制)、UV光激光等,没有特别限定。另外,在对涂布层照射产生的紫外线时,为了实现均匀照射并提高效率,优选使来自产生源的紫外线被反射板反射后再照射至涂布层。
紫外线照射可以应用于分批处理,也可以应用于连续处理,可以根据被涂布基材的形状来适当选择。例如,在分批处理的情况下,可以利用具备了如上所述的紫外线产生源的紫外线烧成炉对在表面上具有涂布层的基材(例如,硅晶片等)进行处理。紫外线烧成炉自身可以使用通常周知的,例如EYEGRAPHICS(公司)制。另外,在表面上具有涂布层的基材为长条膜状的情况下,一边对其输送,一边在具备如上所述的紫外线产生源的干燥区中连续地照射紫外线,由此能够进行陶瓷化。紫外线照射所需要的时间根据待涂布的基材、涂布液的组成、浓度的不同而不同,通常为0.1秒钟~10分钟,优选为0.5秒钟~3分钟。
(2-2)真空紫外线照射处理;准分子照射处理
在本发明中,作为更优选的改性处理的方法,可以列举利用真空紫外线照射进行的处理。利用真空紫外线照射进行的处理是如下所述方法:使用大于硅氮烷化合物内的原子间键强度的100~200nm的光能量,优选使用100~180nm波长的光能量,通过被称为光量子工艺的仅利用光子的作用,一边直接切断原子键,一边进行由活性氧、臭氧引起的氧化反应,由此能够在较低温度下进行氧化硅膜的形成。
作为其需要的真空紫外光源,可以优选使用稀有气体准分子灯。
这里,由于Xe、Kr、Ar、Ne等稀有气体的原子不能进行化学键合而形成分子,因此,被称为非活性气体。但是,通过放电等得到了能量的稀有气体的原子(激发原子)能够与其它原子键合而形成分子。在稀有气体为氙气的情况下,
e+Xe→e+Xe*
Xe*+Xe+Xe→Xe2*+Xe,
作为被激发的准分子分子的Xe2*跃迁至基底状态时,发出172nm的准分子光。作为准分子灯的特征,可以列举:发射集中于一个波长,且几乎不会发射出不需要的光,因此效率较高。
另外,由于未发射多余的光,因此可以较低地保持对象物的温度。另外,由于不需时间来启动/再启动,因此能够瞬间点亮或熄灭。
为了得到准分子发光,已知有使用介质气体阻挡放电(dielecticgasbarrierdischarge)的方法。介质气体阻挡放电是指,在两电极之间隔着介电质(准分子灯的情况下为透明石英)配置气体空间,并对电极施加数10kHz的高频高电压,由此在气体空间所产生的与雷相似的非常地细小的被称为微放电(microdischarge)的放电。如果microdischarge的电子流到达管壁(介电质),则会在介电质表面积存电荷,因此microdischarge消失。如上所述,介质气体阻挡放电是指microdischarge扩散至管壁整体,且反复生成/消失的放电。因此,会产生即使是肉眼也能够看见的光的闪烁。另外,由于温度非常高的电子流在局部直接到达管壁,因此也有加速管壁劣化的可能性。
作为高效率地得到准分子发光的方法,除了介质气体阻挡放电以外,也可以使用无电极电场放电(electrodelessfielddischarge)。利用电容性耦合的无电极电场放电,别名也称为RF放电。灯和电极及其配置基本上也可以与介质气体阻挡放电相同,通过在两极之间施加的高频达到数MHz来点亮。无电极电场放电如上所述能够获得空间上/时间上相同的放电,因此可以得到无闪烁且寿命长的灯。
在介质气体阻挡放电的情况下,由于microdischarge仅在电极之间产生,因此为了使放电空间整体进行放电,必须使外侧的电极覆盖外表面整体,且为了使光射出外部而必须使光透过外表面。因此,可以使用将细金属线做成网状而形成的电极。由于该电极为了不遮挡光而尽可能使用较细的线,因此在氧气氛围中,容易被由真空紫外光产生的臭氧等损伤。
