DE102004030019A1 - Photopolymerisierbare Zusammensetzung - Google Patents

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Abstract

Es wird eine photopolymerisierbare Zusammensetzung beschrieben, umfassend (a) 75 bis 99 Gew.-% eines ethylenisch ungesättigten Monomers oder eines Monomergemisches aus verschiedenen ethylenisch ungesättigten Monomeren, (b) 0,5 bis 25 Gew.-% eines Triglycerids oder eines Gemisches aus verschiedenen Triglyceriden und (c) 0,1 bis 10 Gew.-% eines Photoinitiatorsystems, das die Polymerisation des oder der ethylenisch ungesättigten Monomeren bei der Einwirkung aktinischer Strahlung aktiviert, wobei die Zusammensetzung eine homogene, klare, bei 20 DEG C flüssige Mischung ist. Außerdem werden aus solchen photopolymerisierbaren Zusammensetzungen herstellte Elemente und Verfahren zur Bildung eines lichtbeständigen Hologramms daraus beschrieben. Die photopolymerisierbaren Zusammensetzungen eignen sich insbesondere als Aufzeichnungsmaterial für optische Elemente mit Brechungsindexmodulation, insbesondere Hologramme.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf photopolymerisierbare Zusammensetzungen und daraus hergestellte Elemente. Die photopolymerisierbaren Zusammensetzungen eignen sich insbesondere als Aufzeichnungsmaterial für optische Elemente mit Brechungsindexmodulation, insbesondere Hologramme. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bildung eines lichtbeständigen Hologramms.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Ein Phasenhologramm ist durch ein Muster von Bereichen unterschiedlichen Brechungsindices innerhalb eines Aufzeichnungsmaterials charakterisiert. Methoden zur Erzeugung von Hologrammen und die Theorie können der Literatur, u.a. „Holography" von C.C. Guest (Encyclopedia of Physical Science and Technology, Vol. 6, S. 507–519, R.A. Meyers, Hrsg. Academic Press, Orlando, FL, 1987) entnommen werden.
  • Als Aufzeichnungsmaterial für Hologramme eignen sich eine Vielzahl verschiedener Materialien, wie z.B. Silberhalogenidemulsionen oder gehärtete dichromatbehandelte Gelatine. Eine nützliche Diskussion über schon länger bekannte Materialien findet sich z.B. in „Holographic Recording Materials" von H.M. Smith, Ed. (Topics in Applied Physics, Vol. 20, Springer Verlag, 1977).
  • Photopolymere als Aufzeichnungsmaterial sind ebenfalls schon länger bekannt. Sie können prinzipiell eingeteilt werden in solche, die nasschemisch entwickelt werden müssen und solche, die keines chemischen Entwicklungsschritts bedürfen. Letztgenannte Systeme wurden bereits 1969 von Haugh in dem US-Patent 3,658,526 beschreiben. Sie bestehen im Wesentlichen aus polymerem Binder, Monomer und einem Initiatorsystem und eignen sich zur Aufnahme von hochaufgelösten Hologrammen. Seither sind im Stand der Technik weitere Monomer-Binder-Photopolymere beschrieben worden, die im Vergleich zu dem ursprünglich vorgestellten Material verbesserte Eigenschaften aufweisen. Mittlerweile wird von DuPont ein Holographie-Material unter dem Markennamen OmniDex® kommerziell vertrieben (siehe EP 0 324 480 ).
  • Die genannten Photopolymersysteme, die einen polymeren Binder enthalten, bilden eine im Wesentlichen feste Filmschicht. Im Unterschied dazu sind auch Binder-freie Systeme vorgestellt worden, die bis zur Belichtung im Wesentlichen flüssig sind (siehe z.B. US-Patent 3,993,485 oder N. Smirnova, Optics in Information Systems, February 2004, S. 9).
  • Bei den meisten im Wesentlichen festen Monomer-Binder-Photopolymeren ist es allerdings notwendig, dass zur Stabilisierung/Fixierung des Hologramms bzw. zur Erhöhung des Beugungswirkungsgrades der Film nach der holographischen Belichtung neben einer ganzflächigen Bestrahlung mit UV-Licht zusätzlich noch einer weiteren zeitintensiven thermischen Behandlung unterzogen werden muss. Weitere Schritte zur Erhöhung des Beugungswirkungsgrades umfassen z.B. das Behandeln des Hologramms mit Lösungsmittel und/oder flüssigem Monomer. Für viele Produktionsverfahren sind aber möglichst geringe Zeiten bzw. ein möglichst hoher Durchsatz und eine einfache, kostengünstige Prozessführung für die Herstellung der Hologramme gefordert, so dass umständliche und zeitintensive Nachbehandlungen von Nachteil sind. Tatsächlich selbstentwickelnde und effektive Photopolymere als holographisches Aufzeichnungsmaterial sind deshalb immer noch Gegenstand intensiver Entwicklung.
  • Bisher können Hologramme mit einem Beugungswirkungsgrad von über 80% im Wesentlichen nur mit einer Photopolymerzusammensetzung hergestellt werden, die einen hohen Anteil an einem thermoplas tischen Binder (z.B. PVAC, PMMA) enthält. Dabei ergeben sich aber folgende Schwierigkeiten bei der Verarbeitung: Durch den hohen Binderanteil eines nicht flüssigen Polymers, ist ein hoher Lösungsmittelanteil notwendig um eine Lösung bzw. Emulsion für die Beschichtung zu erhalten. Daraus resultiert eine lange Trocknungszeit (Abdampfen des Lösungsmittels) bis die Photoschicht belichtet werden kann. Zudem schrumpft die Schicht entsprechend des Lösungsmittelanteils. Um eine 20 Mikrometer dicke Schicht zu erreichen, muss das Material z.B. mit einem 150 Mikrometer breiten Rakelspalt aufgetragen werden. Die erforderliche hohe Dicke der Nassschicht verhindert oder erschwert die Verwendung von bekannten Druckverfahren. Beim Siebdruck kommt es zudem bei der Verwendung von schnell trocknenden Lösungsmitteln zu einer Verklebung des Netzes. Auch die langen thermischen Nachbehandlungszeiten nach der Belichtung (DuPont gibt für das genannte OmniDex®-Material eine Trocknungszeit von einer Stunde bei 120 °C an) sorgt bei schnellen Produktionsgeschwindigkeiten für lange Strecken und führt zu aufwendigen und großen Maschinenkonstruktionen.
