JP2023128803A - 組成物、遮光膜、固体撮像素子、画像表示装置、硬化膜の製造方法 - Google Patents

組成物、遮光膜、固体撮像素子、画像表示装置、硬化膜の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 遮光性に優れ、耐熱性試験の前後において反射率の変化が小さい硬化膜を作製できる組成物、遮光膜、固体撮像素子、画像表示装置、及び硬化膜の製造方法を提供する。【解決手段】 カーボンブラックと、シリカと、硫酸バリウムと、重合性化合物と、重合開始剤と、を含む、組成物。【選択図】なし

Description

本発明は、組成物、遮光膜、固体撮像素子、画像表示装置、及び硬化膜の製造方法に関する。
黒色粉末を含む組成物は、従来より種々の用途に用いられており、例えば、液晶表示装置、並びに、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサ及びCMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)イメージセンサ等の固体撮像装置に配置される遮光膜の作製に使用されている。例えば、液晶表示装置に使用されるカラーフィルタには、着色画素間の光を遮蔽してコントラストを向上させる等の目的で、ブラックマトリクスと呼ばれる遮光膜が備えられている。また、固体撮像素子では、ノイズ発生防止及び画質の向上等を目的として所定位置に遮光膜が設けられている。
例えば、特許文献1では、遮光性が良好で反射率が低いブラックマトリックス用顔料分散レジスト組成物として「カーボンブラック、沈降性硫酸バリウム、塩基性基含有顔料分散剤、顔料誘導体、アルカリ可溶性樹脂、溶剤を含むブラックマトリックス用顔料分散組成物であって、カーボンブラックと沈降性硫酸バリウムの含有比率(カーボンブラック/沈降性硫酸バリウム)が95/5~65/35であることを特徴とするブラックマトリックス用顔料分散組成物。」を開示している。
特開2019-082533号公報
本発明者らは、特許文献1に記載された組成物を用いて形成される硬化膜について検討したところ、遮光性については良好であるものの、硬化膜に対して加熱処理を施す耐熱性試験の前後において硬化膜の反射率が変化することがわかり、更なる改良が必要であった。
そこで、本発明は、遮光性に優れ、耐熱性試験の前後において反射率の変化が小さい硬化膜を作製できる組成物の提供を課題とする。
また、本発明は、遮光膜、固体撮像素子、画像表示装置、及び硬化膜の製造方法を提供も課題とする。
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、以下の構成により上記課題を解決できることを見出した。
(1) カーボンブラックと、シリカと、硫酸バリウムと、重合性化合物と、重合開始剤と、を含む、組成物。
(2) 重合性化合物が、重合性基を7個以上有する第1重合性化合物を含む、(1)に記載の組成物。
(3) 重合性化合物が、重合性基を6個以下有する第2重合性化合物を含み、
第1重合性化合物の含有量に対する第2重合性化合物の含有量の質量比が30/70~95/5である、(2)に記載の組成物。
(4) 第1重合性化合物が有する重合性基、及び、第2重合性化合物が有する重合性基が、いずれもアクリロイル基、又は、メタクリロイル基である、(3)に記載の組成物。
(5) 重合開始剤が、後述する式(1)で表される化合物を含む、(1)~(4)のいずれかに記載の組成物。
(6) 更に、金属窒化物及び金属酸窒化物からなる群から選ばれる1種以上の金属含有粒子を含む、(1)~(5)のいずれかに記載の組成物。
(7) 組成物が金属窒化物及び金属酸窒化物からなる群から選ばれる1種以上の金属含有粒子を含まない場合、カーボンブラックの含有量が、組成物の全固形分に対して、10~55質量%であり、
組成物が金属窒化物及び金属酸窒化物からなる群から選ばれる1種以上の金属含有粒子を含む場合、カーボンブラック及び金属含有粒子の合計含有量が、組成物の全固形分に対して、10~55質量%である、(1)~(5)のいずれかに記載の組成物。
(8) シリカの平均粒子径が、3~200nmである、(1)~(7)のいずれかに記載の組成物。
(9) 硫酸バリウムの平均粒子径が、3~200nmである、(1)~(8)のいずれかに記載の組成物。
(10) 更に、シリコーン系界面活性剤を含む、(1)~(9)のいずれかに記載の組成物。
(11) シリコーン系界面活性剤が、フェニル基を有する界面活性剤である、(10)に記載の組成物。
(12) 更に、銅フタロシアニン及び銅フタロシアニン誘導体からなる群から選ばれる銅フタロシアニン類を含む、(1)~(11)のいずれかに記載の組成物。
(13) 銅フタロシアニン誘導体が、スルホン酸基を有する銅フタロシアニンとジメチルジオクタデシルアンモニウムとから構成される塩である、(12)に記載の組成物。
(14) 銅フタロシアニン類の合計含有量に対する、カーボンブラックの含有量の質量比が、4.0~99である、(12)又は(13)に記載の組成物。
(15) シリカの含有量に対する、カーボンブラックの含有量の質量比が、3.0~99である、(1)~(14)のいずれかに記載の組成物。
(16) 硫酸バリウムの含有量に対する、カーボンブラックの含有量の質量比が、1.5~99である、(1)~(15)のいずれかに記載の組成物。
(17) シリカの含有量に対する、硫酸バリウムの含有量の質量比が、0.25~4.0である、(1)~(16)のいずれかに記載の組成物。
(18) 組成物の固形分の含有量が、組成物の全質量に対して、10~45質量%である、(1)~(17)のいずれかに記載の組成物。
(19) 遮光膜形成用組成物である、(1)~(18)のいずれかに記載の組成物。
(20) (1)~(19)のいずれかに記載の組成物から形成された硬化膜を含む、遮光膜。
(21) (1)~(19)のいずれかに記載の組成物から形成された硬化膜を含む、固体撮像素子。
(22) (1)~(19)のいずれかに記載の組成物から形成された硬化膜を含む、画像表示装置。
(23) 支持体上に、(1)~(19)のいずれかに記載の組成物を用いて組成物層を形成する組成物層形成工程と、
活性光線又は放射線を照射して組成物層を露光する露光工程と、
露光後の組成物層に対して現像処理を実施する現像工程と、を有する硬化膜の製造方法。
(24)更に、アルカリ可溶性樹脂を含み、
アルカリ可溶性樹脂が後述する式(A)で表される繰り返し単位、及び、後述する式(B)で表される繰り返し単位を含み、
式(A)で表される繰り返し単位の含有量が、アルカリ可溶性樹脂に含まれる全繰り返し単位に対して、30質量%以上である、(1)~(19)のいずれかに記載の組成物。
本発明によれば、遮光性に優れ、耐熱性試験の前後において反射率の変化が小さい硬化膜を作製できる組成物を提供できる。
また、本発明によれば、遮光膜、固体撮像素子、画像表示装置、及び硬化膜の製造方法も提供できる。
以下、本発明について詳細に説明する。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされる場合があるが、本発明はそのような実施態様に限定されない。
なお、本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
また、本明細書における基(原子団)の表記において、置換及び無置換を記していない表記は、置換基を含有しない基と共に置換基を含む基をも包含する。例えば、「アルキル基」とは、置換基を含有しないアルキル基(無置換アルキル基)のみならず、置換基を含むアルキル基(置換アルキル基)をも包含する。
また、本明細書中における「活性光線」又は「放射線」とは、例えば、遠紫外線、極紫外線(EUV:Extreme ultraviolet lithography)、X線、及び電子線等を意味する。また、本明細書において光とは、活性光線及び放射線を意味する。本明細書中における「露光」とは、特に断らない限り、遠紫外線、X線、及びEUV光等による露光のみならず、電子線及びイオンビーム等の粒子線による描画も包含する。
また、本明細書において、「(メタ)アクリレート」はアクリレート及びメタアクリレートを表す。また、本明細書において、「(メタ)アクリル」はアクリル及びメタアクリルを表す。また、本明細書において、「(メタ)アクリロイル」は、アクリロイル及びメタクリロイルを表す。また、本明細書において、「(メタ)アクリルアミド」は、アクリルアミド及びメタアクリルアミドを表す。また、本明細書中において、「単量体」と「モノマー」とは同義である。
本明細書において重量平均分子量(Mw)は、GPC(Gel Permeation Chromatography:ゲル浸透クロマトグラフィー)法によるポリスチレン換算値である。
本明細書においてGPC法は、HLC-8020GPC(東ソー製)を用い、カラムとしてTSKgel SuperHZM-H、TSKgel SuperHZ4000、TSKgel SuperHZ2000(東ソー製、4.6mmID×15cm)を、溶離液としてTHF(テトラヒドロフラン)を用いる方法に基づく。
本明細書において、組成物における固形分とは、組成物を用いて形成される硬化膜を構成し得る成分を意味し、組成物が溶剤を含む場合、溶剤を除いた全ての成分を意味する。また、硬化膜を形成し得る成分であれば、液体状の成分も固形分とみなす。
[組成物]
本発明の組成物は、カーボンブラックと、硫酸バリウムと、シリカと、重合性化合物と、重合開始剤と、を含む。
本発明の組成物を用いて形成される硬化膜は、遮光性に優れる(波長400~1000nmにおける最低OD値が高い)と共に、耐熱性試験の前後における反射率の変化が小さい。上記構成の組成物により、本発明の効果を有するメカニズムは必ずしも明らかではないが、本発明者らは以下のように推測している。
従来の組成物を用いて形成される硬化膜を耐熱性試験に付すと、硬化膜中のカーボンブラックによって吸収された熱エネルギーによって、カーボンブラック周辺のマトリックスが変化していると推測される。このようなマトリックスの変化によって、耐熱性試験を実施する前の膜表面の凹凸構造が損なわれ、反射率が変化すると考えられる。
上述の従来の組成物と比較し、本発明における組成物は、バインダーとして機能するシリカを含むため、得られる硬化膜が疑似架橋構造を有した強固な膜となる。そのため、上記のマトリックスの変化が抑制され、耐熱性試験の前後における硬化膜の反射率の変化が小さくなったものと推測している。
また、本発明の組成物は、主に、カーボンブラックを含むことにより、優れた遮光性も発現する。
以下、本発明の組成物を用いて形成される硬化膜の遮光性がより優れること、本発明の組成物を用いて形成される硬化膜の反射率がより低いこと、本発明の組成物の経時粘度安定性がより優れること、本発明の組成物を用いて形成される硬化膜の耐熱性試験後の反射率の変化がより小さいこと、及び、本発明の組成物を用いて形成される硬化膜の引っかき耐性がより優れること、のうち少なくとも1つの効果が得られることを、「本発明の効果がより優れる」ともいう。
以下、本発明の組成物に含まれる各成分について詳述する。
〔カーボンブラック〕
本発明の組成物は、カーボンブラックを含む。
カーボンブラックとしては、中性、酸性、及び塩基性のいずれであってもよい。
カーボンブラックの平均一次粒子径としては、10~60nmが好ましく、本発明の効果がより優れる点で、10~30nmがより好ましい。
酸性カーボンブラックとしては、pHが6.5未満のものが挙げられる。酸性カーボンブラックのpHは、2.0~6.0が好ましく、2.0~4.0がより好ましい。
酸性カーボンブラックの具体例としては、コロンビアケミカルズ社製のRaven1080(平均一次粒子径28nm、pH2.4)及びRaven1100(平均一次粒子径32nm、pH2.9);三菱ケミカル社製のMA8(平均一次粒子径24nm、pH3.0)、MA100(平均一次粒子径24nm、pH3.5)、MA7(平均一次粒子径24nm、pH3.0)、MA77(平均一次粒子径23nm、pH2.5)、MA220(平均一次粒子径55nm、pH3.0)、#2350(平均一次粒子径15nm、pH2.5、三菱ケミカル社製);オリオン・エンジニアドカーボンズ社製のスペシャルブラック250(平均一次粒子径56nm、pH3.0)、スペシャルブラック350(平均一次粒子径31nm、pH3.0)、スペシャルブラック550(平均一次粒子径25nm、pH4)、NEROX2500(平均一次粒子径56nm、pH3.0)、及びNEROX3500(平均一次粒子径31nm、pH3.0);等が挙げられる。
中性及び塩基性カーボンブラックとしては、pHが6.5以上のものが挙げられる。
中性及び塩基性カーボンブラックの具体例としては、オリオン・エンジニアドカーボンズ社製のプリンテックス25(平均一次粒子径56nm、pH9.5)、プリンテックス35(平均一次粒子径31nm、pH9.5)、プリンテックス45(平均一次粒子径26nm、pH9.5)及びプリンテックス65(平均一次粒子径21nm、pH9.5);三菱ケミカル社製の#30(平均一次粒子径30nm、pH8.0)及び#2600(平均一次粒子径13nm、pH6.5);等が挙げられる。
カーボンブラックのpHは、カタログ値であるか、又はカタログ値がない場合には下記測定方法Xにより求められる値である。
測定方法X:炭酸を除いた蒸留水(pH7.0)20mlに測定対象物であるカーボンブラック1gを添加して、得られた水溶液をマグネチックスターラーで混合して水性懸濁液を調製し、ガラス電極を使用して、得られた水性懸濁液のpHを25℃で測定し、測定された値をカーボンブラックのpHとする(ドイツ工業品標準規格 DIN ISO 787/9)。
カーボンブラックの上記平均一次粒子径は、カタログ値であるか、又はカタログ値がない場合には、電子顕微鏡観察による算術平均径の値である。
本発明の組成物中におけるカーボンブラックの含有量は特に制限されないが、本発明の組成物が後述する金属含有粒子を含まない場合、本発明の効果がより優れる点で、組成物の全固形分に対して、10~55質量%が好ましく、30~50質量%がより好ましく、40~50質量%が更に好ましい。
カーボンブラックは、1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。2種以上のカーボンブラックを併用する場合には、合計含有量が上記範囲内であるのが好ましい。
また、本発明の組成物は、後述する金属含有粒子を含んでいてもよい。
本発明の組成物が後述する金属含有粒子を含む場合、カーボンブラック及び金属含有粒子の合計含有量は特に制限されないが、組成物の全固形分に対して、10~55質量%が好ましく、30~50質量%がより好ましく、40~50質量%が更に好ましい。
〔シリカ〕
本発明の組成物は、シリカを含む。
シリカは粒状であることが好ましい。シリカの平均粒子径は特に制限されないが、3~200nmが好ましく、5~100nmがより好ましく、10~50nmが更に好ましい。上記範囲にあることで、耐熱性試験前後における硬化膜の反射率の変化をより小さくできる。
シリカの上記平均粒子径は、カタログ値であるか、又はカタログ値がない場合には、BET法にて測定された値である。
シリカの表面は、表面処理が施されていてもよい。表面処理としては、プラズマ放電処理及びコロナ放電処理のような物理的表面処理、又は、界面活性剤及びカップリング剤等による化学的表面処理が挙げられる。
シリカは、多孔質であってもよいし、中空であってもよいし、中実であってもよい。
シリカは、市販品を用いてもよく、合成品を用いてもよい。