为了防止这样的情况,需要使灯的周围、即照射装置内为氮气等非活性气体氛围,且需要设置合成石英窗来使照射光射出。合成石英窗不但是高价的消耗品,而且也会产生光损耗。
由于双层圆筒型灯的外径为25mm左右,因此对于灯轴的正下方和灯侧面而言,到照射面的距离之差不能忽视,且在照度上产生很大的差别。因此,即使将灯密接排列,也不能得到同样的照度分布。如果是设置了合成石英窗的照射装置,则可以使氧气氛围中的距离相同,能够得到相同的照度分布。
在使用无电极电场放电的情况下,不需要将外部电极做成网状。只要在灯外面的一部分设置外部电极,辉光放电即可扩展至放电空间整体。对于外部电极而言,通常在灯背面使用由铝块制作的电极,该电极也用作光的反射板。但是,与介质气体阻挡放电的情况一样,灯的外径较大,因此为了形成相同的照度分布需要合成石英。
细管准分子灯的最大的特征在于结构简单。封闭石英管的两端,并且仅在内部封入用于进行准分子发光的气体。因此,可以提供非常廉价的光源。
对于双层圆筒型灯而言,将内外管的两端连接并进行了封闭加工,因此与细管灯相比,容易由使用或输送而导致破损。另外,细管灯的管的外径为6~12mm左右,如果过粗,则启动时需要高电压。
放电的形式可以使用介质气体阻挡放电、无电极电场放电中的任一种。对于电极的形状而言,与灯相接的面可以为平面,但是如果为符合灯的曲面的形状,则可以通过牢固地固定灯,且同时使电极密接于灯而使放电更稳定。另外,如果用铝将曲面做成镜面,则也可以成为光的反射板。
Xe准分子灯以单一波长发射波长较短的172nm的紫外线,因此发光效率优异。该光的氧的吸收系数较大,因此能够用微量的氧来高浓度地产生自由基氧原子种、臭氧。另外,已知使有机物的键解离的短波长172nm的光的能量具有较强的能力。通过该活性氧、臭氧和紫外线放射所具有的高能量,能够在短时间内实现含有聚硅氮烷的涂布膜的改性。因此,与发出波长185nm、254nm的低压汞灯或等离子体清洗相比,能够随着高产能而缩短工艺时间、缩小设备面积,可以对容易受到热导致的损伤的有机材料、塑料基板等进行照射。
准分子灯的光的产生效率较高,因此能够通过较低的电力投入来使其点亮。另外,不会发出作为由光引起温度升高的主要原因的长波长的光,且在紫外线区域中以单一波长照射能量,因此具有能够抑制照射对象物的表面温度升高的特征。因此,适于容易受到热影响的PET等的挠性膜材料。
《树脂材料》
如上所述,在本发明的光学膜的半导体纳米粒子层中,优选含有树脂材料,更优选含有紫外线固化性树脂。
作为紫外线固化性树脂,优选使用例如:紫外线固化型聚氨酯丙烯酸酯类树脂、紫外线固化型聚酯丙烯酸酯类树脂、紫外线固化型环氧丙烯酸酯类树脂、紫外线固化型多元醇丙烯酸酯类树脂、或紫外线固化型环氧树脂等。其中,优选紫外线固化型丙烯酸酯类树脂。
紫外线固化型聚氨酯丙烯酸酯类树脂通常可以通过使异氰酸酯单体或预聚物与聚酯多元醇反应,并将得到的生成物进一步与丙烯酸2-羟基乙酯、甲基丙烯2-羟基乙酯(以下,作为丙烯酸酯中包含甲基丙烯酸酯的酯,仅表示丙烯酸酯)、丙烯酸2-羟基丙酯等具有羟基的丙烯酸酯类单体发生反应而容易地得到。可以使用例如特开昭59-151110号公报中记载的物质。优选使用例如UNIDIC17-806(DIC公司制)100份与CORONATEL(NipponPolyurethane公司制)1份的混合物等。
作为紫外线固化型聚酯丙烯酸酯类树脂,通常可以列举例如:使丙烯酸2-羟基乙酯、丙烯酸2-羟基酯类的单体与聚酯多元醇发生反应而容易得到的树脂,可以使用特开昭59-151112号公报中记载的树脂。
作为紫外线固化型环氧丙烯酸酯类树脂的具体例子,可以列举:将环氧丙烯酸酯作为低聚物,向其中添加反应性稀释剂、光聚合引发剂,使其发生反应而生成的树脂,可以使用在特开平1-105738号公报所记载的树脂。