    •
  • Beschreibung der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein holographisches Aufzeichnungsmaterial bereitzustellen, das die genannten Nachteile bekannter Aufzeichnungsmaterialien vermeidet und insbesondere eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit ermöglicht. Die aus dem Aufzeichnungsmaterial hergestellten holographischen Elemente sollen außerdem eine möglichst hohe Brechungsindexmodulation sowie eine hohe Langzeitstabilität, insbesondere thermische und mechanische Stabilität, zeigen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine photopolymerisierbare Zusammensetzung umfassend (a) 75 bis 99 Gew.-% eines ethylenisch ungesättigten Monomers oder eines Monomergemi sches aus verschiedenen ethylenisch ungesättigten Monomeren, (b) 0,5 bis 25 Gew.-% eines Triglycerids oder eines Gemisches aus verschiedenen Triglyceriden und (c) 0,1 bis 10 Gew.-% eines Photoinitiatorsystems, das die Polymerisation des oder der ethylenisch ungesättigten Monomeren bei der Einwirkung aktinischer Strahlung aktiviert; wobei die Zusammensetzung eine homogene, klare, bei 20°C flüssige Mischung ist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt des Weiteren ein Element, enthaltend eine Komponente, die erhältlich ist durch die Einwirkung von aktinischer Strahlung auf eine erfindungsgemäße photopolymerisierbare Zusammensetzung, bereit.
  • Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zur Bildung eines lichtbeständigen Hologramms in einer photopolymerisierbaren Schicht auf einer Substratoberfläche, umfassend die Einwirkung einer eine holographische Information tragenden modulierten Strahlung auf eine Schicht der erfindungsgemäßen photopolymerisierbaren Zusammensetzung, bereit.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass photopolymerisierbare Zusammensetzungen als holographische Aufzeichnungsmaterialien in vorteilhafter Weise unter Verwendung von Triglyceriden hergestellt werden können. Dadurch kann eine erhöhte Brechungsindexmodulation gegenüber photopolymerisierbaren Zusammensetzungen ohne Triglyceride erreicht werden, ohne dass eine zeitintensive thermische Nachbehandlung notwendig ist. Solche selbstentwickelnden Aufzeichnungsmaterialien sind somit im Gegensatz zu herkömmlichen Materialien für sehr schnelle und kostengünstige Herstellungsverfahren geeignet. Die damit hergestellten Hologramme zeichnen sich außerdem durch eine sehr hohe Langzeitstabilität, insbesondere durch verbesserte thermische, mechanische und chemische Stabilität (z.B. Lösungsmittelbeständigkeit) aus.
  • Bei der erfindungsgemäßen Zusammensetzung wird insbesondere kein Lösungsmittel und auch keine thermische Nachbehandlung benötigt. Es kann sofort nach dem Auftragen der Zusammensetzung auf ein Substrat belichtet werden. Da der Nassauftrag der Zusammensetzung nur in einer Dicke von etwa 8 bis 15 Mikrometern erfolgen muss, können auch bekannte Druckverfahren, wie Sieb-, Tief-, Tampon- oder Flexodruck verwendet werden. Nach der Belichtung ist die Schicht fest.
  • Die Verwendung von Triglyceriden bei der Herstellung von photopolymerisierbaren Zusammensetzungen als holographische Aufzeichnungsmaterialien hat darüber hinaus weitere wesentliche Vorteile: Das belichtete Photopolymer weist eine verringerte Oberflächenhaftung auf, da das Triglycerid gleichzeitig als Trennmittel fungiert. Das belichtete Hologramm kann daher leicht und restlos von einem Substrat, wie z.B. Glas, entfernt werden. Auch diese Eigenschaft ist für die Massenproduktion sehr günstig, weil somit verschleißfrei Kopiermaster mit Glasoberfläche für die Anfertigung von Kontaktkopien verwendet werden können. Durch die restlose Entfernung der nicht klebrigen Schicht bleibt der Reinigungsaufwand gering. Wenn die flüssige photopolymerisierbare Zusammensetzung direkt auf das Master aufgedruckt wird, entfällt auch das Indexmatching. Darunter wird das Auftragen einer Flüssigkeit zwischen Master und Hologrammschicht mit ungefähr dem gleichen Brechungsindex der beiden Schichten verstanden. Das Indexmatching verhindert beim normalen Kontaktkopierverfahren das Auftreten von störenden Interferenzerscheinungen (Newtonringe). Diese entstehen durch Reflexionen, die besonders an den Stellen auftreten, wo sich die beiden Schichten z.B. wegen eines Staubeinschlusses oder einer kleinen Unebenheit nicht direkt berühren. Zudem verbessert der Ausgleich von Kratzern und anderen Unebenheiten vom Trägermaterial (Master) die optische Qualität der Kopie.
  • Der lückenlose Kontakt zwischen Aufzeichnungsmaterial und Master kann auch dazu genutzt werden, auf dem Master vorhandene Oberflächenstrukturen abzuformen. Solche Oberflächenstrukturen können insbesondere Prägehologramme sein. Dadurch ist es möglich, in einem einzelnen Verarbeitungsschritt sowohl die Oberflächenstruktur als auch die volumenholographische Information des Masters zu kopieren.
  • Die erfindungsgemäße photopolymerisierbare Zusammensetzung enthält ein ethylenisch ungesättigtes Monomer oder ein Monomergemisch aus verschiedenen ethylenisch ungesättigten Monomeren.