シリカの原料の市販品としては、コロイダルシリカ(溶媒中に粒状のシリカが分散してなる分散液)、及び乾式シリカ等が挙げられる。
上記市販品としては、日産化学株式会社製「MA-ST-M」、「MA-ST-L」、「IPA-ST」、「IPA-ST-L」、「IPA-ST-ZL」、「IPA-ST-UP」、「EG-ST」、「NPC-ST-30」、「PGM-ST」、「DMAC-ST」、「MEK-ST-40」、「MEK-ST-L」、「MEK-ST-ZL」、「MEK-ST-UP」、「MIBK-ST」、「MIBK-ST-L」、「CHO-ST-M」、「EAT-ST」、「PMA-ST」、「TOL-ST」、「MEK-AC-2140Z」、「MEK-AC-4130Y」、「MEK-AC-5140Z」、「MIBK-AC-2140Z」、「MIBK-SD-L」、「PGM-AC-2140Y」、「PGM-AC-4140Y」、「MEK-EC-2130Y」、日本触媒株式会社製「シーホスター KE-E10」、「シーホスター KE-E30」、「シーホスター KE-E150」、「シーホスター KE-W10」、「シーホスター KE-W30」、「シーホスター KE-W50」、「シーホスター KE-P10」、「シーホスター KE-P30」、「シーホスター KE-P50」、「シーホスター KE-P100」、「シーホスター KE-P150」、「シーホスター KE-P250」、「シーホスター KE-S10」、「シーホスター KE-S30」、「シーホスター KE-S50」、「シーホスター KE-S100」、「シーホスター KE-S150」、「シーホスター KE-S250」、信越化学株式会社製「QSG-10」、「QSG-30」、「QSG-100」、「QSG-170」、株式会社アドマテックス社製「アドマナノ YA010C」、「YA050C」、「YA100C」、大研化学工業株式会社製「DLSB-001」、「DLSB-002」等が挙げられる。
本発明の組成物中におけるシリカの含有量は特に制限されないが、本発明の効果がより優れる点で、組成物の全固形分に対して、0.1質量%以上が好ましく、1.5質量%以上がより好ましく、3質量%以上が更に好ましい。また、その上限値としては、25質量%以下が好ましく、15質量%以下がより好ましく、10質量%以下が更に好ましい。
シリカは、1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。2種以上のシリカを併用する場合には、合計含有量が上記範囲内であるのが好ましい。
また、シリカの含有量に対する、カーボンブラックの含有量の質量比は特に制限されず、1.0~400の場合が多く、本発明の効果がより優れる点で、3.0~99が好ましく、4.0~30がより好ましい。
〔硫酸バリウム〕
本発明の組成物は、硫酸バリウムを含む。
硫酸バリウムの好適な一態様として、沈降性硫酸バリウムが挙げられる。
硫酸バリウムの平均粒子径は、本発明の効果がより優れる点で、3~200nmが好ましく、3~100nmがより好ましい。
硫酸バリウムの市販品としては、例えば、BF-20、BF-10、BF-21、BF-1、及びBF-40(いずれも、堺化学工業社製)等が挙げられる。
本発明の組成物中における硫酸バリウムの含有量は特に制限されないが、本発明の効果がより優れる点で、組成物の全固形分に対して、0.5質量%以上が好ましく、1.0質量%以上がより好ましく、2.0質量%以上が更に好ましい。また、その上限値としては、15質量%以下が好ましく、12質量%以下がより好ましく、5質量%以下が更に好ましい。
硫酸バリウムは、1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。2種以上の硫酸バリウムを併用する場合には、合計含有量が上記範囲内であるのが好ましい。
また、硫酸バリウムの含有量に対する、カーボンブラックの含有量の質量比は特に制限されないが、本発明の効果がより優れる点で、1.5~99が好ましく、3~40がより好ましい。
また、シリカの含有量に対する、硫酸バリウムの含有量の質量比は特に制限されないが、本発明の効果がより優れる点で、0.1~10が好ましく、0.25~4.0がより好ましい。
〔重合性化合物〕
本発明の組成物は、重合性化合物(重合性基を有する化合物)を含む。
本明細書において重合性化合物とは、後述する重合開始剤の作用を受けて重合する化合物を意図し、後述の樹脂及びエポキシ基を含む化合物とは異なる成分を意図する。
重合性化合物は、不飽和二重結合を有する化合物が好ましい。
不飽和二重結合を有する化合物としては、具体的には、エチレン性不飽和結合を含む基(以下、単に「エチレン性不飽和基」ともいう)を有する化合物であるのが好ましい。
重合性化合物としては、重合性基を1個以上有する化合物が好ましく、重合性基を2個以上有する化合物(いわゆる、多官能重合性化合物)がより好ましく、本発明の効果がより優れる点で、重合性基を3個以上有する化合物が更に好ましく、重合性基を4個以上有する化合物が特に好ましい。重合性化合物が有する重合性基の数の上限は特に制限されないが、25個以下が好ましく、20個以下がより好ましい。
重合性基としては、エチレン性不飽和基が好ましい。エチレン性不飽和基としては、例えば、ビニル基、(メタ)アリル基、及び(メタ)アクリロイル基等が挙げられ、(メタ)アクリロイル基が好ましい。
重合性化合物は、カルボン酸基、スルホン酸基、及びリン酸基等の酸基を有していてもよい。
中でも、重合性化合物としては、脂肪族ポリヒドロキシ化合物と不飽和カルボン酸とのエステルが好ましく、脂肪族ポリヒドロキシ化合物の未反応の水酸基に非芳香族カルボン酸無水物を反応させた重合性化合物がより好ましく、このエステルにおいて、脂肪族ポリヒドロキシ化合物がペンタエリスリトール及び/又はジペンタエリスリトールである化合物が更に好ましい。市販品としては、例えば、東亞合成社製の、アロニックスTO-2349、M-305、M-309、M-510、及びM-520等が挙げられる。
重合性化合物の酸価としては、0.1~40mgKOH/gが好ましく、5~30mgKOH/gがより好ましい。重合性化合物の酸価が0.1mgKOH/g以上であれば、現像溶解特性が良好であり、40mgKOH/g以下であれば、製造及び/又は取扱い上、有利である。更には、光重合性能が良好で、本発明の組成物の硬化性に優れる。
<第1重合性化合物>
重合性化合物は、本発明の効果がより優れる点で、重合性基を7個以上有する第1重合性化合物を含むことが好ましい。重合性化合物が第1重合性化合物を含む場合、本発明の組成物を用いて形成される硬化膜が、非常に高い架橋密度を有することになり、結果として、硬化膜のひっかき耐性を良好にできる。
第1重合性化合物は重合性基を7個以上有していればよく、本発明の効果がより優れる点で、第1重合性化合物が有する重合性基の数は7~30個が好ましく、9~20個がより好ましい。
第1重合性化合物が有する重合性基の種類は、上述した通りである。
第1重合性化合物としては、式(A-1)又は式(A-2)で表される化合物が好ましい。
式(A-1)中、Lは2価の連結基を表す。
2価の連結基の種類は特に制限されず、例えば、2価の炭化水素基(2価の飽和炭化水素基であっても、2価の芳香族炭化水素基であってもよい。2価の飽和炭化水素基は、直鎖状、分岐鎖状又は環状であってもよく、炭素数1~10が好ましく、例えば、アルキレン基が挙げられる。また、2価の芳香族炭化水素基は、炭素数5~10が好ましく、例えば、フェニレン基が挙げられる。それ以外にも、アルケニレン基、及びアルキニレン基であってもよい。)、2価の複素環基、-O-、-S-、-SO-、-NR-、-CO-(-C(=O)-)、-COO-(-C(=O)O-)、-NR-CO-、-SO-、-SONR-、及び、これらを2種以上組み合わせた基が挙げられる。ここで、Rは、水素原子又はアルキル基(好ましくは炭素数1~10)を表す。
なかでも、Lとしては、-COO-2価の炭化水素基-が好ましく、-COO-アルキレン基(好ましくは、炭素数1~3)-がより好ましい。
また、式(A-1)中、Rは水素原子又は(メタ)アクリロイル基を表す。
j及びkは、それぞれ独立に、1~4の整数を表し、jとkとの合計は3以上の整数を表す。jとkとの合計は、3~6の整数が好ましく、4がより好ましい。
また、式(A-1)中、(2+2j+2k)個のRのうち、7個以上が(メタ)アクリロイル基を表す。なかでも、式(A-1)中の全てのRが、(メタ)アクリロイル基であることが好ましい。
式(A-2)中、Rは、水素原子又は(メタ)アクリロイル基を表す。
lは3~8の整数を表す。なかでも、lは、3又は4が好ましい。
また、式(A-2)中、(2+2l)個のRのうち、7個以上が(メタ)アクリロイル基を表す。なかでも、式(A-2)中の全てのRが、(メタ)アクリロイル基であることが好ましい。
第1重合性化合物の具体例としては、CN2302、CN2304、CN8885、CN9013(サートマー社製)、TPOA-50(新中村化学社製)、及びUA-306H(共栄社化学社製)等が挙げられる。
なお、ビスコート#802は、第1重合性化合物と後述する第2重合性化合物とを含む。
<第2重合性化合物>
重合性化合物は、重合性基を6個以下有する第2重合性化合物を含んでいてもよい。重合性化合物が第2重合性化合物を含むことで、本発明の組成物を用いて形成される硬化膜の耐ひっかき性がより優れる。
重合性化合物は、第1重合性化合物と第2重合性化合物との両方を含むことが好ましい。
第2重合性化合物は重合性基を6個以下有していればよく、本発明の効果がより優れる点で、第2重合性化合物が有する重合性基の数は1~6個が好ましく、3~6個がより好ましい。
第2重合性化合物が有する重合性基の種類は、上述した通りである。
第2重合性化合物の好適態様の一つとして、カプロラクトン構造を含む化合物が挙げられる。
カプロラクトン構造を含む化合物としては、分子内にカプロラクトン構造を含み、例えば、トリメチロールエタン、ジトリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、ジトリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール、トリペンタエリスリトール、グリセリン、ジグリセロール、及びトリメチロールメラミン等の多価アルコールと、(メタ)アクリル酸又はε-カプロラクトンとをエステル化して得られる、ε-カプロラクトン変性多官能(メタ)アクリレートが挙げられる。
なかでも下記式(Z-1)で表されるカプロラクトン構造を含む化合物が好ましい。
式(Z-1)中、6個のRは全てが下記式(Z-2)で表される基であるか、又は6個のRのうち1~5個が下記式(Z-2)で表される基であり、残余が下記式(Z-3)で表される基である。
式(Z-2)中、Rは水素原子又はメチル基を示し、mは1又は2の数を示し、「*」は結合位置を示す。
式(Z-3)中、Rは水素原子又はメチル基を示し、「*」は結合位置を示す。
市販品としては、例えば、日本化薬からKAYARAD DPCAシリーズとして市販されており、DPCA-20(上記式(Z-1)~(Z-3)においてm=1、式(Z-2)で表される基の数=2、Rが全て水素原子である化合物)、DPCA-30(同式、m=1、式(Z-2)で表される基の数=3、Rが全て水素原子である化合物)、DPCA-60(同式、m=1、式(Z-2)で表される基の数=6、Rが全て水素原子である化合物)、及びDPCA-120(同式においてm=2、式(Z-2)で表される基の数=6、Rが全て水素原子である化合物)等が挙げられる。
第2重合性化合物の好適態様の一つとしては、下記式(Z-4)又は式(Z-5)で表される化合物も挙げられる。
式(Z-4)及び式(Z-5)中、Eは、それぞれ独立に、-((CHCHO)-、又は((CHCH(CH)O)-を表し、yは、それぞれ独立に0~10の整数を表し、Xは、それぞれ独立に、(メタ)アクリロイル基、水素原子、又はカルボン酸基を表す。
式(Z-4)中、(メタ)アクリロイル基の合計は3個又は4個であり、mはそれぞれ独立に0~10の整数を表し、各mの合計は0~40の整数である。
式(Z-5)中、(メタ)アクリロイル基の合計は5個又は6個であり、nはそれぞれ独立に0~10の整数を表し、各nの合計は0~60の整数である。
式(Z-4)中、mは、0~6の整数が好ましく、0~4の整数がより好ましい。
また、各mの合計は、2~40の整数が好ましく、2~16の整数がより好ましく、4~8の整数が更に好ましい。
式(Z-5)中、nは、0~6の整数が好ましく、0~4の整数がより好ましい。
また、各nの合計は、3~60の整数が好ましく、3~24の整数がより好ましく、6~12の整数が更に好ましい。
また、式(Z-4)又は式(Z-5)中の-((CHCHO)-又は((CHCH(CH)O)-は、酸素原子側の末端がXに結合する形態が好ましい。
式(Z-4)又は式(Z-5)で表される化合物は1種単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。特に、式(Z-5)において、6個のX全てがアクリロイル基である化合物と、6個のXのうち、少なくとも1個が水素原子ある化合物との混合物である態様が好ましい。このような構成として、現像性をより向上できる。
式(Z-4)又は式(Z-5)で表される化合物のなかでも、ペンタエリスリトール誘導体及び/又はジペンタエリスリトール誘導体がより好ましい。
第2重合性化合物としては、例えば、ジペンタエリスリトールトリアクリレート(市販品としてはKAYARAD D-330;日本化薬社製)、ジペンタエリスリトールテトラアクリレート(市販品としてはKAYARAD D-320;日本化薬社製)、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート(市販品としてはKAYARAD D-310;日本化薬社製)、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート(市販品としてはKAYARAD DPHA;日本化薬社製、A-DPH-12E;新中村化学社製)、及びこれらの(メタ)アクリロイル基がエチレングリコール残基又はプロピレングリコール残基を介している構造(例えば、サートマー社から市販されている、SR454、SR499)が挙げられる。これらのオリゴマータイプも使用できる。
また、NKエステルA-TMMT(ペンタエリスリトールテトラアクリレート、新中村化学社製)、KAYARAD RP-1040、KAYARAD DPEA-12LT、KAYARAD DPHA LT、KAYARAD RP-3060、及びKAYARAD DPEA-12(日本化薬社製)等も挙げられる。
本発明の組成物中における重合性化合物の含有量は特に制限されないが、本発明の効果がより優れる点で、組成物の全固形分に対して、5~35質量%が好ましく、10~30質量%がより好ましく、15~25質量%が更に好ましい。
重合性化合物は、1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。2種以上の重合性化合物を併用する場合には、合計含有量が上記範囲内であるのが好ましい。
本発明の組成物が第1重合性化合物、及び、第2重合性化合物を含む場合、組成物中、第1重合性化合物の含有量に対する第2重合性化合物の含有量の質量比(第2重合性化合物/第1重合性化合物)は、本発明の効果がより優れる点で、1/99~99/1が好ましく、30/70~95/5がより好ましく、30/70~90/10が更に好ましい。
〔重合開始剤〕
本発明の組成物は、重合開始剤を含む。