作为紫外线固化型多元醇丙烯酸酯类树脂的具体例子,可以列举:三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、二(三羟甲基丙烷)四丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、二季戊四醇六丙烯酸酯、烷基改性二季戊四醇五丙烯酸酯等。
作为这些紫外线固化性树脂的光聚合引发剂,具体而言,可以列举:苯偶姻及其衍生物、苯乙酮、二苯甲酮、羟基二苯甲酮、米蚩酮、α-戊基肟酯、噻吨酮等及它们的衍生物。还可以与光敏剂一起使用。上述光聚合引发剂也可以作为光敏剂来使用。另外,在使用环氧丙烯酸酯类的光聚合引发剂时,可以使用:正丁胺、三乙胺、三正丁膦等敏化剂。相对于该组合物100质量份,用于紫外线固化树脂组合物的光聚合引发剂或光敏剂为0.1~15质量份,优选为1~10质量份。
作为树脂单体,例如,作为不饱和双键为一个的单体,可以列举:丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸苄酯、丙烯酸环己酯、乙酸乙烯酯、苯乙烯等通常的单体。另外,作为具有两个以上不饱和双键的单体,可以列举:乙二醇二丙烯酸酯、丙二醇二丙烯酸酯、二乙烯基苯、1,4-环己烷二丙烯酸酯、1,4-环己基二甲基二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯等。作为市售品,可以适当选择使用:ADEKAOPTOMERKR·BY系列:KR-400、KR-410、KR-550、KR-566、KR-567、BY-320B(ADEKA株式会社制);KOEIHARDA-101-KK、A-101-WS、C-302、C-401-N、C-501、M-101、M-102、T-102、D-102、NS-101、FT-102Q8、MAG-1-P20、AG-106、M-101-C(广荣化学工业株式会社制);SEIKABEAMPHC2210(S)、PHCX-9(K-3)、PHC2213、DP-10、DP-20、DP-30、P1000、P1100、P1200、P1300、P1400、P1500、P1600、SCR900(大日精化工业株式会社制);KRM7033、KRM7039、KRM7130、KRM7131、UVECRYL29201、UVECRYL29202(DaicelUCB株式会社制);RC-5015、RC-5016、RC-5020、RC-5031、RC-5100、RC-5102、RC-5120、RC-5122、RC-5152、RC-5171、RC-5180、RC-5181(DIC株式会社制);OLEXNo.340CLEAR(中国涂料株式会社制);SANRADH-601、RC-750、RC-700、RC-600、RC-500、RC-611、RC-612(三洋化成工业株式会社制);SP-1509、SP-1507(昭和高分子株式会社制);RCC-15C(GraceJAPAN株式会社制)、ARONIXM-6100、M-8030、M-8060(东亚合成株式会社制)、NKHARDB-420、NKESTERA-DOG、NKESTERA-IBD-2E(新中村化学工业株式会社制)等。另外,作为具体的化合物例子,可以列举:三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、二(三羟甲基丙烷)四丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、二季戊四醇六丙烯酸酯、二噁烷乙二醇丙烯酸酯、乙氧基化丙烯酸酯、烷基改性二季戊四醇五丙烯酸酯等。