  • Dabei können die ethylenisch ungesättigten Monomere nachfolgende allgemeine Struktureinheiten aufweisen:
    Figure 00070001
    wobei Q = (CH2 ) n (O) o oder (CH2 ) n-Ar(CH2 ) m (O) o wobei n, m = 0–12; o = 0, 1; und Ar ein ein- oder mehrkerniger substituierter oder unsubstituierter aromatischer oder heterocyclischer aromatischer Rest ist,
    wobei der Rest R1 H, Methyl oder Ethyl ist und
    wobei die Reste R2 und R3 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Alkoxy-, Acyl- und Acyloxyreste, die gerad- oder verzweigtkettig, unsubstituiert oder substituiert sein können, substituierte oder unsubstituierte Aryloxyreste, substituierte oder unsubstituierte aromatische Reste oder heterocyclische Reste, unsubstituierte oder substituierte alicyclische Kohlenwasserstoffreste, aliphatische, aromatische und aliphatisch-aromatische Amino-, Carbonsäure-, Amido- und Imidoreste, Hydroxy, Amino, Cyano, Nitro, Halogenatome oder Wasserstoffatome und Kombinationen der vorstehend genannten Reste, wobei die substituierten Reste substituiert sein können mit C1-C12 Alkyl-, C1-C12 Alkoxy-, Hydroxy-, Carboxy-, Carbonyl-, Amino-, Amido-, Imidoresten, Halogenatomen, aromatischen Resten oder Kombinationen davon.
  • Beispiele für geeignete ehtylenisch ungesättigte Monomere sind substituierte oder unsubstituierte Styrolmonomere, Acrylsäure, α-Alkylacrylsäure, Acrylsäureester, α-Alkylacrylsäureester, deren Alkoholkomponente ein substituierter oder unsubstituierter aliphatischer oder aromatischer Rest mit 2–50 Kohlenstoffatomen sein kann, Acrylamide, α-Alkylacrylamide, wobei Alkyl die vorstehend angegebene Bedeutung hat, Vinylester, Vinylalkohol, Vinylether und sonstige substituierte vinylische Monomere, substi tuiert mit substituierten oder unsubstituierten aliphatischen oder aromatischen Resten mit 2–50 Kohlenstoffatomen.
  • Bevorzugte Beispiele für geeignete ehtylenisch ungesättigte Monomere sind (Meth)acrylsäurebutylester, (Meth)acrylsäurephenylester, (Meth)acrylsäurebenzylester, (Meth)acrylsäureisobornylester, (Meth)acrylsäurecyclohexylester, (Meth)acrylsäure-2-phenoxyethylester, (Meth)acrylsäure-1H,1H,2H,2H-perfluoroctylester, 2,2,2-Trifluorethyl(meth)acrylat, Heptafluorpropyl(meth)acrylat, 1,1,1,3,3,3-Hexyfluorisopropyl(meth)acrylat, 2,2,3,3-Tetrafluorpropyl(meth)acrylat), 2,2,3,3,4,4,4-Heptafluorbutyl(meth)acrylat, 2,2,3,3,4,4,5,5-Octafluorpentyl(meth)acrylat, Acrylsäure-N,N-diethylaminoethylester, Acrylsäureethoxyethyoxyethylester, Acrylsäure-2-(p-chlorphenoxy)ethylester, p-Chlorphenylacrylat, 2-Phenylethyl(meth)acrylat, Pentachlorphenylacrylat, Phenylacrylat, p-Chlorstyrol, n-Vinylcarbazol, 1-Vinyl-2-pyrolidon, 2-Chlorstyrol, 2-Bromstyrol, Methoxystyrol, Phenolethoxylatacrylat, 2-(p-Chlorphenoxy)-ethylacrylat, 2-(1-Naphthyloxy)ethylacrylat, Hydrochinonmonomethacrylat und 2-[β-(N-Carbazolyl)propionyloxy]ethylacrylat.
  • Besonders bevorzugte ethylenisch ungesättigte Monomere sind N-Vinylcarbazol, Ethoxyethoxyethylacrylat, 2-Naphthylacrylat, 2-Phenoxyethylacrylat, 2-Phenoxyethylmethacrylat, Phenolethoxylatacrylat, 2-(p-Chlorphenoxy)ethylacrylat, p-Chlorphenylacrylat, Phenylacrylat, 2-Phenylethylacrylat, 2-(1-Naphthyloxy)ethylacrylat, t-Butylacrylat, Isobornylacrylat, Cyclohexylacrylat, N,N-Diethylaminoethylacrylat, Acrylamid, Ethoxyethoxyethylacrylat, 1H,1H,2H,2H-Perfluoroctylmethacrylat und Pentafluorethylacrylat.
  • Das ethylenisch ungesättigte Monomer ist bevorzugt mindestens difunktionell. Difunktionelle ethylenisch ungesättigte Monomere weisen zwei C-C-Doppelbindungen im Molekül auf, d.h. sie enthalten z.B. zwei der voranstehend angegebenen Struktureinheiten. Ein difuntionlles ethylenisch ungesättigtes Monomer kann z.B. zwei Acrylat- oder Methacrylatgruppen enthalten.
  • Die Komponente des ethylenisch ungesättigten Monomers in der erfindungsgemäßen photopolymerisierbaren Zusammensetzung kann im Wesentlichen ausschließlich aus einem oder mehreren difunktionellen oder höher funktionellen Monomer bestehen, d.h. die Zusammensetzung kann im Wesentlichen frei von monofunktionellen ethylenisch ungesättigten Monomeren sein. Bevorzugt beträgt der Gehalt an monofunktionellen ethylenisch ungesättigten Monomeren in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung weniger als 10 Gew.-%, mehr bevorzugt weniger als 5 Gew.-%.