重合開始剤は特に制限されず、公知の重合開始剤を使用できる。重合開始剤としては、例えば、光重合開始剤及び熱重合開始剤等が挙げられ、光重合開始剤が好ましい。なお、重合開始剤としては、いわゆるラジカル重合開始剤が好ましい。
熱重合開始剤としては、例えば、2,2’-アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)、3-カルボキシプロピオニトリル、アゾビスマレノニトリル、及びジメチル-(2,2’)-アゾビス(2-メチルプロピオネート)[V-601]等のアゾ化合物、並びに、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、及び過硫酸カリウム等の有機過酸化物が挙げられる。
重合開始剤の具体例としては、例えば、加藤清視著「紫外線硬化システム」(株式会社総合技術センター発行:平成元年)の第65~148頁に記載されている重合開始剤等を挙げられる。
光重合開始剤としては、重合性化合物の重合を開始できれば特に制限されず、公知の光重合開始剤を使用できる。光重合開始剤としては、例えば、紫外線領域から可視光領域に対して感光性を有する光重合開始剤が好ましい。また、光励起された増感剤と何らかの作用を生じ、活性ラジカルを生成する活性剤であってもよく、重合性化合物の種類に応じてカチオン重合を開始させるような開始剤であってもよい。
光重合開始剤としては、例えば、ハロゲン化炭化水素誘導体(例えば、トリアジン骨格を含む化合物、オキサジアゾール骨格を含む化合物、等)、アシルホスフィンオキサイド等のアシルホスフィン化合物、ヘキサアリールビイミダゾール、オキシム誘導体等のオキシム化合物、有機過酸化物、チオ化合物、ケトン化合物、芳香族オニウム塩、アミノアセトフェノン化合物、及びヒドロキシアセトフェノン等が挙げられる。
光重合開始剤の具体例としては、例えば、特開2013-029760号公報の段落0265~0268を参酌でき、この内容は本明細書に組み込まれる。
光重合開始剤としては、例えば、特開平10-291969号公報に記載のアミノアセトフェノン系開始剤、及び特許第4225898号公報に記載のアシルホスフィン系開始剤が挙げられる。
ヒドロキシアセトフェノン化合物としては、例えば、Omnirad-184、Omnirad-1173、Omnirad-500、Omnirad-2959、及びOmnirad-127(商品名:いずれもIGM RESINS B.V.製)が挙げられる。
アミノアセトフェノン化合物としては、例えば、市販品であるOmnirad-907、Omnirad-369、又はOmnirad-379EG(商品名:いずれもIGM RESINS B.V.製)が挙げられる。アミノアセトフェノン化合物としては、波長365nm又は波長405nm等の長波光源に吸収波長がマッチングされた特開2009-191179公報に記載の化合物も挙げられる。
アシルホスフィン化合物としては、市販品であるOmnirad-819、又はOmnirad-TPO(商品名:いずれもIGM RESINS B.V.製)が挙げられる。
(オキシム化合物)
光重合開始剤として、オキシムエステル系重合開始剤(オキシム化合物)が好ましい。特にオキシム化合物は高感度で重合効率が高く、組成物中における遮光顔料の含有量を高く設計しやすいため好ましい。
オキシム化合物としては、例えば、特開2001-233842号公報に記載の化合物、特開2000-080068号公報に記載の化合物、又は特開2006-342166号公報に記載の化合物が挙げられる。
オキシム化合物としては、例えば、3-ベンゾイロキシイミノブタン-2-オン、3-アセトキシイミノブタン-2-オン、3-プロピオニルオキシイミノブタン-2-オン、2-アセトキシイミノペンタン-3-オン、2-アセトキシイミノ-1-フェニルプロパン-1-オン、2-ベンゾイロキシイミノ-1-フェニルプロパン-1-オン、3-(4-トルエンスルホニルオキシ)イミノブタン-2-オン、及び2-エトキシカルボニルオキシイミノ-1-フェニルプロパン-1-オン等が挙げられる。
また、J.C.S.Perkin II(1979年)pp.1653-1660、J.C.S.Perkin II(1979年)pp.156-162、Journal of Photopolymer Science and Technology(1995年)pp.202-232、特開2000-066385号公報に記載の化合物、特開2000-080068号公報、特表2004-534797号公報、及び特開2006-342166号公報の各公報に記載の化合物等も挙げられる。
市販品ではIRGACURE-OXE01(BASF社製)、IRGACURE-OXE02(BASF社製)、IRGACURE-OXE03(BASF社製)、及びIRGACURE-OXE04(BASF社製)も挙げられる。また、TR-PBG-304(常州強力電子新材料有限公司製)、アデカアークルズNCI-730、アデカアークルズNCI-831、アデカアークルズNCI-930(ADEKA社製)、及びN-1919(カルバゾール・オキシムエステル骨格含有光開始剤(ADEKA社製))も挙げられる。また、Omnirad1316(IGM社)も挙げられる。
また上記以外のオキシム化合物としては、カルバゾールN位にオキシムが連結した特表2009-519904号公報に記載の化合物;ベンゾフェノン部位にヘテロ置換基が導入された米国特許第7626957号公報に記載の化合物;色素部位にニトロ基が導入された特開2010-015025号公報及び米国特許公開2009-292039号記載の化合物;国際公開第2009-131189号公報に記載のケトオキシム化合物;及びトリアジン骨格とオキシム骨格を同一分子内に含む米国特許7556910号公報に記載の化合物;405nmに吸収極大を有しg線光源に対して良好な感度を有する特開2009-221114号公報記載の化合物;等が挙げられる。
例えば、特開2013-029760号公報の段落0274~0275を参酌でき、この内容は本明細書に組み込まれる。
具体的には、オキシム化合物としては、下記式(OX-1)で表される化合物が好ましい。なお、オキシム化合物のN-O結合が(E)体のオキシム化合物であっても、(Z)体のオキシム化合物であっても、(E)体と(Z)体との混合物であってもよい。
式(OX-1)中、R及びBはそれぞれ独立に1価の置換基を表し、Aは2価の有機基を表し、Arはアリール基を表す。
式(OX-1)中、Rで表される1価の置換基としては、1価の非金属原子団が好ましい。
1価の非金属原子団としては、アルキル基、アリール基、アシル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、複素環基、アルキルチオカルボニル基、及びアリールチオカルボニル基等が挙げられる。また、これらの基は、1以上の置換基を有していてもよい。また、前述した置換基は、更に他の置換基で置換されていてもよい。
置換基としては、ハロゲン原子、アリールオキシ基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、アシルオキシ基、アシル基、アルキル基、及びアリール基等が挙げられる。
式(OX-1)中、Bで表される1価の置換基としては、アリール基、複素環基、アリールカルボニル基、又は複素環カルボニル基が好ましく、アリール基、又は複素環基がより好ましい。これらの基は1以上の置換基を有していてもよい。置換基としては、前述した置換基が例示できる。
式(OX-1)中、Aで表される2価の有機基としては、炭素数1~12のアルキレン基、シクロアルキレン基、又はアルキニレン基が好ましい。これらの基は1以上の置換基を有していてもよい。置換基としては、前述した置換基が例示できる。
光重合開始剤としては、フッ素原子を含むオキシム化合物も挙げられる。フッ素原子を含むオキシム化合物としては、例えば、特開2010-262028号公報に記載の化合物;特表2014-500852号公報に記載の化合物24、36~40;及び特開2013-164471号公報記載の化合物(C-3);等が挙げられる。この内容は本明細書に組み込まれる。
重合開始剤として、下記式(1)~(4)で表される化合物も挙げられる。
式(1)において、R及びRは、それぞれ独立に、炭素数1~20のアルキル基、炭素数4~20の脂環式炭化水素基、炭素数6~30のアリール基、又は炭素数7~30のアリールアルキル基を表し、R及びRがフェニル基の場合、フェニル基同士が結合してフルオレン基を形成してもよく、R及びRは、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1~20のアルキル基、炭素数6~30のアリール基、炭素数7~30のアリールアルキル基又は炭素数4~20の複素環基を表し、Xは、直接結合又はカルボニル基を示す。
式(2)において、R、R、R、及びRは、式(1)におけるR、R、R、及びRと同義であり、Rは、-R、-OR、-SR、-COR、-CONR、-NRCOR、-OCOR、-COOR、-SCOR、-OCSR、-COSR、-CSOR、-CN、ハロゲン原子、又は水酸基を表し、Rは、炭素数1~20のアルキル基、炭素数6~30のアリール基、炭素数7~30のアリールアルキル基、又は炭素数4~20の複素環基を表し、Xは、直接結合又はカルボニル基を表し、aは0~4の整数を表す。
式(3)において、Rは、炭素数1~20のアルキル基、炭素数4~20の脂環式炭化水素基、炭素数6~30のアリール基、又は炭素数7~30のアリールアルキル基を表し、R及びRは、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1~20のアルキル基、炭素数6~30のアリール基、炭素数7~30のアリールアルキル基、又は炭素数4~20の複素環基を表し、Xは、直接結合又はカルボニル基を示す。
式(4)において、R、R、及びRは、式(3)におけるR、R、及びRと同義であり、Rは、-R、-OR、-SR、-COR、-CONR、-NRCOR、-OCOR、-COOR、-SCOR、-OCSR、-COSR、-CSOR、-CN、ハロゲン原子、又は水酸基を表し、Rは、炭素数1~20のアルキル基、炭素数6~30のアリール基、炭素数7~30のアリールアルキル基、又は炭素数4~20の複素環基を表し、Xは、直接結合又はカルボニル基を表し、aは0~4の整数を表す。
式(1)及び式(2)で表される化合物としては、例えば、特開2014-137466号公報の段落0076~0079に記載された化合物が挙げられる。この内容は本明細書に組み込まれる。
また、重合開始剤としては、下記式(1)で表される化合物も好ましい。
式(1)中、Rは、以下の式(1a)で表される基を表す。
式(1a)中、nは、1~5の整数を表す。mは、1~6の整数を表す。*は、結合位置を表す。
mとしては、3又は4が好ましい。
式(1)で表される化合物は、例えば、特開2012-519191号公報に記載の合成方法に準じて合成できる。
上記組成物に好ましく使用されるオキシム化合物の具体例を以下に示す。
また、オキシム化合物としては、国際公開第2015-036910号のTable1に記載の化合物も挙げられ、上記の内容は本明細書に組み込まれる。
オキシム化合物は、350~500nmの波長領域に極大吸収波長を有するのが好ましく、360~480nmの波長領域に極大吸収波長を有するのがより好ましく、365nm及び405nmの波長の吸光度が高いのが更に好ましい。
オキシム化合物の365nm又は405nmにおけるモル吸光係数は、感度の観点から、1,000~300,000が好ましく、2,000~300,000がより好ましく、5,000~200,000が更に好ましい。
化合物のモル吸光係数は、公知の方法を使用でき、例えば、紫外可視分光光度計(Varian社製Cary-5 spctrophotometer)にて、酢酸エチルを用い、0.01g/Lの濃度で測定するのが好ましい。
光重合開始剤は、必要に応じて2種以上を組み合わせて使用してもよい。
また、光重合開始剤としては、特開2008-260927号公報の段落0052、特開2010-097210号公報の段落0033~0037、特開2015-068893号公報の段落0044に記載の化合物も使用でき、上記の内容は本明細書に組み込まれる。
重合開始剤としては、本発明の効果がより優れる点で、オキシムエステル系重合開始剤が好ましく、上述の式(1)で表される化合物がより好ましい。
本発明の組成物中における重合開始剤の含有量は特に制限されないが、本発明の効果がより優れる点で、組成物の全固形分に対して、0.5~20質量%が好ましく、1.0~10質量%がより好ましく、1.5~8質量%が更に好ましい。
重合開始剤は、1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。2種以上の重合開始剤を併用する場合には、合計含有量が上記範囲内であるのが好ましい。
本発明の組成物は、上述した成分(カーボンブラック、シリカ、硫酸バリウム、重合性化合物、及び重合開始剤)以外の他の成分を含んでいてもよい。
以下、他の成分について詳述する。
〔金属窒化物及び金属酸窒化物からなる群から選ばれる1種以上の金属含有粒子〕
本発明の組成物は、金属窒化物及び金属酸窒化物からなる群から選ばれる1種以上の金属含有粒子を含んでいてもよい。
金属窒化物及び金属酸窒化物に含まれる金属元素としては、チタン(Ti)及びジルコニウム(Zr)等の第4族の金属元素、バナジウム(V)及びニオブ(Nb)等の第5族の金属元素、コバルト(Co)、クロム(Cr)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、ルテニウム(Ru)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、錫(Sn)、並びに、銀(Ag)が挙げられる。
上記金属含有粒子としては、第4族の金属元素の窒化物若しくは酸窒化物、又は第5族の金属元素の窒化物若しくは酸窒化物が好ましい。更には、チタンの窒化物若しくは酸窒化物、ジルコニウムの窒化物若しくは酸窒化物、バナジウムの窒化物若しくは酸窒化物、又はニオブの窒化物若しくは酸窒化物がより好ましい。
なお、チタンの窒化物とは窒化チタンであり、ジルコニウムの窒化物とは窒化ジルコニウムであり、バナジウムの窒化物とは窒化バナジウムであり、ニオブの窒化物とは窒化ニオブである。また、チタンの酸窒化物とは酸窒化チタンであり、ジルコニウムの酸窒化物とは酸窒化ジルコニウムであり、バナジウムの酸窒化物とは酸窒化バナジウムであり、ニオブの酸窒化物とは酸窒化ニオブである。
金属含有粒子の平均一次粒子径は、0.01~0.1μmが好ましく、0.01~0.05μmがより好ましい。
金属含有粒子の市販品としては、例えば、13M、13M-C、13M-T、12S、UF-8(三菱マテリアル社製)、窒化チタン粒子(Hefei Kai‘er社製)、窒化チタン粒子(日清エンジニアリング社製)、酸窒化ジルコニウム粒子(三菱マテリアル社製)、NITRBLACK UB-1、UB-2(三菱マテリアル社製)が挙げられる。
〔銅フタロシアニン及び銅フタロシアニン誘導体(銅フタロシアニン類)〕
本発明の組成物は、銅フタロシアニン類を含むのが好ましい。
銅フタロシアニンとは、フタロシアニンの銅錯体を意図する。銅フタロシアニン誘導体とは、置換基を有するフタロシアニンの銅錯体(置換基が酸基及び塩基性基等の極性基を含む場合には塩構造となっていてもよい。)を意図し、例えば、酸基及び塩基性基等の極性基を含む置換基を有するフタロシアニンの銅錯体及びその塩等が挙げられる。
酸基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、及びリン酸基等が挙げられ、本発明の効果がより優れる点で、スルホン酸基が好ましい。