另外,含有上述树脂材料的半导体纳米粒子层可以通过使用凹板涂布、浸渍涂布、逆涂、线棒涂布、模涂、喷墨法等公知的方法涂布半导体纳米粒子层形成用涂布液,进行加热干燥,并进行UV固化处理而形成。涂布量以湿式膜厚为0.1~40μm为适当,优选为0.5~30μm。另外,作为干膜厚的平均膜厚为0.1~30μm,优选为1~20μm。
作为UV固化处理的光源,只要是产生紫外线的光源,就可以没有限制地使用。可以使用例如:低压汞灯、中压汞灯、高压汞灯、超高压汞灯、碳弧灯、金属卤素灯、氙气灯等。照射条件根据各种灯而不同,紫外线的照射量通常为5~500mJ/cm2,优选为5~150mJ/cm2。另外,在照射紫外线时,优选一边对膜的输送方向赋予张力一边进行照射,更优选也一边对宽度方向赋予张力一边进行照射。赋予的张力优选为30~300N/m。赋予张力的方法没有特别限定,可以在后辊上对输送方向赋予张力,也可以用拉幅机对宽度方向或双轴方向赋予张力。由此,可以得到平面性更优异的膜。
在形成半导体纳米粒子层的半导体纳米粒子层形成用涂布液中可以含有溶剂。作为在该涂布液中含有的有机溶剂,可以从例如:烃类(甲苯、二甲苯)、醇类(甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、环己醇)、酮类(丙酮、甲基乙基酮、甲基异丁基酮)、酯类(乙酸甲酯、乙酸乙酯、乳酸甲酯)、乙二醇醚类、其它有机溶剂中适当选择,或者将它们混合使用。
需要说明的是,作为半导体纳米粒子层中含有的树脂材料,并不限定于紫外线固化性树脂,例如,可以使用聚甲基丙稀酸甲酯树脂(PMMA;Poly(methylmethacrylate))等热塑性树脂,也可以使用由丙烯酸多元醇与异氰酸酯预聚物构成的热固化性聚氨酯树脂、酚醛树脂、尿素三聚氰胺树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚硅氧烷树脂等热固化性树脂。
如上所述构成的本发明的光学膜可以适用于各种发光器件,例如可以用作配置于LCD的光源与偏振片之间的高亮度膜。
实施例
以下,基于实施例对本发明进行更具体的说明,但是本发明并不限定于以下实施例。
《半导体纳米粒子A的合成》
将肉豆蔻酸铟0.1mmol、硬脂酸0.1mmol、三甲基硅烷基膦0.1mmol、十二硫醇0.1mmol、十一碳烯酸锌0.1mmol与十八碳烯8ml一起装入三颈烧瓶中,一边在氮气氛围下进行回流,一边以300℃加热1小时,得到了InP/ZnS(半导体纳米粒子A)。需要说明的是,作为本说明书中具有壳的量子点的表示方法,在核为InP、壳为ZnS的情况下,表示为InP/ZnS。
通过用透射电子显微镜直接观察粒子A,可以确认到呈现出ZnS壳包覆InP核部表面的构造的、核壳结构的InP/ZnS半导体纳米粒子。另外,根据该观察,可以确认通过本合成方法合成的InP/ZnS半导体微粒萤光体的核部的粒径为2.1~3.8nm,核部的粒径分布为6~40%。这里,该观察中使用了日本电子株式会社制造的透射电子显微镜JEM-2100。
另外,通过测定脱水甲苯溶液H,测定了InP/ZnS半导体微粒荧光体的光学特性。确认了发光波峰波长为430~720nm,发光半值宽度为35~90nm。发光效率最大达到70.9%。这里,在InP/ZnS半导体微粒荧光体的发光特性测定中使用了JOBINYVON公司制造的萤光分光光度计FluoroMax-4,在InP/ZnS半导体微粒荧光体的吸收光谱测定中使用了HitachiHigh-Technologies公司制造的分光光度计U-4100。
《半导体纳米粒子B的合成》