  • Die Verwendung von difunktionellen oder höher funktionellen Monomeren führt insbesondere zu einer besonders hohen thermischen und mechanischen Stabilität der hergestellten holographischen Elemente und ist insbesondere bei der Herstellung von Refexionshologrammen vorteilhaft.
  • Bevorzugte difunktionelle ethylenisch ungesättigte Monomere sind ethoxylierte Bisphenol-A-Diacrylate, insbesondere Verbindungen der folgenden Formel
    Figure 00100001
    worin R1, Q und Ar die oben angegebene Bedeutung haben.
  • Ein besonders bevorzugtes difunktionelles ethylenisch ungesättigtes Monomer ist die Verbindung der folgenden Strukturformel:
  • Figure 00100002
  • Bevorzugt beträgt die Viskosität des ethylenisch ungesättigten Monomers bzw. Monomergemisches bei Raumtemperatur mindestens 900 mPa·s.
  • Die erfindungsgemäße photopolymerisierbare Zusammensetzung enthält des Weiteren ein Triglycerid oder ein Gemisch aus verschiedenen Triglyceriden.
  • Die geeigneten Triglyceride sind allgemein Verbindungen der folgenden allgemeinen Strukturformel
    Figure 00110001
    worin die R, jeweils unabhängig voneinander, für einen Fettsäurerest stehen; bevorzugt enthält R jeweils 6 bis 22, mehr bevorzugt 8 bis 18, Kohlenstoffatome.
  • Als Triglycerid können auch natürlich vorkommende Öle oder Fette wie z.B. Ricinusöl, Kokosöl, Palmkernöl und Gemische davon eingesetzt werden. Auch Derivate (z.B. Hydrierungsprodukte) solcher natürlichen Fette und Öle können eingesetzt werden. Solche natürlich vorkommenden Öle oder Fette sind bzw. enthalten im allgemeinen Gemische verschiedener Triglyceride.
  • Ein besonders bevorzugtes Triglycerid ist das Triglycerid der Ricinolsäure, das ein Hauptbestandteil des Ricinusöls ist.
  • Bevorzugt wird das Triglycerid so gewählt, dass der Betrag der Differenz zwischen dem Brechungsindex (n) des ethylenisch ungesättigten Monomers oder Monomergemisches und dem Brechungsindex des Triglycerids (d.h. |n(Monomer) – n(Triglycerid)|) mindestens 0,01, mehr bevorzugt mindestens 0,05, am meisten bevorzugt mindestens 0,1 beträgt.
  • Die erfindungsgemäße photopolymerisierbare Zusammensetzung enthält außerdem ein Photoinitiatorsystem, das die Polymerisation des oder der ethylenisch ungesättigten Monomeren bei der Einwirkung aktinischer Strahlung aktiviert. Wesentlicher Bestandteil eines solchen Systems ist bevorzugt mindestens ein radikalbildender Polymerisationsintitiator.
  • Radikalbildende Polymerisationsintitiatoren sind bekannt, vgl. z.B. Timpe, H.J. und S. Neuenfeld, „Dyes in photoinitiator systems", Kontakte (1990), Seiten 28–35 und Jakubiak, J. und J. F. Rabek, „Photoinitiators for visible light polymisation", Polimery (Warschau) (1999), 44, Seiten 447–461.
  • Zu den geeigneten radikalbildenden Polymerisationsinitiatoren, die durch UV-Strahlung aktivierbar und im allgemeinen bei Temperaturen bis zu 185°C inaktiv sind, gehören die substituierten oder unsubstituierten mehrkernigen Chinone; dabei handelt es sich um Verbindungen mit zwei intracyclischen Kohlenstoff-Atomen in einem konjugierten carbocyclischen Ringsystem, z.B. 9,10-Anthrachinon, 1-Chloranthrachinon, 2-Chloranthrachinon, 2-Methylanthrachinon, 2-Ethylanthrachinon, 2-tert-Butylanthrachinon, Octamethylanthrachinon, 1,4-Naphthochinon, 9,10-Phenanthrenchinon, 1,2-Benzanthrachinon, 2,3-Benzanthrachinon, 2-Methyl-1,4-naphthochinon, 2,3-Dichlornaphthochinon, 1,4-Dimethylanthrachinon, 2,3-Dimethylanthrachinon, 2-Phenylanthrachinon, 2,3-Diphenylanthrachinon, Natrium-Salz von Anthrachinon-α-sulfonsäure, 3-Chlor-2-methylanthrachinon, Retenchinon, 7,8,9,10-Tetrahydronaphthacenchinon und 1,2,3,4-Tetrahydrobenz[a]anthracen-7,12-dion. Weitere Photoinitiatoren, die ebenfalls brauchbar sind, wenn auch manche bei so niedrigen Temperaturen wie 85°C thermisch aktiv sind, sind in US-Patent 2 760 663 beschrieben, und zu ihnen zählen vicinale Ketaldonylalkohole wie etwa Benzoin, Pivaloin, Acyloinether, z.B. Ben zoinmethyl- und -ethylether, α-Kohlenwasserstoff-substituierte aromatische Acyloine, darunter α-Methylbenzoin, α-Allylbenzoin und α-Phenylbenzoin.