塩基性基としては、例えば、第1級アミノ基、第2級アミノ基、第3級アミノ基、N原子を含むヘテロ環、及びアミド基等が挙げられる。
塩としては特に制限されず、例えば、ハロゲン化物塩、アルカリ金属塩、及び4級アンモニウム塩等が挙げられる。
ハロゲン化物塩を構成するハロゲン化物イオンとしては、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、及びヨウ化物イオン等が挙げられる。
アルカリ金属塩を構成するアルカリ金属イオンとしては、リチウムイオン、ナトリウムイオン、及びカリウムイオン等が挙げられる。
4級アンモニウム塩を構成する4級アンモニウムイオンとしては、例えば、下記式(NA)で表される4級アンモニウムイオン等が挙げられる。
式(NA): N(R)(R)(R)(R
~Rは、それぞれ独立に、水素原子、又は置換基を有していてもよい、アルキル基、アルケニル基、若しくはアルキニル基を表す。R~Rとしては、なかでも、置換基を有していてもよいアルキル基が好ましい。なお、置換基は特に制限されず、水酸基等が挙げられる。
アルキル基、アルケニル基、及びアルキニル基は、直鎖状又は分岐鎖状であるのが好ましい。
アルキル基の炭素数は、1~30が好ましく、1~25がより好ましい。
アルケニル基及びアルキニル基の炭素数は、2~30が好ましく、2~25がより好ましい。
式(NA)で表される4級アンモニウムイオンの好適な一態様としては、R及びRが長鎖(例えば、R及びRの炭素数が、それぞれ独立に、12~30が好ましく、12~25がより好ましい。)であり、R及びRが短鎖(例えば、R及びRの炭素数が、それぞれ独立に、1~10が好ましく、1~6がより好ましく、メチル基が更に好ましい。)である態様が挙げられる。
本発明の効果がより優れる点で、式(NA)で表される4級アンモニウムイオンとしては、ジメチルジオクタデシルアンモニウムが好ましい。
銅フタロシアニン類としては、本発明の効果がより優れる点で、スルホン酸基を含む置換基を有するフタロシアニンの銅錯体又はその塩が好ましく、スルホン酸基を含む置換基を有するフタロシアニンの銅錯体の4級アンモニウム塩がより好ましく、スルホン酸基を含む置換基を有するフタロシアニンの銅錯体とジメチルジオクタデシルアンモニウムとから構成される塩が更に好ましい。
なお、スルホン酸基を含む置換基とは、スルホン酸基であってもよいし、*-L-スルホン酸基(Lは、2価の連結基を表し、*は、結合位置を表す。)で表される基であってもよい。Lで表される2価の連結基としては特に制限されず、例えば、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、-O-、-S-、-NR-、-CO-、及びこれらを組み合わせた基が挙げられる。Rは、水素原子又は炭素数1~6のアルキル基を表す。上記アルキレン基、上記アルケニレン基、及び上記アルキニレン基は、更に置換基を有していてもよい。
銅フタロシアニン類としては、C.I.ピグメントブルー15:3等が挙げられる。
また、銅フタロシアニン類の市販品としては、例えば、「SOLSPERSE」シリーズの「5000」(日本ルブリゾール社製)、及びSigma-Aldrich社から販売されている銅フタロシアニン-3,4’,4’’,4’’’-テトラスルホン酸四ナトリウム塩等が挙げられる。
本発明の組成物が銅フタロシアニン類を含む場合、本発明の組成物中における銅フタロシアニン類の含有量は特に制限されないが、本発明の効果がより優れる点で、組成物の全固形分に対して、0.5質量%以上が好ましく、1.0質量%以上がより好ましい。また、その上限値としては、10.0質量%以下が好ましく、8.0質量%以下がより好ましく、6.0質量%以下が更に好ましい。
銅フタロシアニン類は、1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。2種以上の銅フタロシアニン類を併用する場合には、合計含有量が上記範囲内であるのが好ましい。
銅フタロシアニン類の含有量に対する、カーボンブラックの含有量の質量比(カーボンブラック/銅フタロシアニン類)は特に制限されないが、本発明の効果がより優れる点で、4.0~99が好ましく、10~40がより好ましい。
〔界面活性剤〕
本発明の組成物は、界面活性剤を含んでいてもよい。界面活性剤は、組成物の塗布性向上に寄与する。
界面活性剤としては、例えば、シリコーン系界面活性剤、フッ素系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、及びアニオン系界面活性剤等が挙げられる。
なかでも、本発明の効果がより優れる点で、シリコーン系界面活性剤が好ましい。
シリコーン系界面活性剤としては、例えば、シロキサン結合からなる直鎖状ポリマー、並びに、側鎖及び/又は末端に有機基を導入した変性シロキサンポリマー等が挙げられる。
シリコーン系界面活性剤としては、例えば、DOWSIL(登録商標)シリーズのDC3PA、SH7PA、DC11PA、SH21PA、SH28PA、SH29PA、SH30PA、及びSH8400(以上、東レ・ダウコーニング社製);X-22-4952、X-22-4272、X-22-6266、KF-351A、K354L、KF-355A、KF-945、KF-640、KF-642、KF-643、X-22-6191、X-22-4515、KF-6000、KF-6004、KP-323、KP-341、KF-6001、及び、KF-6002(以上、信越シリコーン社製);F-4440、TSF-4300、TSF-4445、TSF-4460、及び、TSF-4452(以上、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製);BYK307、BYK323、及び、BYK330(以上、ビックケミー社製)が挙げられる。
シリコーン系界面活性剤の好適な一態様としては、本発明の効果がより優れる点で、芳香族基変性型シリコーン系界面活性剤(芳香族基を有するシリコーン系界面活性剤)が好ましく、フェニル変性型シリコーン系界面活性剤(フェニル基を有するシリコーン系界面活性剤)がより好ましい。
フッ素系界面活性剤としては、例えば、メガファックF171、同F172、同F173、同F176、同F177、同F141、同F142、同F143、同F144、同R30、同F437、同F475、同F479、同F482、同F554、及び、同F780(以上、DIC(株)製);フロラードFC430、同FC431、及び、同FC171(以上、住友スリーエム(株)製);サーフロンS-382、同SC-101、同SC-103、同SC-104、同SC-105、同SC1068、同SC-381、同SC-383、同S393、及び、同KH-40(以上、旭硝子(株)製);並びに、PF636、PF656、PF6320、PF6520、及び、PF7002(OMNOVA社製)等が挙げられる。
フッ素系界面活性剤としてブロックポリマーも使用でき、例えば、特開第2011-089090号公報に記載された化合物が挙げられる。
本発明の組成物が界面活性剤を含む場合、本発明の組成物中における界面活性剤の含有量は特に制限されないが、本発明の効果がより優れる点で、組成物の全固形分に対して、0.001~2.0質量%が好ましく、0.005~0.5質量%がより好ましく、0.01~0.1質量%が更に好ましい。
界面活性剤は、1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。界面活性剤を2種以上併用する場合は、合計量が上記範囲内であるのが好ましい。
〔樹脂〕
本発明の組成物は樹脂を含んでいてもよい。
樹脂としては、例えば、分散剤及びアルカリ可溶性樹脂等が挙げられる。
樹脂の分子量は2000超である。なお、樹脂の分子量が多分散である場合、重量平均分子量が2000超である。
<分散剤>
組成物は分散剤を含むのが好ましい。なお、本明細書において、分散剤とは、後述するアルカリ可溶性樹脂とは異なる化合物を意図する。
組成物中における分散剤の含有量は特に制限されないが、組成物の全固形分に対して、2~40質量%が好ましく、5~30質量%がより好ましく、10~25質量%が更に好ましい。
分散剤は、1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。2種以上の分散剤を併用する場合には、合計含有量が上記範囲内であるのが好ましい。
分散剤としては、例えば、公知の分散剤を適宜選択して使用できる。なかでも、高分子化合物が好ましい。
分散剤としては、高分子分散剤〔例えば、ポリアミドアミンとその塩、ポリカルボン酸とその塩、高分子量不飽和酸エステル、変性ポリウレタン、変性ポリエステル、変性ポリ(メタ)アクリレート、(メタ)アクリル系共重合体、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物〕、ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルアミン、及び顔料誘導体等が挙げられる。
高分子化合物は、その構造から更に直鎖状高分子、末端変性型高分子、グラフト型高分子、及びブロック型高分子に分類できる。
・高分子化合物
高分子化合物は、カーボンブラック及び所望により併用するその他の顔料(以下、カーボンブラック及びその他の顔料を総称して、単に「顔料」ともいう)等の被分散体の表面に吸着し、被分散体の再凝集を防止するように作用する。そのため、顔料表面へのアンカー部位を含む、末端変性型高分子、グラフト型(高分子鎖を含む)高分子、又はブロック型高分子が好ましい。
上記高分子化合物は硬化性基を含んでいてもよい。
硬化性基としては、例えば、エチレン性不飽和基(例えば、(メタ)アクリロイル基、ビニル基、及びスチリル基等)、及び環状エーテル基(例えば、エポキシ基及びオキセタニル基等)等が挙げられる。
なかでも、ラジカル反応で重合制御が可能な点で、硬化性基としては、エチレン性不飽和基が好ましい。エチレン性不飽和基としては、(メタ)アクリロイル基が好ましい。
硬化性基を含む高分子化合物は、ポリエステル構造及びポリエーテル構造からなる群から選ばれる1種以上を含むのが好ましい。この場合、主鎖にポリエステル構造及び/又はポリエーテル構造を含んでいてもよいし、後述するように、上記高分子化合物がグラフト鎖を含む構造単位を含む場合には、上記グラフト鎖がポリエステル構造及び/又はポリエーテル構造を含んでいてもよい。
上記高分子化合物としては、上記グラフト鎖がポリエステル構造を含むのがより好ましい。
高分子化合物は、グラフト鎖を含む構造単位を含むのが好ましい。なお、本明細書において、「構造単位」とは「繰り返し単位」と同義である。
このようなグラフト鎖を含む構造単位を含む高分子化合物は、グラフト鎖によって溶剤との親和性を有するために、顔料等の分散性、及び経時後の分散安定性に優れる。また、グラフト鎖の存在により、グラフト鎖を含む構造単位を含む高分子化合物は重合性化合物又はその他の併用可能な樹脂等との親和性を有する。結果として、アルカリ現像で残渣を生じにくくなる。
グラフト鎖が長くなると立体反発効果が高くなり顔料等の分散性は向上する。一方、グラフト鎖が長すぎると顔料等への吸着力が低下して、顔料等の分散性は低下する傾向となる。このため、グラフト鎖中の水素原子を除いた原子数は、40~10000が好ましく、50~2000がより好ましく、60~500が更に好ましい。
ここで、グラフト鎖とは、共重合体の主鎖の根元(主鎖から枝分かれしている基において主鎖に結合する原子)から、主鎖から枝分かれしている基の末端までを示す。
グラフト鎖は、ポリマー構造を含むのが好ましく、このようなポリマー構造としては、例えば、ポリ(メタ)アクリレート構造(例えば、ポリ(メタ)アクリル構造)、ポリエステル構造、ポリウレタン構造、ポリウレア構造、ポリアミド構造、及びポリエーテル構造等が挙げられる。
グラフト鎖と溶剤との相互作用性を向上させ、それにより顔料等の分散性を高めるために、グラフト鎖は、ポリエステル構造、ポリエーテル構造、及びポリ(メタ)アクリレート構造からなる群から選ばれる1種以上を含むグラフト鎖であるのが好ましく、ポリエステル構造及びポリエーテル構造の少なくともいずれかを含むグラフト鎖であるのがより好ましい。
このようなグラフト鎖を含むマクロモノマー(ポリマー構造を有し、共重合体の主鎖に結合してグラフト鎖を構成するモノマー)としては、特に限定されないが、反応性二重結合性基を含むマクロモノマーを好適に使用できる。
高分子化合物が含むグラフト鎖を含む構造単位に対応し、高分子化合物の合成に好適に用いられる市販のマクロモノマーとしては、AA-6(商品名、東亞合成社製)、AA-10(商品名、東亞合成社製)、AB-6(商品名、東亞合成社製)、AS-6(商品名、東亞合成社製)、AN-6(商品名、東亞合成社製)、AW-6(商品名、東亞合成社製)、AA-714(商品名、東亞合成社製)、AY-707(商品名、東亞合成社製)、AY-714(商品名、東亞合成社製)、AK-5(商品名、東亞合成社製)、AK-30(商品名、東亞合成社製)、AK-32(商品名、東亞合成社製)、ブレンマーPP-100(商品名、日油社製)、ブレンマーPP-500(商品名、日油社製)、ブレンマーPP-800(商品名、日油社製)、ブレンマーPP-1000(商品名、日油社製)、ブレンマー55-PET-800(商品名、日油社製)、ブレンマーPME-4000(商品名、日油社製)、ブレンマーPSE-400(商品名、日油社製)、ブレンマーPSE-1300(商品名、日油社製)、又はブレンマー43PAPE-600B(商品名、日油社製)等が用いられる。このなかでも、AA-6(商品名、東亞合成社製)、AA-10(商品名、東亞合成社製)、AB-6(商品名、東亞合成社製)、AS-6(商品名、東亞合成社製)、AN-6(商品名、東亞合成社製)、又はブレンマーPME-4000(商品名、日油社製)が好ましい。
上記分散剤は、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル、及び環状又は鎖状のポリエステルからなる群から選ばれる1種以上の構造を含むのが好ましく、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル、及び鎖状のポリエステルからなる群から選ばれる1種以上の構造を含むのがより好ましく、ポリアクリル酸メチル構造、ポリメタクリル酸メチル構造、ポリカプロラクトン構造、及びポリバレロラクトン構造からなる群から選ばれる1種以上の構造を含むのが更に好ましい。分散剤は、一の分散剤中に上記構造を単独で含む分散剤であってもよいし、一の分散剤中にこれらの構造を複数含む分散剤であってもよい。
ここで、ポリカプロラクトン構造とは、ε-カプロラクトンを開環した構造を繰り返し単位として含む構造をいう。ポリバレロラクトン構造とは、δ-バレロラクトンを開環した構造を繰り返し単位として含む構造をいう。
ポリカプロラクトン構造を含む分散剤の具体例としては、下記式(1)及び下記式(2)におけるj及びkが5である分散剤が挙げられる。また、ポリバレロラクトン構造を含む分散剤の具体例としては、下記式(1)及び下記式(2)におけるj及びkが4である分散剤が挙げられる。
ポリアクリル酸メチル構造を含む分散剤の具体例としては、下記式(4)におけるXが水素原子であり、Rがメチル基である分散剤が挙げられる。また、ポリメタクリル酸メチル構造を含む分散剤の具体例としては、下記式(4)におけるXがメチル基であり、Rがメチル基である分散剤が挙げられる。
・グラフト鎖を含む構造単位
グラフト鎖を含む構造単位としては、下記式(1)~式(4)のいずれかで表される構造単位が好ましい。