将Se粉末0.7896g添加至三辛基膦(TOP)7.4g中,将混合物加热至150℃(氮气流中),制备TOP-Se原液。另外,将氧化镉(CdO)0.450g及硬脂酸8g在氩气氛围下在三颈烧瓶中加热至150℃。CdO溶解后,将该CdO溶液冷却至室温。向该CdO溶液中添加三辛基氧化膦(TOPO)8g及1-十七烷基十八烷基胺(HDA)12g,将混合物再加热至150℃,这时,快速地添加TOP-Se原液。然后,将反应室的温度加热至220℃,进而在一定的速度下用120分钟升温至250℃(0.25℃/分钟)。然后,将温度降至100℃,添加乙酸锌二水合物并搅拌使其溶解,然后滴加六甲基二硅硫烷的三辛基膦溶液,继续搅拌数小时并使反应结束,得到了CdSe/ZnS(半导体纳米粒子B)。
与粒子A一样,通过用透射电子显微镜直接观察粒子B,可以确认到呈现出ZnS壳包覆CdSe核部表面的结构的核壳结构的CdSe/ZnS半导体纳米粒子。另外,可以确认在CdSe/ZnS半导体微粒子荧光体中,核部的粒径为2.0~4.0nm,核部的粒径分布为6~40%。确认了光学特性中发光波峰波长为410~700nm,发光半值宽度为35~90nm。发光效率最大达到73.9%。
《半导体纳米粒子C的合成》
将半导体纳米粒子A0.4mL(无机物,约70mg)在真空下进行干燥。然后,注入0.6mL的原硅酸三乙酯(TEOS)溶解半导体纳米粒子A,形成澄清的溶液,在N2下保持静置一夜。然后,将混合物在600rpm的搅拌下注入50mL烧瓶中的10mL反相微乳液(环己烷/CO-520、18ml/1.35g)中。将混合物搅拌15分钟,然后,注入0.1mL的4%NH4OH并使其开始反应。第二天,进行离心分离使反应停止并收集固相。将得到的粒子用20mL的环己烷清洗两次,然后在真空下使其干燥,得到了由二氧化硅包覆的半导体纳米粒子C。
与半导体纳米粒子A同样地进行分析,可以确认在粒径70~100nm的二氧化硅粒子中包含有半导体纳米粒子A。另外,确认了发光波峰波长为390~700nm、发光半值宽度为35~90nm。发光效率最大达到70.1%。
《半导体纳米粒子D的合成》
将半导体纳米粒子A0.4mL(无机物,约70mg)在真空下进行干燥。然后,注入0.6mL的全氢聚硅氮烷(AQUAMICANN120-10、无催化剂型、AZElectronicMaterials公司制)溶解半导体纳米粒子A,形成澄清的溶液,在N2下保持静置一夜。然后,将混合物在600rpm的搅拌下注入50mL烧瓶中的10mL反相微乳液(环己烷/CO-520、18ml/1.35g)中。将混合物揽拌15分钟,然后,注入0.lmL的4%NH4OH并使其开始反应。第二天,进行离心分离使反应停止并收集固相。将得到的粒子用20mL的环己烷清洗两次,然后在真空下使其干燥,得到了由全氢聚硅氮烷包覆的半导体纳米粒子D。
与半导体纳米粒子A同样地进行分析,可以确认在粒径70~100nm的二氧化硅粒子中包含有半导体纳米粒子A。另外,确认了发光波峰波长为390~700nm,发光半值宽度为30~70nm。发光效率最大达到73.5%。
《半导体纳米粒子E的合成》
将半导体纳米粒子A0.4mL(无机物,约70mg)在真空下进行干燥。然后,分散于甲苯中并将该分散液5ml调节至40℃,在搅拌的状态下添加0.5ml的全氢聚硅氮烷(AQUAMICANN120-10、无催化剂型、AZElectronicMaterials公司制),并在约40℃下搅拌1小时。将得到的粒子在真空下进行干燥,得到了由全氢聚硅氮烷包覆的半导体纳米粒子E。
与半导体纳米粒子A同样地进行分析,确认了发光波峰波长为390~700nm,发光半值宽度为30~70nm。发光效率最大达到75.5%。
《半导体纳米粒子F的合成》