  • Als Initiator verwendbar sind photoreduzierbare Farbstoffe und Reduktionsmittel wie etwa die in den US-Patenten 2 850 445, 2 875 047, 3 097 096, 3 074 974, 3 097 097, 3 145 104 und 3 579 339 offenbarten, sowie Farbstoffe aus der Klasse der Phenazine, Oxazine und Chinone; Michlers Keton, Benzophenon, 2,4,5-Triphenylimidazolyl-Dimere mit Wasserstoff-Donoren und deren Mischungen, wie beschrieben in den US-Patenten 3 427 161, 3 479 185, 3 549 367, 4 311 783, 4 622 286 und 3 784 557. Eine brauchbare Diskussion der farbstoffsensibilisierten Photopolymerisation findet sich in „Dye Sensitized Photopolymerization" von D. F: Eaton in Adv. in Photochemistry, Bd. 13, D.H. Volman, G.S. Hammond und K. Gollnick, Hrsg., Wiley-Interscience, New York, 1986, S. 427–487. In gleicher Weise sind auch die Cyclohexadienon-Verbindungen von US-Patent Nr. 4 341 860 als Initiatoren brauchbar. Zu den geeigneten Photoinitiatoren gehören CDM-HABI, d.h., 2-(o-Chlorphenyl)-4,5-bis(m-methoxyphenyl)-imidazol-Dimer; o-Cl-HABI, d.h., 2,2'-Bis(o-chlorphenyl)-4,4',5,5'-tetraphenyl-1,1'-biimidazol; und TCTM-HABI, d.h., 2,5-Bis(o-chlorphenyl)-4-(3,4-dimethoxyphenyl)-1H-imidazol-Dimer, die jeweils typischerweise mit einem Wasserstoff-Donor verwendet werden, z.B. 2-Mercaptobenzoxazol.
  • Ein besonders bevorzugter Photoinitiator ist 2-Benzyl-2-dimetylamino-1-(4-morpholinophenyl)butanon-1, das unter der Bezeichnung „irgacure 369" von Ciba erhältlich ist und bevorzugt in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-% eingesetzt wird.
  • Die voranstehend genannten Photoinitiatoren können alleine oder in Kombination eingesetzt werden.
  • Zusammen mit den genannten Photoinitiatoren können Sensibilisierungsmittel eingesetzt werden, wie z.B. Methylenblau, und die in den US-Patenten 3 554 753, 3 563 750, 3 563 751, 3 647 467, 3 652 275, 4 162 162, 4 268 667, 3 351 893, 4 454 218, 4 535 052 und 4 565 769 offenbarten Sensibilisierungsmittel, auf die hierin ausdrücklich Bezug genommen wird. Zu den besonders bevorzugten Sensibilisierungsmitteln gehören die folgenden: DBC, d.h., 2,5-Bis[(4-diethylamino-2-methylphenyl)methylen]cyclopentanon; DEAW, d.h., 2,5-Bis[(4-diethylaminophenyl)methylen]cyclopentanon; Dimethoxy-JDI, d.h., 2,3-Dihydro-5,6-dimethoxy-2-[(2,3,6,7-tetrahydro-1H,5H-benzo[i,j]chinolizin-9-yl)methylen]-1H-inden-1-on; und Safranin 0, d.h., 3,7-Diamino-2,8-dimethyl-5-phenyl-phenaziniumchlorid.
  • Ein besonders bevorzugter Photoinitiator umfaßt die Verbindung der folgenden Strukturformel, die unter der Bezeichnung „CGI 7460" von Ciba Specialty Chemicals Inc. erhältlich ist:
  • Figure 00140001
  • Zur Anpassung an das gewählte Verarbeitungsverfahren oder das Einsatzgebiet der photopolymerisierbaren Zusammensetzung und zur Verbesserung der Druckbarkeit, Oberflächenhaftung, Viskosität, Filmbildung, Flexibilität, Härte, Kälte-, Hitze- und Witterungsbeständigkeit kann die Zusammensetzung verschiedene an sich bekannte Additive enthalten. Diese sollen sich gut einmischen lassen und den Beugungswirkungsgrad nicht verschlechtern. Nicht flüchtige Substanzen können den Beugungswirkungsgrad bei dünnen Schichten sogar noch dauerhaft verbessern, indem insbesondere solche Additive gewählt werden, die den Brechungsindexunterschied zwischen dem ethylenisch ungesättigten Monomer und den übrigen Komponenten der photopolymerisierbaren Zusammensetzung erhöhen. Wenn die Triglyceridkomponente einen niedrigeren Brechungsindex als die Komponente des ethylenisch ungesättigten Monomers besitzt, so sollte das Additive bzw. sollten die Additive ebenfalls einen möglichst niedrigen Brechungsindex besitzen. Daher kommen in diesem Fall neben bekannten Polymeren mit einem niedrigen Brechungsindex wie Polyvinylacetat besonders fluorierte oder silanisierte Polymere in Betracht. Um gute Diffusionseigenschaften zu erreichen, sollte das Molekulargewicht der in Betracht gezogenen Additive nicht zu hoch sein.
  • Die voranstehend erwähnten und nachfolgend im Einzelnen angegebenen Additive können im Allgemeinen in einer Menge von 0,01 bis 25 Gew.-%, bevorzugt 0,01 bis 10 Gew.-%, eingesetzt werden.
  • Die photopolymerisierbaren Zusammensetzungen können einen Weichmacher enthalten, um die Modulation des Brechungsindex der mit Bild versehenen Zusammensetzung zu verstärken. Weichmacher können in Mengen eingesetzt werden, die von etwa 2 bis etwa 25 Gew.-% reichen, vorzugsweise 5 bis etwa 15 Gew.-%. Zu den geeigneten Weichmachern gehören Triethylenglycol, Triethylenglycoldiacetat, Triethylenglycoldipropionat, Triethylenglycoldicaprylat, Triethylenglycoldimethylether, Triethylenglycolbis(2-ethylhexanoat), Tetraethylenglycoldiheptanoat, Polyethylenglycol, Polyethylenglycolmethylether, Isopropylnaphthalin, Diisopropylnaphthalin, Polypropylenglycol, Glyceryltributyrat, Diethyladipat, Diethylsebacinat, Dibutylsuberinat, Tributylphosphat, Tris(2-ethylhexyl)phosphat, Brij® 30 [C12H25(OCH2CH2)4OH], Brij® 35 [C12H25(OCH2CH2)20OH], sowie n-Butylacetat.
  • Besonders bevorzugte Weichmacher sind Triethylenglycoldicaprylat, Tetraethylenglycoldiheptanoat, Diethyladipat, Brij® 30 und Tris(2-ethylhexyl)phosphat.