式(1)~(4)において、W、W、W、及びWは、それぞれ独立に、酸素原子又はNHを表す。W、W、W、及びWとしては、酸素原子が好ましい。
式(1)~(4)において、X、X、X、X、及びXは、それぞれ独立に、水素原子又は1価の有機基を表す。X、X、X、X、及びXとしては、合成上の制約の観点からは、それぞれ独立に、水素原子又は炭素数(炭素原子数)1~12のアルキル基が好ましく、それぞれ独立に、水素原子又はメチル基がより好ましく、メチル基が更に好ましい。
式(1)~(4)において、Y、Y、Y、及びYは、それぞれ独立に、2価の連結基を表し、連結基は特に構造上制約されない。Y、Y、Y、及びYで表される2価の連結基として、具体的には、下記の(Y-1)~(Y-21)の連結基等が例として挙げられる。下記に示した構造において、A、Bはそれぞれ、式(1)~(4)における左末端基、右末端基との結合部位を意味する。下記に示した構造のうち、合成の簡便性から、(Y-2)又は(Y-13)であるのがより好ましい。
式(1)~(4)において、Z、Z、Z、及びZは、それぞれ独立に、1価の有機基を表す。有機基の構造は、特に限定されないが、具体的には、アルキル基、水酸基、アルコキシ基、アリールオキシ基、ヘテロアリールオキシ基、アルキルチオエーテル基、アリールチオエーテル基、ヘテロアリールチオエーテル基、及びアミノ基等が挙げられる。これらのなかでも、Z、Z、Z、及びZで表される有機基としては、特に分散性向上の観点から、立体反発効果を含む基が好ましく、炭素数5~24のアルキル基又はアルコキシ基がより好ましく、炭素数5~24の分岐アルキル基、炭素数5~24の環状アルキル基、又は炭素数5~24のアルコキシ基が更に好ましい。なお、アルコキシ基中に含まれるアルキル基は、直鎖状、分岐鎖状、及び環状のいずれでもよい。
式(1)~(4)において、n、m、p、及びqは、それぞれ独立に、1~500の整数を表す。
また、式(1)及び(2)において、j及びkは、それぞれ独立に、2~8の整数を表す。式(1)及び(2)におけるj及びkとしては、組成物の経時粘度安定性及び現像性の観点から、4~6の整数が好ましく、5がより好ましい。
また、式(1)及び(2)において、n及びmとしては、10以上の整数が好ましく、20以上の整数がより好ましい。また、分散剤が、ポリカプロラクトン構造、及びポリバレロラクトン構造を含む場合、ポリカプロラクトン構造の繰り返し数と、ポリバレロラクトンの繰返し数の和としては、10以上の整数が好ましく、20以上の整数がより好ましい。
式(3)中、Rは分岐鎖状又は直鎖状のアルキレン基を表し、炭素数1~10のアルキレン基が好ましく、炭素数2又は3のアルキレン基がより好ましい。pが2~500のとき、複数存在するRは互いに同じであっても異なっていてもよい。
式(4)中、Rは水素原子又は1価の有機基を表し、この1価の有機基としては特に構造上限定はされない。Rとしては、水素原子、アルキル基、アリール基、又はヘテロアリール基が好ましく、水素原子又はアルキル基がより好ましい。Rがアルキル基である場合、アルキル基としては、炭素数1~20の直鎖状アルキル基、炭素数3~20の分岐鎖状アルキル基、又は炭素数5~20の環状アルキル基が好ましく、炭素数1~20の直鎖状アルキル基がより好ましく、炭素数1~6の直鎖状アルキル基が更に好ましい。式(4)において、qが2~500のとき、グラフト共重合体中に複数存在するX及びRは互いに同じであっても異なっていてもよい。
また、高分子化合物は、2種以上の構造が異なる、グラフト鎖を含む構造単位を含むことができる。即ち、高分子化合物の分子中に、互いに構造の異なる式(1)~(4)で示される構造単位を含んでいてもよく、また、式(1)~(4)においてn、m、p、及びqがそれぞれ2以上の整数を表す場合、式(1)及び(2)においては、側鎖中にj及びkが互いに異なる構造を含んでいてもよく、式(3)及び(4)においては、分子内に複数存在するR、R、及びXは互いに同じであっても異なっていてもよい。
高分子化合物において、グラフト鎖を含む構造単位(例えば、上記式(1)~(4)で表される構造単位)は、質量換算で、高分子化合物の総質量に対して、2~90質量%の範囲で含まれるのが好ましく、5~30質量%の範囲で含まれるのがより好ましい。グラフト鎖を含む構造単位がこの範囲内で含まれると、顔料の分散性が高く、露光後の硬化膜における現像性が良好である。
・疎水性構造単位
また、高分子化合物は、グラフト鎖を含む構造単位とは異なる(すなわち、グラフト鎖を含む構造単位には相当しない)疎水性構造単位を含むのが好ましい。ただし、本明細書において、疎水性構造単位は、酸基(例えば、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、フェノール性水酸基等)を有さない構造単位である。
疎水性構造単位は、ClogP値が1.2以上の化合物(モノマー)に由来する(対応する)構造単位であるのが好ましく、ClogP値が1.2~8の化合物に由来する構造単位であるのがより好ましい。これにより、本発明の効果をより確実に発現できる。
ClogP値は、Daylight Chemical Information System, Inc.から入手できるプログラム“CLOGP”で計算された値である。このプログラムは、Hansch, Leoのフラグメントアプローチ(下記文献参照)により算出される“計算logP”の値を提供する。フラグメントアプローチは化合物の化学構造に基づいており、化学構造を部分構造(フラグメント)に分割し、そのフラグメントに対して割り当てられたlogP寄与分を合計して化合物のlogP値を推算している。その詳細は以下の文献に記載されている。本明細書では、プログラムCLOGP v4.82により計算したClogP値を用いる。
A. J. Leo, Comprehensive Medicinal Chemistry, Vol.4, C. Hansch, P. G. Sammnens, J. B. Taylor and C. A. Ramsden, Eds., p.295, Pergamon Press, 1990 C. Hansch & A. J. Leo. SUbstituent Constants For Correlation Analysis in Chemistry and Biology. John Wiley & Sons. A.J. Leo. Calculating logPoct from structure. Chem. Rev., 93, 1281-1306, 1993.
logPは、分配係数P(Partition Coefficient)の常用対数を意味し、ある有機化合物が油(一般的には1-オクタノール)と水の2相系の平衡でどのように分配されるかを定量的な数値として表す物性値であり、以下の式で示される。
logP=log(Coil/Cwater)
式中、Coilは油相中の化合物のモル濃度を、Cwaterは水相中の化合物のモル濃度を表す。
logPの値が0をはさんでプラスに大きくなると油溶性が増し、マイナスで絶対値が大きくなると水溶性が増し、有機化合物の水溶性と負の相関があり、有機化合物の親疎水性を見積るパラメータとして広く利用されている。
高分子化合物において、疎水性構造単位は、質量換算で、高分子化合物の総質量に対して、10~90%の範囲で含まれるのが好ましく、20~80%の範囲で含まれるのがより好ましい。含有量が上記範囲において十分なパターン形成が得られる。
・顔料等と相互作用を形成しうる官能基
高分子化合物は、顔料等(例えば、遮光顔料)と相互作用を形成しうる官能基を導入できる。ここで、高分子化合物は、顔料等と相互作用を形成しうる官能基を含む構造単位を更に含むのが好ましい。
この顔料等と相互作用を形成しうる官能基としては、例えば、酸基、塩基性基、配位性基、及び反応性を有する官能基等が挙げられる。
高分子化合物が、酸基、塩基性基、配位性基、又は反応性を有する官能基を含む場合、それぞれ、酸基を含む構造単位、塩基性基を含む構造単位、配位性基を含む構造単位、又は反応性を有する構造単位を含むのが好ましい。
特に、高分子化合物が、更に、酸基として、カルボン酸基等のアルカリ可溶性基を含有すれば、高分子化合物に、アルカリ現像によるパターン形成のための現像性を付与できる。
すなわち、高分子化合物にアルカリ可溶性基を導入すれば、上記組成物は、顔料等の分散に寄与する分散剤としての高分子化合物がアルカリ可溶性を含むことになる。このような高分子化合物を含む組成物は、露光して形成される硬化膜の遮光性に優れ、かつ、未露光部のアルカリ現像性が向上される。
また、高分子化合物が酸基を含む構造単位を含めば、高分子化合物が溶剤となじみやすくなり、塗布性も向上する傾向となる。
これは、酸基を含む構造単位における酸基が顔料等と相互作用しやすく、高分子化合物が顔料等を安定的に分散すると共に、顔料等を分散する高分子化合物の粘度が低くなっており、高分子化合物自体も安定的に分散されやすいためであると推測される。
ただし、酸基としてのアルカリ可溶性基を含む構造単位は、上記のグラフト鎖を含む構造単位と同一の構造単位であっても、異なる構造単位であってもよいが、酸基としてのアルカリ可溶性基を含む構造単位は、上記の疎水性構造単位とは異なる構造単位である(すなわち、上記の疎水性構造単位には相当しない)。
顔料等と相互作用を形成しうる官能基である酸基としては、例えば、カルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基、及びフェノール性水酸基等があり、カルボン酸基、スルホン酸基、及びリン酸基からなる群から選ばれる1種以上であるのが好ましく、カルボン酸基がより好ましい。カルボン酸基は、顔料等への吸着力が良好で、かつ、分散性が高い。
すなわち、高分子化合物は、カルボン酸基、スルホン酸基、及びリン酸基からなる群から選ばれる1種以上を含む構造単位を含むのが好ましい。
高分子化合物は、酸基を含む構造単位を1種又は2種以上有してもよい。
高分子化合物は、酸基を含む構造単位を含んでいなくてもよいが、含む場合、酸基を含む構造単位の含有量は、質量換算で、高分子化合物の総質量に対して、5~80質量%が好ましく、アルカリ現像による画像強度のダメージ抑制という観点から、10~60質量%がより好ましい。
顔料等と相互作用を形成しうる官能基である塩基性基としては、例えば、第1級アミノ基、第2級アミノ基、第3級アミノ基、N原子を含むヘテロ環、及びアミド基等があり、好ましい塩基性基は、顔料等への吸着力が良好で、かつ、分散性が高い点で、第3級アミノ基である。高分子化合物は、これらの塩基性基を1種又は2種以上、含んでいてもよい。
高分子化合物は、塩基性基を含む構造単位を含んでいなくてもよいが、含む場合、塩基性基を含む構造単位の含有量は、質量換算で、高分子化合物の総質量に対して、0.01~50質量%が好ましく、現像性阻害抑制という観点から、0.01~30質量%がより好ましい。
顔料等と相互作用を形成しうる官能基である配位性基、及び反応性を有する官能基としては、例えば、アセチルアセトキシ基、トリアルコキシシリル基、イソシアネート基、酸無水物、及び酸塩化物等が挙げられる。好ましい官能基は、顔料等への吸着力が良好で、顔料等の分散性が高い点で、アセチルアセトキシ基である。高分子化合物は、これらの基を1種又は2種以上有してもよい。
高分子化合物は、配位性基を含む構造単位、又は反応性を有する官能基を含む構造単位を含んでいなくてもよいが、含む場合、これらの構造単位の含有量は、質量換算で、高分子化合物の総質量に対して、10~80質量%が好ましく、現像性阻害抑制という観点から、20~60質量%がより好ましい。
顔料等と相互作用を形成しうる官能基を含む構造単位の含有量は、顔料等との相互作用、経時粘度安定性、及び現像液への浸透性の観点から、高分子化合物の全質量に対して、0.05~90質量%が好ましく、1.0~80質量%がより好ましく、10~70質量%が更に好ましい。
・その他の構造単位
更に、高分子化合物は、画像強度等の諸性能を向上する目的で、本発明の効果を損なわない限りにおいて、グラフト鎖を含む構造単位、疎水性構造単位、及び顔料等と相互作用を形成しうる官能基を含む構造単位とは異なる、種々の機能を有する他の構造単位(例えば、後述する溶剤との親和性を有する官能基等を含む構造単位)を更に有していてもよい。
このような、他の構造単位としては、例えば、アクリロニトリル類、及びメタクリロニトリル類等から選ばれるラジカル重合性化合物に由来の構造単位が挙げられる。
高分子化合物は、これらの他の構造単位を1種又は2種以上使用でき、その含有量は、質量換算で、高分子化合物の総質量に対して、0~80質量%が好ましく、10~60質量%がより好ましい。含有量が上記範囲において、十分なパターン形成性が維持される。
・高分子化合物の物性
高分子化合物の酸価は、0~250mgKOH/gが好ましく、10~200mgKOH/gがより好ましく、30~180mgKOH/gが更に好ましい。
高分子化合物の酸価が160mgKOH/g以下であれば、露光後の硬化膜を現像する際におけるパターン剥離がより効果的に抑えられる。また、高分子化合物の酸価が10mgKOH/g以上であればアルカリ現像性がより良好となる。また、高分子化合物の酸価が20mgKOH/g以上であれば、顔料等の沈降をより抑制でき、粗大粒子数をより少なくでき、組成物の経時粘度安定性をより向上できる。
本明細書において酸価は、例えば、化合物中における酸基の平均含有量から算出できる。また、樹脂の構成成分である酸基を含む構造単位の含有量を変化させれば所望の酸価を有する樹脂を得られる。
高分子化合物の重量平均分子量は、4,000~300,000が好ましく、5,000~200,000がより好ましく、6,000~100,000が更に好ましく、10,000~50,000が特に好ましい。
高分子化合物は、公知の方法に基づいて合成できる。
高分子化合物としては、例えば、楠本化成社製「DA-7301」、BYKChemie社製「Disperbyk-101(ポリアミドアミン燐酸塩)、107(カルボン酸エステル)、110(酸基を含む共重合体)、111(リン酸系分散剤)、130(ポリアミド)、161、162、163、164、165、166、167、170、190(高分子共重合体)」、「BYK-P104、P105(高分子量不飽和ポリカルボン酸)」、EFKA社製「EFKA4047、4050~4010~4165(ポリウレタン系)、EFKA4330~4340(ブロック共重合体)、4400~4402(変性ポリアクリレート)、5010(ポリエステルアミド)、5765(高分子量ポリカルボン酸塩)、6220(脂肪酸ポリエステル)、6750(アゾ顔料誘導体)」、味の素ファインテクノ社製「アジスパーPB821、PB822、PB880、PB881」、共栄社化学社製「フローレンTG-710(ウレタンオリゴマー)」、「ポリフローNo.50E、No.300(アクリル系共重合体)」、楠本化成社製「ディスパロンKS-860、873SN、874、#2150(脂肪族多価カルボン酸)、#7004(ポリエーテルエステル)、DA-703-50、DA-705、DA-725」、花王社製「デモールRN、N(ナフタレンスルホン酸ホルマリン重縮合物)、MS、C、SN-B(芳香族スルホン酸ホルマリン重縮合物)」、「ホモゲノールL-18(高分子ポリカルボン酸)」、「エマルゲン920、930、935、985(ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル)」、「アセタミン86(ステアリルアミンアセテート)」、日本ルブリゾール社製「22000(アゾ顔料誘導体)、13240(ポリエステルアミン)、3000、12000、17000、20000、27000(末端部に機能部を含む高分子)、24000、28000、32000、38500(グラフト共重合体)」、日光ケミカル社製「ニッコールT106(ポリオキシエチレンソルビタンモノオレート)、MYS-IEX(ポリオキシエチレンモノステアレート)」、川研ファインケミカル製 ヒノアクトT-8000E等、信越化学工業製、オルガノシロキサンポリマーKP341、裕商製「W001:カチオン系界面活性剤」、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリエチレングリコールジラウレート、ポリエチレングリコールジステアレート、ソルビタン脂肪酸エステル等のノニオン系界面活性剤、「W004、W005、W017」等のアニオン系界面活性剤、森下産業製「EFKA-46、EFKA-47、EFKA-47EA、EFKAポリマー100、EFKAポリマー400、EFKAポリマー401、EFKAポリマー450」、サンノプコ製「ディスパースエイド6、ディスパースエイド8、ディスパースエイド15、ディスパースエイド9100」等の高分子分散剤、ADEKA製「アデカプルロニック(登録商標)L31、F38、L42、L44、L61、L64、F68、L72、P95、F77、P84、F87、P94、L101、P103、F108、L121、P-123」、及び三洋化成製「イオネット(商品名)S-20」等が挙げられる。また、アクリベースFFS-6752、アクリベースFFS-187も使用できる。