将半导体纳米粒子A0.4mL(无机物,约70mg)在真空下进行干燥。然后,分散于甲苯中并将该分散液5ml调节至40℃,在搅拌的状态下添加0.5ml的全氢聚硅氮烷(AQUAMICANN120-10、无催化剂型、AZElectronicMaterials公司制),并在约40℃下搅拌1小时。将得到的粒子在真空下进行干燥,进而用下述准分子装置进行准分子照射,得到了将一部分聚硅氮烷进行了二氧化硅改性的半导体纳米粒子F。
与半导体纳米粒子A同样地进行分析,确认了发光波峰波长为390~700nm,发光半值宽度为30~60nm。发光效率最大达到76.5%。
〈准分子照射装置〉
装置:M.D.COM公司制造的准分子照射装置MODEL:MECL-M-1-200
照射波长:172nm
灯内封入的气体:Xe
〈改性处理条件〉
按照以下条件对固定在工作台上的半导体纳米粒子进行了改性处理。
准分子灯光强度:130mW/cm2(172nm)
试样和光源的距离:1mm
工作台加热温度:70℃
照射装置内的氧浓度:0.01%
准分子灯照射时间:5秒钟。
使用如上所述制备的各种半导体纳米粒子A~F,通过以下所示的方法制作成光学膜1~16。
《光学膜1的制作》
调整半导体纳米粒子B的粒径,使其发出的光为红色和绿色,并使红色0.75mg、绿色4.12mg分散于甲苯溶剂中,再加入PMMA树脂溶液,制备成半导体纳米粒子的重量含有率为1%的半导体纳米粒子层形成用涂布液。
在两面进行了易粘接加工的厚度125μm的聚酯薄膜(TeijinDuPontFilms公司制、KDL86WA)上涂布上述半导体纳米粒子层形成用涂布液,使得干燥膜厚为100μm,并在60℃下干燥3分钟,制作成比较例的光学膜1。
《光学膜2的制作》
除了在光学膜1的制作中将半导体纳米粒子B变更为半导体纳米粒子A以外,同样地制作了比较例的光学膜2。
《光学膜3的制作》
除了在光学膜1的制作中将半导体纳米粒子B变更为半导体纳米粒子C、且将包含于半导体纳米粒子C中的半导体纳米粒子A的红色、绿色成分调整为0.75mg、4.12mg以外,同样地制作了比较例的光学膜3。
《光学膜4的制作》
调整包含于半导体纳米粒子C中的半导体纳米粒子A成分的粒径,使其发光为红色和绿色,而且将该包含的半导体纳米粒子A的红色、绿色成分0.75mg、4.12mg分散于甲苯溶剂中,再添加UV固化树脂溶液,所述UV固化树脂溶液是在DIC公司制造的UV固化型树脂UNIDICV-4025中将光聚合引发剂IRGACURE184(BASFJAPAN公司制)以固体成分比(质量%)计为树脂/引发剂:95/5的方式制备的,从而制作成半导体纳米粒子的重量含有率为1%的半导体纳米粒子层形成用涂布液。
在两面进行了易粘接加工的厚度125μm的聚酯薄膜(TeijinDupontFilms公司制、KDL86WA)上,涂布上述半导体纳米粒子层形成用涂布液,使得干燥膜厚为100μm,并在60℃下干燥3分钟,在固化条件;0.5J/cm2空气下使用高压汞灯进行固化,制作了比较例的光学膜4。
《光学膜5的制作》
与光学膜4的制作同样地制作了半导体纳米粒子层形成用涂布液。
在两面进行了易粘接加工的厚度125μm的聚酯薄膜(TeijinDupontFilms公司制、KDL86WA)上,涂布上述半导体纳米粒子层形成用涂布液,使得干燥膜厚为100μm,并在60℃下干燥3分钟,在固化条件;0.5J/cm2空气下使用高压汞灯进行固化,进而用下述准分子装置进行准分子照射,制作了比较例的光学膜5。
〈准分子照射装置〉
装置:M.D.COM制造的准分子照射装置MODEL:MECL-M-1-200
照射波长:172nm
灯内封入的气体:Xe
〈改性处理条件〉
按照以下条件对固定在工作台上的涂布有半导体纳米粒子层形成用涂布液的膜进行了改性处理。
准分子灯光强度:130mW/cm2(172nm)