  • Falls gewünscht, können andere übliche Komponenten, die in Photopolymer-Systemen verwendet werden, mit den Zusammensetzungen und Elementen dieser Erfindung eingesetzt werden. Zu diesen Komponenten gehören: Optische Aufheller, ultraviolette Strahlung absorbierendes Material, thermische Stabilisatoren, Wasserstoff-Donoren, Sauerstoff-Fänger und Trennmittel. Diese Additive können auch Polymere oder Co-Polymere umfassen.
  • Zu den für das erfindungsgemäße Verfahren brauchbaren optischen Aufhellern gehören die im hierin als Zitat angeführten US-Patent 3 854 950 offenbarten. Ein bevorzugter optischer Aufheller ist 7-(4'-Chlor-6'-diethylamino-1',3',5'-triazin-4'-yl)amino-3-phenylcumarin. Auch ultraviolette Strahlung absorbierende Materialien, die für diese Erfindung brauchbar sind, sind im US-Patent 3 854 950 offenbart.
  • Zu den brauchbaren thermischen Stabilisatoren gehören: Hydrochinon, Phenidon, p-Methoxyphenol, Alkyl- und Aryl-substituierte Hydrochinone und Chinone, tert-Butylcatechin, Pyrogallol, Kupferresinat, Naphthylamine, β-Naphthol, Kupfer(I)-chlorid, 2,6-Di-tert-butyl-p-cresol, Phenothiazin, Pyridin, Nitrobenzol, Dinitrobenzol, p-Toluchinon und Chloranil. Brauchbar sind auch die in US-Patent 4 168 982 beschriebenen Dinitroso-Dimere. Normalerweise ist auch ein Inhibitor für die thermische Polymerisation vorhanden, um die Stabilität bei der Lagerung der photopolymerisierbaren Zusammensetzung zu erhöhen.
  • Zu den als Kettenübertragungsreagenzien in den Photopolymer-Zusammensetzungen brauchbaren Wasserstoff-Donorverbindungen gehören: 2-Mercaptobenzoxazol, 2-Mercaptobenzothioazol etc. sowie verschiedene Arten von Verbindungen, z.B. (a) Ether, (b) Ester, (c) Alkohole, (d) Verbindungen, die allylischen oder benzylischen Wasserstoff enthalten wie etwa Cumol, (e) Acetale, (f) Aldehyde, und (g) Amide, wie offenbart in Spalte 12, Zeilen 18 bis 58 in US-Patent 3 390 996, auf die hierin ausdrücklich Bezug genommen wird.
  • Verbindungen, die sich als Trennmittel brauchbar erwiesen haben, sind beschrieben in US-Patent 4 326 010. Ein bevorzugtes Trennmittel ist Polycaprolacton.
  • Die photopolymerisierbare Zusammensetzung kann auch einen oder mehrere polymere Binder enthalten, der bzw. die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polymethylmethacrylat und Polyethylmethacrylat, Polyvinylester, wie Polyvinylacetat, Polyvinylacetat/-acrylat, Polyvinylacetat/-methacrylat und teilweise hydrolisiertes Polyvinylacetat, Ethylen/Vinylacetat-Copolymere, Vinylchlorid/Carbonsäurester-Copolymere, Vinylchlorid/Acrylsäureester-Copolymere, Polyvinylbutyral und Polyvinylformal, Butadien und Isoprenpolymere und Copolymere und Polyethylenoxide aus Polyglycolen mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von etwa 1.000 bis 1.000.000 g/mol, Epoxide, wie Acrylat- oder Methacrylatreste enthaltende Epoxide, Polystyrole, Celluloseester, wie Celluloseacetat, Celluloseacetatsuccinat und Celluloseacetatbutyrat, Celluloseether, wie Methylcellulose und Ethylcellulose, Polykondensate, wie Polycarbonate, Polyester, Polyamide, wie N-Methoxymethylpolyhexamethylenadipamid, Polyimide, Polyurethane. Die genannten polymeren Binder können z.B. in einer Menge von 0,001 bis 10 Gew.-% eingesetzt werden.
  • Die photopolymerisierbare Zusammensetzung kann auch ein oder mehrere Netzmittel (insbesondere Fluor-Carbonpolymere, wie zum Beispiel Schwego-Fluor 8038TM, oder Fluorotenside, wie zum Beispiel 3M Fluorad FC-4430TM), Verlaufsmittel (insbesondere Glykolsäure-n-butylester oder Polyether modifizierte Polydimethylsiloxane, wie zum Beispiel ADDID 130TM), Entschäumer (insbesondere Entschäumer auf Fluorsilikonölbasis, wie zum Beispiel ADDID 763TM), Haftvermittler (insbesondere Diamino-Trimethoxy-funktionelle Silanhaftvermittler, wie zum Beispiel ADDID 900TM oder Glycidyl-Trimethoxytrifunktionelle Silanhaftvermittler, wie zum Beispiel ADDID 911TM, Vinyltriethyoxysilan oder 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan), oder Oberflächenadditive (insbesondere Polyether-modifizierte acrylfunktionelle Polydimethylsiloxane, wie zum Beispiel BYK-UV 3500TM, Polyether-modifizierte Polydimethylsiloxane, wie zum Beispiel BYK-UV 3510TM oder Polyether-modifizierte acrylfunktionelle Polydimethylsiloxane, wie zum Beispiel BYK-UV 3530TM) enthalten. Die genannten Produkte mit den Handelsnahmen „ADDID" bzw. „BYK" sind von Wacker bzw. BYK Chemie erhältlich.
  • Die photopolymerisierbare Zusammensetzung kann auch nanoskalige Teilchen wie z.B. TiO2, SiO2 oder Au enthalten, die ggf. an Monomere gekoppelt sein können (solche Materialien sind z.B. unter der Handelsbezeichnung „Nanocryl" erhältlich).