また、酸基及び塩基性基を含む両性樹脂も好ましい。両性樹脂としては、酸価が5mgKOH/g以上で、かつ、アミン価が5mgKOH/g以上である樹脂が好ましい。
両性樹脂の市販品としては、例えば、ビックケミー社製のDISPERBYK-130、DISPERBYK-140、DISPERBYK-142、DISPERBYK-145、DISPERBYK-180、DISPERBYK-187、DISPERBYK-191、DISPERBYK-2001、DISPERBYK-2010、DISPERBYK-2012、DISPERBYK-2025、BYK-9076、味の素ファインテクノ社製のアジスパーPB821、アジスパーPB822、及びアジスパーPB881等が挙げられる。
これらの高分子化合物は、1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
なお、高分子化合物としては、例えば、特開2013-249417号公報の段落0127~0129に記載の高分子化合物を参照でき、これらの内容は本明細書に組み込まれる。
また、分散剤としては、上記の高分子化合物以外に、特開2010-106268号公報の段落0037~0115(対応するUS2011/0124824の段落0075~0133欄)のグラフト共重合体が挙げられ、これらの内容は援用でき、本明細書に組み込まれる。
また、上記以外にも、特開2011-153283号公報の段落0028~0084(対応するUS2011/0279759の段落0075~0133欄)の酸基が連結基を介して結合してなる側鎖構造を含む構成成分を含む高分子化合物が挙げられ、これらの内容は援用でき、本明細書に組み込まれる。
また、分散剤としては、特開2016-109763号公報の段落0033~0049に記載された樹脂も挙げられ、この内容は本明細書に組み込まれる。
また、分散剤としては、ポリアルキレンイミン構造とポリエステル構造を含む繰り返し単位を含む樹脂(以下、「樹脂X1」ともいう。)も好適に使用できる。ポリアルキレンイミン構造とポリエステル構造とを含む繰り返し単位は、主鎖にポリアルキレンイミン構造を含み、グラフト鎖としてポリエステル構造を含むことが好ましい。
樹脂X1の酸価は、10~100mgKOH/gが好ましく、20~80mgKOH/gがより好ましい。樹脂X1のアミン価は、5mgKOH/g以上が好ましく、20mgKOH/g以上がより好ましく、30mgKOH/g以上が更に好ましい。上限値としては、例えば、100mgKOH/g以下が好ましい。
樹脂X1の重量平均分子量は特に制限されないが、例えば、3,000以上が好ましく、4,000以上がより好ましく、5,000以上が更に好ましく、6,000以上が特に好ましい。また、上限値としては、例えば、300,000以下が好ましく、200,000以下がより好ましく、100,000以下が更に好ましく、50,000以下が特に好ましい。
<アルカリ可溶性樹脂>
組成物は、アルカリ可溶性樹脂を含むのが好ましい。本明細書において、アルカリ可溶性樹脂とは、アルカリ可溶性を促進する基(以下、単に「アルカリ可溶性基」ともいう。例えば、カルボン酸基などの酸基が挙げられる。)を含む樹脂を意図し、既に説明した分散剤とは異なる樹脂を意図する。
組成物中におけるアルカリ可溶性樹脂の含有量としては特に制限されないが、組成物の全固形分に対して、1~30質量%が好ましく、2~20質量%がより好ましく、5~15質量%が更に好ましい。
アルカリ可溶性樹脂は1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。2種以上のアルカリ可溶性樹脂を併用する場合には、合計含有量が上記範囲内であるのが好ましい。
アルカリ可溶性樹脂としては、分子中に少なくとも1個のアルカリ可溶性基を含む樹脂が挙げられ、例えば、ポリヒドロキシスチレン樹脂、ポリシロキサン樹脂、(メタ)アクリル樹脂、(メタ)アクリルアミド樹脂、(メタ)アクリル/(メタ)アクリルアミド共重合体樹脂、エポキシ系樹脂、及びポリイミド樹脂等が挙げられる。
アルカリ可溶性樹脂としては、例えば、不飽和カルボン酸とエチレン性不飽和化合物の共重合体が挙げられる。
不飽和カルボン酸としては特に制限されないが、(メタ)アクリル酸、クロトン酸、及びビニル酢酸等のモノカルボン酸類;イタコン酸、マレイン酸、及びフマル酸等のジカルボン酸、又はその酸無水物;並びに、フタル酸モノ(2-(メタ)アクリロイロキシエチル)等の多価カルボン酸モノエステル類;等が挙げられる。
共重合可能なエチレン性不飽和化合物としては、(メタ)アクリル酸メチル等が挙げられる。また、特開2010-097210号公報の段落0027、及び特開2015-068893号公報の段落0036~0037に記載の化合物も使用でき、上記の内容は本明細書に組み込まれる。
アルカリ可溶性樹脂としては、本発明の効果がより優れる点で、硬化性基を含むアルカリ可溶性樹脂も好ましい。
上記硬化性基としては、上述の高分子化合物が含んでいてもよい硬化性基が同様に挙げられ、好ましい範囲も同様である。
硬化性基を含むアルカリ可溶性樹脂の一態様としては、側鎖にエチレン性不飽和基を含むアクリル樹脂が挙げられる。側鎖にエチレン性不飽和基を含むアクリル樹脂は、例えば、カルボン酸基を含むアクリル樹脂のカルボン酸基に、グリシジル基又は脂環式エポキシ基を含むエチレン性不飽和化合物を付加反応させて得られる。
硬化性基を含むアルカリ可溶性樹脂としては、硬化性基を側鎖に有するアルカリ可溶性樹脂等が好ましい。硬化性基を含むアルカリ可溶性樹脂としては、ダイヤナールNRシリーズ(三菱レイヨン社製)、Photomer6173(COOH含有 polyurethane acrylic oligomer.Diamond Shamrock Co.,Ltd.製)、ビスコートR-264、KSレジスト106(いずれも大阪有機化学工業社製)、サイクロマーPシリーズ(例えば、ACA230AA)、プラクセル CF200シリーズ(いずれもダイセル社製)、Ebecryl3800(ダイセル・オルネクス社製)、及びアクリキュアRD-F8(日本触媒社製)等が挙げられる。
アルカリ可溶性樹脂としては、例えば、特開昭59-044615号、特公昭54-34327号、特公昭58-012577号、特公昭54-025957号、特開昭54-092723号、特開昭59-053836号、及び特開昭59-071048号に記載されている側鎖にカルボン酸基を含むラジカル重合体;欧州特許第993966号、欧州特許第1204000号、及び特開2001-318463号等の各公報に記載されているアルカリ可溶性基を含むアセタール変性ポリビニルアルコール系バインダー樹脂;ポリビニルピロリドン;ポリエチレンオキサイド;アルコール可溶性ナイロン、及び2,2-ビス-(4-ヒドロキシフェニル)-プロパンとエピクロロヒドリンとの反応物であるポリエーテル等;並びに、国際公開第2008/123097号に記載のポリイミド樹脂;等が挙げられる。
アルカリ可溶性樹脂としては、例えば、特開2016-075845号公報の段落0225~0245に記載の化合物も挙げられ、上記内容は本明細書に組み込まれる。
アルカリ可溶性樹脂としては、ポリイミド前駆体も挙げられる。ポリイミド前駆体は、酸無水物基を含む化合物とジアミン化合物とを40~100℃下において付加重合反応して得られる樹脂を意図する。
アルカリ可溶性樹脂は、式(A)で表される繰り返し単位、及び、式(B)で表される繰り返し単位を含み、式(A)で表される繰り返し単位の含有量が、アルカリ可溶性樹脂に含まれる全繰り返し単位に対して、30質量%以上であることが好ましい。
上記アルカリ可溶性樹脂を用いると、組成物を用いて形成される硬化膜中においてアルカリ可溶性樹脂と他の成分(例えば、分散剤)との間で相分離構造が起きやすくなり、形成される硬化膜の反射率がより低減する。
式(A)中、R1aは、水素原子又はメチル基を表す。
2aは、炭素数1~12の直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基を表す。
2aで表されるアルキル基の炭素数は、1~8が好ましく、2~6がより好ましく、3~4が更に好ましい。また、直鎖状のアルキル基が好ましい。
式(B)中、R1bは、水素原子又はメチル基を表す。
は、単結合、又は、2価の連結基を表す。
2価の連結基の種類は特に制限されず、例えば、2価の炭化水素基(2価の飽和炭化水素基であっても、2価の芳香族炭化水素基であってもよい。2価の飽和炭化水素基は、直鎖状、分岐鎖状又は環状であってもよく、炭素数1~10が好ましく、例えば、アルキレン基が挙げられる。また、2価の芳香族炭化水素基は、炭素数5~10が好ましく、例えば、フェニレン基が挙げられる。それ以外にも、アルケニレン基、及びアルキニレン基であってもよい。)、2価の複素環基、-O-、-S-、-SO-、-NR-、-CO-(-C(=O)-)、-COO-(-C(=O)O-)、-NR-CO-、-SO-、-SONR-、及び、これらを2種以上組み合わせた基が挙げられる。ここで、Rは、水素原子又はアルキル基(好ましくは炭素数1~10)を表す。
式(A)で表される繰り返し単位の含有量は、アルカリ可溶性樹脂に含まれる全繰り返し単位に対して、30質量%以上が好ましく、45質量%以上がより好ましい。上限は特に制限されないが、90質量%以下が好ましく、60質量%以下がより好ましい。
式(B)で表される繰り返し単位の含有量は、アルカリ可溶性樹脂に含まれる全繰り返し単位に対して、3~60質量%が好ましく、5~30質量%がより好ましい。
式(A)で表される繰り返し単位及び式(B)で表される繰り返し単位を含むアルカリ可溶性樹脂は、上記以外の他の繰り返し単位を含んでいてもよい。
他の繰り返し単位としては、硬化性基を有する繰り返し単位が挙げられる。
上記硬化性基としては、上述の高分子化合物が含んでいてもよい硬化性基が同様に挙げられ、好ましい範囲も同様である。
硬化性基を有する繰り返し単位の含有量は、アルカリ可溶性樹脂に含まれる全繰り返し単位に対して、3~40質量%が好ましく、5~30質量%がより好ましい。
また、式(A)で表される繰り返し単位及び式(B)で表される繰り返し単位を含むアルカリ可溶性樹脂の酸価は10~200mgKOH/gが好ましく、20~100mgKOH/gがより好ましく、30~80mgKOH/gが更に好ましい。
本発明の組成物が樹脂を含む場合、本発明の組成物中における樹脂の含有量は特に制限されないが、本発明の効果がより優れる点で、3~70質量%が好ましく、9~40質量%がより好ましく、9~35質量%が更に好ましい。
樹脂は、1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。2種以上の樹脂を併用する場合には、合計含有量が上記範囲内であるのが好ましい。
〔溶剤〕
本発明の組成物は、溶剤を含んでいてもよい。
溶剤は特に制限されず、公知の溶剤を使用でき、例えば、有機溶剤、及び、水が挙げられる。
組成物中、固形分の含有量は、組成物の全質量に対して、10~90質量%が好ましく、10~45質量%がより好ましく、15~35質量%が更に好ましい。つまり、組成物中における溶剤の含有量としては特に制限されないが、組成物の固形分が上記含有量となるように調整されるのが好ましい。
溶剤は1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。2種以上の溶剤を併用する場合には、組成物の全固形分が上記範囲内となるように調整されるのが好ましい。
有機溶剤としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサン、酢酸エチル、エチレンジクロライド、テトラヒドロフラン、トルエン、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、アセチルアセトン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、ジアセトンアルコール、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールエチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノイソプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、3-メトキシプロパノール、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、3-メトキシプロピルアセテート、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、γ-ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸メチル、N-メチル-2-ピロリドン、及び乳酸エチル等が挙げられるが、これらに制限されない。
〔エポキシ基を含む化合物(密着剤)〕
本発明の組成物は、エポキシ基を含む化合物を含んでいてもよい。
エポキシ基を含む化合物は、エポキシ基を1個以上有する化合物が挙げられ、エポキシ基を2個以上有する化合物が好ましい。エポキシ基は1~100個有するのが好ましい。上限は、例えば、10個以下でもよく、5個以下でもよい。下限は、2個以上が好ましい。
なお、エポキシ基を含む化合物は、上述の、分散剤、アルカリ可溶性樹脂、及び重合性化合物とは異なる成分を意図する。
エポキシ基を含む化合物のエポキシ当量(=エポキシ基を含む化合物の分子量/エポキシ基の数)は、500g/当量以下が好ましく、100~400g/当量がより好ましく、100~300g/当量が更に好ましい。
エポキシ基を含む化合物は、低分子化合物(例えば、分子量2000未満)でもよいし、高分子化合物(macromolecule)(例えば、分子量2000以上、ポリマーの場合は、重量平均分子量が2000以上)でもよい。エポキシ基を含む化合物の重量平均分子量は、200~100000が好ましく、500~50000がより好ましい。重量平均分子量の上限は、10000以下がより好ましく、5000以下が更に好ましく、3000以下が特に好ましい。