试样和光源的距离:1mm
工作台加热温度:70℃
照射装置内的氧浓度:0.01%
准分子灯照射时间:5秒钟。
《光学膜6的制作》
调整半导体纳米粒子B的粒径,使其发光为红色和绿色,将红色0.75mg、绿色4.12mg分散于甲苯溶剂中,再添加全氢聚硅氮烷(AQUAMICANN120-10,无催化剂型,AZElectronicMaterials公司制),制作成半导体纳米粒子的重量含有率为1%的半导体纳米粒子层形成用涂布液。
在两面进行了易粘接加工的厚度125μm的聚酯膜(TeijinDupontFilms公司制、KDL86WA)上,涂布上述半导体纳米粒子层形成用涂布液,使得干燥膜厚为100μm,在60℃下干燥3分钟,制作成本发明的光学膜6。
《光学膜7的制作》
除了在光学膜6的制作中将半导体纳米粒子B变更为半导体纳米粒子A以外,同样地制作了本发明的光学膜7。
《光学膜8的制作》
除了在光学膜7的制作中将半导体纳米粒子层形成用涂布液在60℃下干燥3分钟后,再用准分子装置进行准分子照射以外,同样地制作了本发明的光学膜8。
《光学膜9的制作》
除了在光学膜1的制作中将半导体纳米粒子B变更为半导体纳米粒子F以外,同样地制作了本发明的光学膜9。
《光学膜10的制作》
除了在光学膜4的制作中将半导体纳米粒子C变更为半导体纳米粒子F以外,同样地制作了本发明的光学膜10。
《光学膜11的制作》
除了在光学膜4的制作中将半导体纳米粒子C变更为半导体纳米粒子D以外,同样地制作了本发明的光学膜11。
《光学膜12的制作》
除了在光学膜4的制作中将半导体纳米粒子C变更为半导体纳米粒子E以外,同样地制作了本发明的光学膜12。
《光学膜13的制作》
除了在光学膜5的制作中将半导体纳米粒子C变更为半导体纳米粒子E以外,同样地制作了本发明的光学膜13。
《光学膜14的制作》
除了在光学膜5的制作中将半导体纳米粒子C变更为半导体纳米粒子F以外,同样地制作了本发明的光学膜14。
《光学膜15的制作》
除了在光学膜4的制作中将半导体纳米粒子C变更为半导体纳米粒子F,且将基材变更为厚度100μm的聚碳酸酯膜(帝人化成株式会社制,PUREACEWR-S5)以外,同样地制作了本发明的光学膜15。
《光学膜16的制作》
除了在光学膜4的制作中将半导体纳米粒子C变更为半导体纳米粒子F,且将基材变更成厚度100μm的三乙酸酯膜(KonicaMinolta公司制)以外,同样地制作了本发明的光学膜16。
《光学膜17的制作》
调整半导体纳米粒子F的粒径,使其发光为红色和绿色。以红色成分为0.75mg的方式分散于甲苯溶剂中,再添加UV固化树脂溶液,所述UV固化树脂溶液是在DIC公司制造的UV固化型树脂UNIDICV-4025中将光聚合引发剂IRGACURE184(BASFJAPAN公司制)以固体成分比(质量%)计为树脂/引发剂:95/5的方式制备的,从而制备成半导体纳米粒子的重量含有率为1%的红色的半导体纳米粒子层形成用涂布液。同样以使绿色成分为4.12mg的方式分散于甲苯溶剂中,制作了绿色的半导体纳米粒子层形成用涂布液。
首先,在两面进行了易粘接加工的厚度125μm的聚酯薄膜(TeijinDupontFilms公司制、KDL86WA)上,涂布红色的半导体纳米粒子层形成用涂布液,使得干燥膜厚为50μm,并在60℃下干燥3分钟,在固化条件;0.5J/cm2空气下使用高压汞灯进行固化,再在红色的半导体纳米粒子层上涂布绿色的半导体纳米粒子层形成用涂布液,与红色同样地进行到固化为止,制作了具有红色/绿色两层结构的半导体纳米粒子层的本发明的光学膜17。
《光学膜的评价》
对如上所述制作的光学膜1~17进行了下述评价。将评价结果示于表1。
(透明性的评价:HAZE的测定)