  • Die erfindungsgemäße photopolymerisierbare Zusammensetzung ist im Wesentlichen frei von organischen Lösemitteln. Bevorzugt enthält die Zusammensetzung höchstens 5 Gew.-%, mehr bevorzugt höchstens 1 Gew.-%, organischer Lösemittel.
  • Alle Mengenangaben in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen beziehen sich auf das Gewicht der jeweiligen Komponente bezogen auf das Gesamtgewicht der erfindungsgemäßen photopolymerisierbaren Zusammensetzung.
  • Mit der erfindungsgemäßen photopolymerisierbaren Zusammensetzung können optische Elemente, insbesondere solche mit Brechungsindexmodulation, hergestellt werden. Dabei handelt es sich insbesondere um Hologramme. Es können sowohl Transmissionshologramme als auch Reflexionshologramme hergestellt werden.
  • Die Herstellung der Hologramme erfolgt im allgemeinen, indem man eine eine holographische Information tragenden modulierte Strahlung auf eine Schicht der photopolymerisierbaren Zusammensetzung, die auf einem Träger-Substrat aufgebracht ist, einwirken lässt.
  • Als Träger-Substrate für die Herstellung der erfindungsgemäßen holographischen Elemente können Glas, Kunststoff, insbesondere PET oder Cellulose-Di- bzw. Triacetat, oder Papier verwendet werden. Bei der holographischen Belichtung kann sich die photopolymerisierbare Zusammensetzung z.B. zwischen zwei Glasplatten befinden.
  • Restmonomere, die nach der holographischen Belichtung noch nicht umgesetzt sind, können durch eine nachfolgende UV-Bestrahlung der Schicht als Ganzes polymerisiert werden. Die holographische Belichtung und/oder die genannte UV-Bestrahlung der Schicht als Ganzes werden wie bei anderen radikalischen Systemen bevorzugt unter Sauerstoffabschluss durchgeführt.
  • Das erfindungsgemäße optische Element kann im einfachsten Fall eine Folie sein, die unmittelbar durch die holographische Belichtung einer Schicht der erfindungsgemäßen Zusammensetzung auf einem oder zwischen zwei inerten Träger-Substraten und ggf. anschließende UV-Bestrahlung der Schicht als Ganzes erhalten wird. Ein solches Element kann z.B. als Sicherheitsmerkmal verwendet werden.
  • Das Element kann insbesondere im Kontaktkopierverfahren hergestellt werden. Dabei wird die photopolymerisierbare Zusammensetzung unmittelbar auf ein holographisches Kopiermaster mit Glasoberfläche aufgebracht. Durch die restlose Entfernung der nicht klebrigen Schicht bleibt der Reinigungsaufwand gering. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung kann auch auch das Indexmatching entfallen.
  • Die erfindungsgemäßen photopolymerisierbaren Zusammensetzungen können des Weiteren zum Abformen von Oberflächenstrukturen, insbesondere von Oberflächenhologrammen (Prägehologrammen) verwendet werden.
  • Die erfindungsgemäßen photopolymerisierbaren Zusammensetzungen können außerdem zur Herstellung von optischen Elementen mit Brechungsindexgradientenstruktur, wie z. B. photonischen Kristallen, Lichtwellenleitern, Diffusoren, winkelselektiven Diffusoren, Datenspeichern, Head-up-Displays, planaren Gradientenindexlinsen, Antireflexionsschichten oder Fabry-Perot-Filtern, verwendet werden.
  • Erfindungsgemäße Elemente ohne Gradientenstruktur können z. B. für das Rapid Prototyping, für die optische Lithographie, als Membranfilter, als Folie, als semipermeable Folie, als diffraktive optische Elemente oder als Gießmasse verwendet werden.
    •
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.
  • Allgemeine Angaben
  • Verbindungen, deren Darstellung hier nicht näher beschrieben ist, sind kommerziell erhältlich.
  • Beispiel 1
  • 1. Herstellung einer Beschichtungslösung einer erfindungsgemäßen photopolymerisierbaren Zusammensetzung
  • Es wurde eine Beschichtungslösung aus den in der folgenden Tabelle angegebenen Komponenten hergestellt.
  • Figure 00210001
  • Das Monomer „SR-349" ist ein ethoxyliertes Bisphenol-A-Diacrylat der folgenden Strukturformel:
  • Figure 00210002
  • Der Photoinitiator „CGI 7460" ist eine Verbindung der folgenden Strukturformel:
  • Figure 00210003
  • Bei dem Sensibilisierungsmittel „Safranin O" handelt es sich um die Verbindung 3,7-Diamino-2,8-dimethyl-5-phenyl-phenaziniumchlorid.
  • Bei dem Netzmittel Schwego-Fluor 8038TM handelt es sich um ein Fluor-Carbonpolymer.
  • Die Herstellung der Beschichtungslösung erfolgte wie folgt:
    Zuerst wurde das Ölgemisch abgefüllt. Anschließend wurde das Monomer zugegeben und mechanisch verrührt, bis sich eine klare Lösung gebildet hatte (ca. 1 Minute). Danach wurde die Lösung des Photoinitiators tropfenweise zugegeben und ebenfalls gut verrührt. Dann wurden noch die Lösung des Photosensibilisators und das Netzmittel eingerührt. Schließlich wurde die Beschichtungslösung noch 5–10 Minuten in einem Ofen bei 120 °C erwärmt und war danach gebrauchsfertig.
  • 2. Erzeugung eines Reflexionshologramms
  • Ein Tropfen der unter 1. beschreibenen Beschichtungslösung wurde auf einen Objektglasträger gegeben und mit einem zweiten Objektglasträger abgedeckt. Durch leichtes Andrücken und nach einer Wartezeit von einigen Minuten verteilte sich der Tropfen zwischen den Platten zu einer Schicht mit einer Dicke von etwa 15 Mikrometern.