エポキシ基を含む化合物は、市販品を用いてもよい。例えば、EHPE3150(ダイセル製)、及びEPICLON N-695(DIC製)等が挙げられる。また、エポキシ基を含む化合物は、特開2013-011869号公報の段落0034~0036、特開2014-043556号公報の段落0147~0156、及び特開2014-089408号公報の段落0085~0092に記載された化合物が挙げられる。これらの内容は、本明細書に組み込まれる。
本発明の組成物がエポキシ基を含む化合物を含む場合、組成物中におけるエポキシ基を含む化合物の含有量は、組成物中の全固形分に対して、0.1~10質量%が好ましく、0.5~8質量%がより好ましく、1.0~6質量%が更に好ましい。
エポキシ基を含む化合物は、1種を単独で用いても、2種以上を使用してもよい。上記組成物が、エポキシ基を含む化合物を2種類以上含む場合、その合計含有量が上記範囲となるのが好ましい。
〔シランカップリング剤(密着剤)〕
本発明の組成物はシランカップリング剤を含んでいてもよい。
シランカップリング剤は、基板上に硬化膜を形成する際に、基板と硬化膜間の密着性を向上させる密着剤として機能する。
シランカップリング剤とは、分子中に加水分解性基とそれ以外の官能基とを含む化合物である。なお、アルコキシ基等の加水分解性基は、珪素原子に結合している。
加水分解性基とは、珪素原子に直結し、加水分解反応及び/又は縮合反応によってシロキサン結合を生じ得る置換基をいう。加水分解性基としては、例えば、ハロゲン原子、アルコキシ基、アシルオキシ基、及びアルケニルオキシ基が挙げられる。加水分解性基が炭素原子を含む場合、その炭素数は6以下が好ましく、4以下がより好ましい。特に、炭素数4以下のアルコキシ基又は炭素数4以下のアルケニルオキシ基が好ましい。
また、基板上に硬化膜を形成する場合に、シランカップリング剤は基板と硬化膜間の密着性を向上させるため、フッ素原子及び珪素原子(ただし、加水分解性基が結合した珪素原子は除く)を含まないのが好ましく、フッ素原子、珪素原子(ただし、加水分解性基が結合した珪素原子は除く)、珪素原子で置換されたアルキレン基、炭素数8以上の直鎖状アルキル基、及び炭素数3以上の分岐鎖状アルキル基は含まないのが望ましい。
シランカップリング剤は、(メタ)アクリロイル基等のエチレン性不飽和基を含んでいてもよい。エチレン性不飽和基を含む場合、その数は1~10個が好ましく、4~8個がより好ましい。なお、エチレン性不飽和基を含むシランカップリング剤(例えば、加水分解性基とエチレン性不飽和基とを含む、分子量2000以下の化合物)は、上述の重合性化合物に該当しない。
シランカップリング剤としては、例えば、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、及びビニルトリエトキシシラン等が挙げられる。
本発明の組成物がシランカップリング剤を含む場合、組成物中におけるシランカップリング剤の含有量は、組成物中の全固形分に対して、0.1~10質量%が好ましく、0.5~8質量%がより好ましく、1.0~6質量%が更に好ましい。
上記組成物は、シランカップリング剤を1種単独で含んでいてもよく、2種以上を含んでいてもよい。組成物がシランカップリング剤を2種以上含む場合は、その合計が上記範囲内であればよい。
〔紫外線吸収剤〕
本発明の組成物は、紫外線吸収剤を含んでいてもよい。これにより、露光して形成される硬化膜のパターンの形状をより優れた(精細な)形状にできる。
紫外線吸収剤としては、サリシレート系、ベンゾフェノン系、ベンゾトリアゾール系、置換アクリロニトリル系、及びトリアジン系の紫外線吸収剤が挙げられる。また、特開2012-068418号公報の段落0137~0142(対応するUS2012/0068292の段落0251~0254)の化合物も挙げられ、これらの内容が援用でき、本明細書に組み込まれる。
他にジエチルアミノ-フェニルスルホニル系紫外線吸収剤(大東化学社製、商品名:UV-503)等も挙げられる。
紫外線吸収剤としては、特開2012-032556号公報の段落0134~0148に例示される化合物も挙げられる。
本発明の組成物が紫外線吸収剤を含む場合、紫外線吸収剤の含有量は、組成物の全固形分に対して、0.001~15質量%が好ましく、0.01~10質量%がより好ましく、0.1~5質量%が更に好ましい。
〔その他の着色剤〕
組成物は、任意の着色剤を含んでいてもよく、顔料、染料又は赤外線吸収剤等から選択できる。但し、上述したカーボンブラック、硫酸バリウム、及び、金属含有粒子以外の着色剤である。
〔その他の任意成分〕
組成物は、上述した成分以外のその他の任意成分を更に含んでいてもよい。例えば、重合禁止剤、増感剤、共増感剤、架橋剤、硬化促進剤、フィラー、熱硬化促進剤、可塑剤、希釈剤、及び感脂化剤等が挙げられ、更に、基板表面への密着促進剤及びその他の助剤類(例えば、導電性粒子、充填剤、消泡剤、難燃剤、レベリング剤、剥離促進剤、酸化防止剤、香料、表面張力調整剤、及び連鎖移動剤等)等の公知の添加剤を必要に応じて加えてもよい。
これらの成分は、例えば、特開2012-003225号公報の段落0183~0228(対応する米国特許出願公開第2013/0034812号明細書の段落0237~0309)、特開2008-250074号公報の段落0101~0102、段落0103~0104、段落0107~0109、及び特開2013-195480号公報の段落0159~0184等の記載を参酌でき、これらの内容は本明細書に組み込まれる。
[組成物の製造方法]
本発明の組成物の製造方法は特に制限されず、公知の方法を採用できる。
なかでも、本発明の組成物の製造方法としては、まず、カーボンブラックを分散させた分散組成物を製造し、得られた分散組成物を更にその他の成分と混合して組成物とする方法が好ましい。
分散組成物は、カーボンブラック、硫酸バリウム、銅フタロシアニン類、樹脂(好ましくは分散剤)、及び溶剤を混合して調製するのが好ましい。
上記分散組成物は、上記の各成分を公知の混合方法(例えば、撹拌機、ホモジナイザー、高圧乳化装置、湿式粉砕機、又は湿式分散機を用いた混合方法)により混合して調製できる。
分散組成物の調製後、上記分散組成物、シリカ、樹脂(アルカリ可溶性樹脂)、重合性化合物、重合開始剤、及び溶剤を混合して、本発明の組成物を調製できる。また、密着剤又は界面活性剤等の成分も配合できる。
組成物の調製に際しては、各成分を一括配合してもよいし、各成分をそれぞれ、溶剤に溶解又は分散した後に逐次配合してもよい。また、配合する際の投入順序及び作業条件は特に制限されない。
組成物は、異物の除去及び欠陥の低減等の目的で、フィルタで濾過するのが好ましい。フィルタとしては、従来からろ過用途等に用いられているフィルタであれば特に限定されずに使用できる。例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等のフッ素樹脂、ナイロン等のポリアミド系樹脂、並びに、ポリエチレン及びポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系樹脂(高密度、超高分子量を含む)等によるフィルタが挙げられる。これら素材のなかでもポリプロピレン(高密度ポリプロピレンを含む)、ナイロンが好ましい。
組成物は、金属、ハロゲンを含む金属塩、酸、アルカリ等の不純物を含まないのが好ましい。これら材料に含まれる不純物の含有量としては、1ppm以下が好ましく、1ppb以下がより好ましく、100ppt以下が更に好ましく、10ppt以下が特に好ましく、実質的に含まないこと(測定装置の検出限界以下であること)が最も好ましい。
なお、上記不純物は、誘導結合プラズマ質量分析装置(横河アナリティカルシステムズ製、Agilent 7500cs型)により測定できる。
[硬化膜]
本明細書において「硬化膜」とは、本発明の組成物を用いて形成される組成物層に対して露光処理等の硬化処理が施されて形成される膜である。
〔硬化膜の製造方法〕
硬化膜の製造方法は、組成物層形成工程、露光工程及び現像工程を含むのが好ましい。上記工程を経ることで、例えば、パターン状の硬化膜が形成できる。
以下、各工程について説明する。
<組成物層形成工程>
組成物層形成工程においては、露光に先立ち、支持体等の上に、組成物を付与して組成物層を形成する。支持体としては、例えば、基板(例えば、シリコン基板)上にCCD(Charge Coupled Device)又はCMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)等の撮像素子(受光素子)が設けられた固体撮像素子用基板を使用できる。また、支持体上には、必要により、上部の層との密着改良、物質の拡散防止及び基板表面の平坦化等のために下塗り層を設けてもよい。
支持体上への組成物の適用方法としては、スリット塗布法、インクジェット法、回転塗布法、流延塗布法、ロール塗布法、及びスクリーン印刷法等の各種の塗布方法が挙げられる。組成物層の膜厚は、0.1~10μmが好ましく、0.2~5μmがより好ましく、0.2~3μmが更に好ましい。支持体上に塗布された組成物層の乾燥(プリベーク)は、ホットプレート及びオーブン等で50~140℃の温度で10~300秒で行える。
<露光工程>
露光工程は、活性光線又は放射線を照射して、組成物層形成工程において形成された組成物層を露光する工程である。露光工程は、具体的には、組成物層形成工程において形成された組成物層に活性光線又は放射線を照射して露光し、組成物層の光照射領域を硬化させる工程である。
光照射の方法としては特に制限されないが、パターン状の開口部を有するフォトマスクを介して光照射するのが好ましい。
露光は放射線の照射により行うのが好ましく、露光に際して使用できる放射線としては、特に、g線、h線、及びi線等の紫外線が好ましく、光源としては高圧水銀灯が好まれる。照射強度は5~1500mJ/cmが好ましく、10~1000mJ/cmがより好ましい。
なお、組成物が、熱重合開始剤を含む場合、上記露光工程において、組成物層を加熱するのも好ましい。加熱の温度として特に制限されないが、80~250℃が好ましい。また、加熱の時間としては特に制限されないが、30~300秒が好ましい。
なお、露光工程において、組成物層を加熱する場合、後述する後加熱工程を兼ねてもよい。言い換えれば、露光工程において、組成物層を加熱する場合、硬化膜の製造方法は後加熱工程を含有しなくてもよい。
<現像工程>
現像工程は、露光後の組成物層に対して現像処理を実施する工程である。本工程により、露光工程における光露光領域の組成物層が溶出し、光硬化した部分だけが残る。例えば、露光工程においてパターン状の開口部を有するフォトマスクを介して光照射を実施した場合には、パターン状の硬化膜が得られる。
現像工程で使用される現像液の種類は特に制限されないが、下地の撮像素子及び回路等にダメージを起さない、アルカリ現像液が望ましい。
現像温度としては、例えば、20~30℃である。
現像時間は、例えば、20~90秒である。より残渣を除去するため、近年では120~180秒実施する場合もある。更には、より残渣除去性を向上するため、現像液を60秒ごとに振り切り、更に新たに現像液を供給する工程を数回繰り返す場合もある。
アルカリ現像液としては、アルカリ性化合物を濃度が0.001~10質量%(好ましくは0.01~5質量%)となるように水に溶解して調製されたアルカリ性水溶液が好ましい。
アルカリ性化合物は、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム,硅酸ナトリウム、メタ硅酸ナトリウム、アンモニア水、エチルアミン、ジエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド、テトラブチルアンモニウムヒドロキシ、ベンジルトリメチルアンモニウムヒドロキシド、コリン、ピロール、ピペリジン、及び1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセン等が挙げられる(このうち、有機アルカリが好ましい。)。
なお、アルカリ現像液として用いた場合は、一般に現像後に水で洗浄処理が施される。
〔ポストベーク〕
露光工程の後、加熱処理(ポストベーク)を行うのが好ましい。ポストベークは、硬化を完全にするための現像後の加熱処理である。その加熱温度は、240℃以下が好ましく、220℃以下がより好ましい。下限は特にないが、効率的かつ効果的な処理を考慮すると、50℃以上が好ましく、100℃以上がより好ましい。
ポストベークは、ホットプレート、コンベクションオーブン(熱風循環式乾燥機)、又は高周波加熱機等の加熱手段を用いて、連続式又はバッチ式で行える。
上記のポストベークは、低酸素濃度の雰囲気下で行うのが好ましい。その酸素濃度は、19体積%以下が好ましく、15体積%以下がより好ましく、10体積%以下が更に好ましく、7体積%以下が特に好ましく、3体積%以下が最も好ましい。下限は特にないが、10体積ppm以上が実際的である。
また、上記の加熱によるポストベークに変え、UV(紫外線)照射によって硬化を完全にしてもよい。
この場合、上述した組成物は、更にUV硬化剤を含むのが好ましい。UV硬化剤は、通常のi線露光によるリソグラフィー工程のために添加する重合開始剤の露光波長である365nmより短波の波長で硬化できるUV硬化剤が好ましい。UV硬化剤としては、例えば、チバ イルガキュア 2959(商品名)が挙げられる。UV照射を行う場合においては、組成物層が波長340nm以下で硬化する材料であるのが好ましい。波長の下限値は特にないが、220nm以上であるのが一般的である。また、UV照射の露光量は、100~5000mJが好ましく、300~4000mJがより好ましく、800~3500mJが更に好ましい。このUV硬化工程は、リソグラフィー工程の後に行うのが、低温硬化をより効果的に行うために、好ましい。露光光源はオゾンレス水銀ランプを使用するのが好ましい。
[硬化膜の物性及び硬化膜の用途]
〔硬化膜の物性〕
本発明の組成物を用いて得られる硬化膜は、優れた遮光性を有する点で、400~1000nmの波長領域における膜厚2.0μmあたりの光学濃度(OD:Optical Density)が、3.0以上が好ましく、3.5以上がより好ましい。なお、上限値は特に制限されないが、一般に10以下が好ましい。上記硬化膜は、遮光膜として好ましく使用できる。
また、本明細書において、400~1000nmの波長領域における膜厚2.0μmあたりの光学濃度が、3.0以上とは、波長400~1000nmの全域において、膜厚2.0μmあたりの光学濃度が3.0以上であることを意図する。
なお、本明細書において、硬化膜の光学濃度の測定方法としては、まず、ガラス基板上硬化膜を形成して、分光光度計(例えば、日立ハイテクノロジーズ社製のU-4100等)を用いて測定する。
硬化膜の膜厚は、例えば、0.1~4.0μmが好ましく、1.0~2.5μmがより好ましい。また、硬化膜は、用途にあわせてこの範囲よりも薄膜としてもよいし、厚膜としてもよい。
また、本発明の組成物を用いて得られる硬化膜は、優れた低反射性を有する点で、400~1100nmの波長領域における膜厚2.0μmあたりの最大反射率(入射角5°)が、5%未満が好ましく、3%未満がより好ましい。なお、下限値は特に制限されないが、一般に0%以上である。
なお、本明細書において、硬化膜の最大反射率の測定方法としては、まず、ガラス基板上に硬化膜を形成して、分光器(例えば、日本分光社製の分光器V7200のVARユニット等)を用いて入射角5°に対する反射率スペクトルを得て、波長400~1100nmの波長領域において最大反射率を示した波長の光の反射率を求める。