使用东京电色公司制造的HAZEMETERNDH5000测定了光学膜1~17的总光线透射率,并按照下述基准进行了评价。从用于发光器件的观点考虑,本发明的光学膜优选低于1.5%。
◎:低于0.5%
○:0.5%~1%
○△:1%~1.5%
△:1.5%~低于3%
×:3%以上
(发光效率的评价)
在用405nm的蓝紫光对光学膜1~17进行激发时,测定了比色温度为7000K的白色发光的发光效率。测定中使用了大冢电子株式会社制造的发光测定系统MCPD-7000。按照下述基准评价了将比较例的光学膜1设为100时的发光效率。
◎:125以上
○:115~125
○△:105~115
△:95~105
△×:85~95
×:低于85
(耐久性的评价)
在85℃、85%RH的环境下,对上述制作的各个光学膜1~17实施了3000小时的加速劣化处理,然后测定上述发光效率,且求出加速劣化处理后的发光效率对加速劣化处理前的发光效率之比,并按照下述基准进行评价。
○:所述比值为0.95以上
○△:所述比值为0.90以上~低于0.95
△:所述比值为0.80以上~低于0.90
△×:所述比值为0.50以上~低于0.80
×:所述比值低于0.50
如表1所示,对于半导体纳米粒子层上含有聚硅氮烷及聚硅氮烷中至少一种和半导体纳米粒子的本发明的光学膜6~17而言,均在透明性、发光效率及耐久性上得到了良好的结果。如上所述,根据本发明能够得到透明性及耐久性优异的光学材料及光学膜。
另外,根据光学膜6~8和光学膜9~16的结果显示,与将聚硅氮烷分散于半导体纳米粒子层形成用涂布液中进行涂布相比,预先使半导体纳米粒子被聚硅氮烷包覆并作为半导体纳米粒子层形成用涂布液进行涂布者,可以得到透明性及耐久性优异的光学膜。
另外,根据光学膜7和光学膜8的结果、光学膜13和光学膜14的结果可以确认,通过对聚硅氮烷照射真空紫外线来进行改性处理,进一步提高了耐久性。
另外,根据光学膜10和光学膜17的结果可以确认,通过使半导体纳米粒子层为两层结构,进一步提高了透明性及耐久性。
工业实用性
如上所述,本发明在于提供一种具备能够长时间抑制氧等引起的半导体纳米粒子劣化的耐久性、且透明性优异的光学材料、光学膜及具备该光学膜的光学器件。
Claims (9)
1.一种光学材料,其含有聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物和半导体纳米粒子。
2.如权利要求1所述的光学材料,其中,所述半导体纳米粒子具有核壳结构。
3.一种光学膜,其具备:
基材;
半导体纳米粒子层,其设于所述基材上,且含有聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物和半导体纳米粒子。
4.如权利要求3所述的光学膜,其中,所述半导体纳米粒子具有核壳结构。
5.如权利要求3或4所述的光学膜,其中,所述半导体纳米粒子被所述聚硅氮烷及聚硅氮烷改性体中的至少一种化合物包覆。
6.如权利要求3~5中任一项所述的光学膜,其中,所述聚硅氮烷改性体是通过对所述聚硅氮烷照射真空紫外线而得到的,且含有选自氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中至少一种的化合物。
7.如权利要求3~6中任一项所述的光学膜,其中,所述半导体纳米粒子层含有紫外线固化性树脂。
8.如权利要求3~7中任一项所述的光学膜,其中,设有两层所述半导体纳米粒子层,且在该两层所述半导体纳米粒子层中,分别含有发光波长互不相同的半导体纳米粒子。
9.一种发光器件,其具备权利要求3~8中任一项所述的光学膜。
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