  • Diese Probe wurde in einen Belichtungsaufbau gelegt, wo sie von beiden Seiten mit kohärentem Laserlicht belichtet wurde. In den optischen Aufbau wurde das Licht eines Neodym-YAG Lasers (Modell COMPASS der Fa. Coherent) mit der Wellenlänge von 532 nm zu einem parallelen Strahl aufgeweitet und mit Hilfe eines Strahlteilerwürfels in zwei Strahlen aufgeteilt. Über Spiegel werden die Strahlen so umgelenkt, dass ein Strahl senkrecht auf die Oberseite der Probe fiel und der zweite Strahl unter einem Winkel von 45 Grad auf die Rückseite traf. Durch die Überlagerung der beiden kohärenten Strahlen ensteht ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Linien mit einem Linienabstand von etwa 183 nm innerhalb des Materials. Die Linien bzw. Ebenen liegen schräg unter einem Winkel von etwa 14 Grad in der Aufzeichnungsschicht. Das Helligkeitsmuster führt zu einer lokal unterschiedlichen Polymerisation, so dass ein entsprechendes Muster mit unterschiedlichen Brechungsindizes entsteht.
  • Bei der Belichtung der Beispielprobe hatten die Strahlen jeweils eine Intensität von 1.3 mW/cm2. Die Belichtungszeit betrug 15 Sekunden. Danach wurde die Probe 1 Minute lang mit UV-Licht (120 mW/cm2 bei 365 nm) bestrahlt, um den Polymerisationsprozess abzuschließen.
  • 3. Messung des Beugungswirkungsgrades
  • Der Beugungswirkungsgrad berechnet sich aus dem Verhältnis der Intensität des von der Hologrammstruktur reflektierten bzw. gebeugten Laserstrahls (I1) zum durchgehenden nicht reflektierten Anteils (I0) gemäß folgender Gleichung:
  • Figure 00230001
  • Zur Messung wurde die Probe mit dem unaufgeweiteten Laserstrahl (532 nm) beleuchtet und der Einfallswinkel so gewählt, dass der reflektierte Strahl sein Intensitätsmaximum erreichte.
  • Anhand des Beugungswirkungsgrads (BWG) und der Schichtdicke d läßt sich mit Hilfe der Kogelnik-Theorie (siehe "Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings", The Bell System Technical Journal vom 23. 05. 1969) die Brechungsindexamplitude (Δn) der Gitterstruktur gemäß folgender Formel berechnen:
  • Figure 00230002
  • Dabei sind:
    • φ
    = 0.5 (αm – βm)
    γ
    = αm – φ
    αm
    = arcsin (sin (α)/n),
    βm
    = arcsin (sin (β)/n)
    α
    = Einfallswinkel des 1. Strahls
    β
    = Einfallswinkel des 2. Strahls
    n
    = Brechungsindex des Aufzeichnungsmaterials
  • Der gemessene Beugungswirkungsgrad (BWG), die Schichtdicke und die daraus resultierende Brechungsindexamplitude (Δn) sind in der Tabelle 1 zusammengefasst.
  • Tabelle 1
    Figure 00240001

Claims (15)

  1. Photopolymerisierbare Zusammensetzung umfassend: a) 75 bis 99 Gew.-% eines ethylenisch ungesättigten Monomers oder eines Monomergemisches aus verschiedenen ethylenisch ungesättigten Monomeren, b) 0,5 bis 25 Gew.-% eines Triglycerids oder eines Gemisches aus verschiedenen Triglyceriden und c) 0,1 bis 10 Gew.-% eines Photoinitiatorsystems, das die Polymerisation des oder der ethylenisch ungesättigten Monomeren bei der Einwirkung aktinischer Strahlung aktiviert, wobei die Zusammensetzung eine homogene, klare, bei 20°C flüssige Mischung ist.
  2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Triglycerid bzw. Triglyceridgemisch ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Ricinusöl, Kokosöl, Palmkernöl und Gemischen davon.
  3. Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Triglycerid das Triglycerid der Ricinolsäure ist.
  4. Zusammensetzung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das ethylenisch ungesättigte Monomer mindestens difunktionell ist.
  5. Zusammensetzung nach Anspruch 4, wobei die Zusammensetzung weniger als 10 Gew.-% monofunktioneller ethylenisch ungesättigter Monomere enthält.
  6. Zusammensetzung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das ethylenisch ungesättigte Monomer ein ethoxyliertes Bisphenol-A-Diacrylat ist.
  7. Zusammensetzung nach Anspruch 6, wobei das ethylenisch ungesättigte Monomer die Verbindung der folgenden Strukturformel ist:
    Figure 00260001
  8. Zusammensetzung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Viskosität des ethylenisch ungesättigten Monomers bzw. Monomergemisches mindestens 900 mPa·s beträgt.
  9. Zusammensetzung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Betrag der Differenz zwischen den Brechungsindizes der Komponenten (a) und (b) mindestens 0,001 beträgt.
  10. Zusammensetzung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Zusammensetzung höchstens 5 Gew.-% organischer Lösemittel enthält.
  11. Element, enthaltend eine Komponente, die erhältlich ist durch die Einwirkung von aktinischer Strahlung auf eine photopolymerisierbare Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
  12. Element nach Anspruch 11, enthaltend ein Hologramm, das erhältlich ist durch die Einwirkung einer eine holographische Information tragenden, modulierten Strahlung auf eine photopolymerisierbare Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
  13. Verfahren zur Bildung eines lichtbeständigen Hologramms in einer photopolymerisierbaren Schicht auf einer Substratoberfläche, umfassend die Einwirkung einer eine holographische Information tragenden, modulierten Strahlung auf eine Schicht einer photopolymerisierbaren Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Einwirkung der modulierten Strahlung im Kontaktkopierverfahren erfolgt.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Bildung des Hologramms durch Abformen eines Oberflächenhologramms erfolgt.
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