また、上記硬化膜は、パーソナルコンピュータ、タブレット、携帯電話、スマートフォン、及びデジタルカメラ等のポータブル機器;プリンタ複合機、及びスキャナ等のOA(Office Automation)機器;監視カメラ、バーコードリーダ、現金自動預け払い機(ATM:automated teller machine)、ハイスピードカメラ、及び顔画像認証を使用した本人認証機能を有する機器等の産業用機器;車載用カメラ機器;内視鏡、カプセル内視鏡、及びカテーテル等の医療用カメラ機器;並びに、生体センサ、バイオセンサー、軍事偵察用カメラ、立体地図用カメラ、気象及び海洋観測カメラ、陸地資源探査カメラ、及び宇宙の天文及び深宇宙ターゲット用の探査カメラ等の宇宙用機器;等に使用される光学フィルタ及びモジュールの遮光部材及び遮光膜、更には反射防止部材及び反射防止膜に好適である。
上記硬化膜は、マイクロLED(Light Emitting Diode)及びマイクロOLED(Organic Light Emitting Diode)等の用途にも使用できる。上記硬化膜は、マイクロLED及びマイクロOLEDに使用される光学フィルタ及び光学フィルムのほか、遮光機能又は反射防止機能を付与する部材に対して好適である。
マイクロLED及びマイクロOLEDの例としては、特表2015-500562号公報及び特表2014-533890号公報に記載された例が挙げられる。
上記硬化膜は、量子ドットセンサー及び量子ドット固体撮像素子に使用される光学及び光学フィルムとしても好適である。また、遮光機能及び反射防止機能を付与する部材として好適である。量子ドットセンサー及び量子ドット固体撮像素子の例としては、米国特許出願公開第2012/37789号及び国際公開第2008/131313号パンフレットに記載された例等が挙げられる。
〔遮光膜、並びに、固体撮像素子及び固体撮像装置〕
本発明の組成物を用いて得られる硬化膜は、いわゆる遮光膜として使用するのも好ましい。このような遮光膜は、固体撮像素子に使用するのも好ましい。
なお、遮光膜は、本発明の組成物を用いて得られる硬化膜における好ましい用途の1つであって、上記遮光膜の製造は、上述の硬化膜の製造方法として説明した方法で同様に行える。具体的には、基板に組成物を塗布して、組成物層を形成し、露光、及び現像して遮光膜を製造できる。
また、本発明の固体撮像素子は、上述した本発明の組成物を用いて得られる硬化膜(遮光膜)を有する固体撮像素子である。
上述の通り、本発明に係る固体撮像素子は、上記硬化膜(遮光膜)を含む。固体撮像素子が硬化膜(遮光膜)を含む形態としては特に制限されず、例えば、基板上に、固体撮像素子(CCDイメージセンサ、CMOSイメージセンサ等)の受光エリアを構成する複数のフォトダイオード及びポリシリコン等からなる受光素子を有し、支持体の受光素子形成面側(例えば、受光部以外の部分及び/又は色調整用画素等)又は形成面の反対側に硬化膜を有する形態が挙げられる。
また、硬化膜(遮光膜)を光減衰膜として使用する場合、例えば、一部の光が光減衰膜を通過した上で受光素子に入射するように、光減衰膜を配置すれば、固体撮像素子のダイナミックレンジを改善できる。
固体撮像装置は、上記固体撮像素子を含む。
〔画像表示装置〕
本発明の組成物を用いて得られる硬化膜は、画像表示装置に適用するのも好ましい。
本発明の画像表示装置は、本発明の組成物を用いて得られる硬化膜を含む。
画像表示装置が硬化膜を有する形態としては、例えば、硬化膜がブラックマトリクスに含有され、このようなブラックマトリクスを含むカラーフィルタが、画像表示装置に使用される形態が挙げられる。
次に、ブラックマトリクス及びブラックマトリクスを含むカラーフィルタについて説明し、更に、画像表示装置の具体例として、このようなカラーフィルタを含む液晶表示装置について説明する。
<ブラックマトリクス>
本発明の組成物を用いて得られる硬化膜は、ブラックマトリクスに含まれるのも好ましい。ブラックマトリクスは、カラーフィルタ、固体撮像素子、及び液晶表示装置等の画像表示装置に含まれる場合がある。
ブラックマトリクスとしては、上記で既に説明したもの;液晶表示装置等の画像表示装置の周縁部に設けられた黒色の縁;赤、青、及び緑の画素間の格子状、及び/又はストライプ状の黒色の部分;TFT(thin film transistor)遮光のためのドット状、及び/又は線状の黒色パターン;等が挙げられる。このブラックマトリクスの定義については、例えば、菅野泰平著、「液晶ディスプレイ製造装置用語辞典」、第2版、日刊工業新聞社、1996年、p.64に記載がある。
ブラックマトリクスは表示コントラストを向上させるため、また薄膜トランジスタ(TFT)を用いたアクティブマトリックス駆動方式の液晶表示装置の場合には光の電流リークによる画質低下を防止するため、高い遮光性(光学濃度ODで3以上)を有するのが好ましい。
ブラックマトリクスの製造方法としては特に制限されないが、上記の硬化膜の製造方法と同様の方法により製造できる。具体的には、基板に組成物を塗布して、組成物層を形成し、露光、及び現像してパターン状の硬化膜(ブラックマトリクス)を製造できる。なお、ブラックマトリクスとして用いられる硬化膜の膜厚としては、0.1~4.0μmが好ましい。
上記基板は特に制限されないが、可視光(波長400~800nm)に対して80%以上の透過率を有するのが好ましい。このような基材の材料としては、例えば、ソーダライムガラス、無アルカリガラス、石英ガラス、及びホウケイ酸ガラス等のガラス;ポリエステル系樹脂、及びポリオレフィン系樹脂等のプラスチック;等が挙げられ、耐薬品性、及び耐熱性の観点から、無アルカリガラス、又は石英ガラス等が好ましい。
<カラーフィルタ>
本発明の組成物を用いて得られる硬化膜は、カラーフィルタに含まれるのも好ましい。
カラーフィルタが硬化膜を含む形態としては、特に制限されないが、基板と、上記ブラックマトリクスと、を備えるカラーフィルタが挙げられる。すなわち、基板上に形成された上記ブラックマトリクスの開口部に形成された赤色、緑色、及び青色の着色画素と、を備えるカラーフィルタが例示できる。
ブラックマトリクス(硬化膜)を含むカラーフィルタは、例えば、以下の方法により製造できる。
まず、基板上に形成されたパターン状のブラックマトリクスの開口部に、カラーフィルタの各着色画素に対応する顔料を含む組成物の塗膜(組成物層)を形成する。なお、各色用組成物は特に制限されず、公知の組成物を使用できるが、本明細書で説明した組成物において、遮光顔料を、各画素に対応した着色剤に置き換えた組成物を使用するのが好ましい。
次に、組成物層に対して、ブラックマトリクスの開口部に対応したパターンを有するフォトマスクを介して露光する。次いで、現像処理により未露光部を除去した後、ベークしてブラックマトリクスの開口部に着色画素を形成できる。一連の操作を、例えば、赤色、緑色、及び青色顔料を含む各色用組成物を用いて行えば、赤色、緑色、及び青色画素を有するカラーフィルタを製造できる。
<液晶表示装置>
本発明の組成物を用いて得られる硬化膜は、液晶表示装置に含まれるのも好ましい。液晶表示装置が硬化膜を含む形態としては特に制限されないが、すでに説明したブラックマトリクス(硬化膜)を含むカラーフィルタを含む形態が挙げられる。
液晶表示装置としては、例えば、対向して配置された一対の基板と、それらの基板の間に封入されている液晶化合物とを備える形態が挙げられる。上記基板としては、ブラックマトリクス用の基板として既に説明したとおりである。
上記液晶表示装置の具体的な形態としては、例えば、使用者側から、偏光板/基板/カラーフィルタ/透明電極層/配向膜/液晶層/配向膜/透明電極層/TFT(Thin Film Transistor)素子/基板/偏光板/バックライトユニットをこの順に含む積層体が挙げられる。
なお、液晶表示装置としては、上記に制限されず、例えば「電子ディスプレイデバイス(佐々木 昭夫著、(株)工業調査会 1990年発行)」、「ディスプレイデバイス(伊吹 順章著、産業図書(株)平成元年発行)」等に記載されている液晶表示装置が挙げられる。また、例えば「次世代液晶ディスプレイ技術(内田 龍男編集、(株)工業調査会 1994年発行)」に記載されている液晶表示装置が挙げられる。
〔赤外線センサ〕
本発明の組成物を用いて得られる硬化膜は、赤外線センサに含まれるのも好ましい。
次に、上記赤外線センサを適用した固体撮像装置について説明する。
上記固体撮像装置は、レンズ光学系と、固体撮像素子と、赤外発光ダイオード等を含む。なお、固体撮像装置の各構成については、特開2011-233983号公報の段落0032~0036を参酌でき、この内容は本明細書に組み込まれる。
以下に実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、及び処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す実施例により限定的に解釈されるべきものではない。
[顔料分散液の調製]
以下に示す原料を用いて、顔料分散液を調製した。
〔顔料分散液の原料〕
<カーボンブラック>
カーボンブラックとして、以下に示すCB-1~CB-6を使用した。
・CB-1:#2350(平均一次粒子径15nm、pH2.5、三菱ケミカル社製)
・CB-2:MA77(平均一次粒子径23nm、pH2.5、三菱ケミカル社製)
・CB-3:Raven1080(平均一次粒子径28nm、pH2.4、コロンビアケミカルズ社製)
・CB-4:MA220(平均一次粒子径55nm、pH3.0、三菱ケミカル社製)
・CB-5:#2600(平均一次粒子径13nm、pH6.5、三菱ケミカル社製)
・CB-6:プリンテックス45(平均一次粒子径26nm、pH9.5、オリオン・エンジニアドカーボンズ社製)
<金属含有粒子(窒化物又は酸窒化物)>
金属含有粒子として、以下に示すP-1~P-3を使用した。
・P-1:13M-T(酸窒化チタン、三菱マテリアル社製)
・P-2:チタン窒化物粒子(Hefei Kaler製)
・P-3:酸窒化ジルコニウム粒子(三菱マテリアル社製)
<硫酸バリウム>
硫酸バリウムとして、以下に示すBS-1を使用した。
・BS-1:BF-20(堺化学工業社製)(平均粒子径:0.03μm、pH:10)
<銅フタロシアニン類>
銅フタロシアニン類として、以下に示すCP-1~CP-3を使用した。
・CP-1:ピグメントブルー15(銅フタロシアニン、東京化成工業社製)
・CP-2:銅フタロシアニン-3,4’,4’’,4’’’-テトラスルホン酸四ナトリウム塩(銅フタロシアニン誘導体、Sigma-Aldrich社製)
・CP-3:Solsperse5000 (銅フタロシアニン誘導体、Lubrizol社製)
なお、「CP-3(Solsperse5000)」は、スルホン酸基を有する銅フタロシアニンとジメチルジオクタデシルアンモニウムとから構成される塩に該当する。
<分散剤(樹脂)>
分散剤として、以下の構造の分散剤H-1~H-5を使用した。主鎖に含まれる各構造単位に記載の数値は、全構造単位に対する、各構造単位のモル%を意図する。側鎖に含まれる各構造単位に記載の数値は、繰り返し数を表す。
・H-1:下記構造の分散剤(酸価=103mgKOH/g、アミン価=103mgKOH/g、重量平均分子量=13,000)
・H-2:下記構造の分散剤(酸価=58mgKOH/g、重量平均分子量=32,000)
・H-3:下記構造の分散剤(酸価=33mgKOH/g、アミン価=44mgKOH/g、重量平均分子量=23,000)
・H-4:Disperbyk167(BYK社製)(アミン価=13mgKOH/g)
・H-5:Disperbyk161(BYK社製)(アミン価=11mgKOH/g)
<溶剤>
・PGMEA(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)
・酢酸ブチル
・シクロペンタノン
〔顔料分散液の調製〕
まず、表1の各成分を記載の配合量にて、攪拌機(IKA社製EUROSTAR)によって15分間混合して混合液を得た。次に、得られた混合液に対して、シンマルエンタープライゼス製のNPM-Pilotを使用して下記条件にて分散処理を行い、顔料分散液を得た。
<分散条件>
・ビーズ径:φ0.05mm、(ニッカトー製ジルコニアビーズ、YTZ)
・ビーズ充填率:65体積%
・ミル周速:10m/sec
・セパレータ周速:13m/s
・分散処理する混合液量:15kg
・循環流量(ポンプ供給量):90kg/hour
・処理液温度:19~21℃
・冷却水:水
・処理時間:22時間程度
顔料分散液の組成を下記表1に示す。
[組成物の調製]
以下に示す原料を用いて、組成物を調製した。
〔組成物の原料〕
<顔料分散液>
顔料分散液として、上段部で調製した顔料分散液(分散液1~23、比較用分散液1~2)を使用した。
<アルカリ可溶性樹脂>
アルカリ可溶性樹脂として、以下の樹脂C-1~C-16を用いた。以下に樹脂C-1~C-16のそれぞれの構造を示す。各構造単位に記載の数値は、全構造単位に対する、各構造単位のモル%を意図する。
・C-1:下記構造の樹脂(酸価=70mgKOH/g 重量平均分子量=11,000)
・C-2:下記構造の樹脂(酸価=110mgKOH/g 重量平均分子量=33,000)
・アルカリ可溶性樹脂として、以下の樹脂C-3を以下のように合成した。
メタクリル酸メチル(173.7g)、メタクリル酸(20.0g)、2-ヒドロキシエチルメタクリレート(6.3g)を混合し、原料モノマー溶液を調製した。また、上記原料モノマーの合計質量に対して2mol%の熱重合開始剤(和光純薬工業(株)製V-601)と、上記原料モノマーの合計質量に対して111質量%の1-メトキシ-2-プロパノールとを混合した混合液を調製した。この混合液を、80℃に加熱した上記原料モノマーの合計質量に対して74質量%の1-メトキシ-2-プロパノールに対して2時間かけて滴下したのち(滴下重合)、80℃で2時間、更に90℃で3時間加熱した。得られた樹脂溶液を水1000g撹拌しているところに滴下し、その懸濁液をろ取することで樹脂C-3を合成した。
・樹脂C-4~C-C-16の合成
樹脂C-3と同様にして、下記表2に記載のユニットをもつアルカリ可溶性樹脂現像樹脂を合成した。
表2中の「共重合成分種」は、各ポリマーに含まれるユニット1~ユニット4の種類を表す。
表2中の「共重合成分比(質量%)」は、ポリマーの全繰り返し単位に対する、各ユニット1~4の含有量(質量%)を表す。
<第1重合性化合物>
第1重合性化合物として、以下のD-1-2~D-1-6を用いた。なお、D-1-1は、第1重合性化合物と第2重合性化合物とを含む混合物に該当する。
・D-1-1:ビスコート#802(大阪有機化学工業社製、6官能及び10官能を含む8官能アクリレート)
・D-1-2:CN9013(サートマー社製、9官能モノマー)
・D-1-3:CN2304(サートマー社製、18官能モノマー)
・D-1-4:UA-306H(共栄社化学社製、10官能モノマー)
・D-1-5:下記構造の化合物
・D-1-6:下記構造の化合物
<第2重合性化合物>
第2重合性化合物として、以下のD-2-1~D-2-3を用いた。
・D-2-1:下記構造の化合物
・D-2-2:NKエステル A-TMMT (新中村化学工業製、4官能モノマー)
・D-2-3:アロニックスM-309 (東亞合成製、3官能モノマー)
<重合開始剤>
重合開始剤として、以下のE-1~E-10を用いた。
・E-1:IRGACURE OXE01 (BASF製、オキシムエステル系重合開始剤)
・E-2:IRGACURE OXE02 (BASF製、オキシムエステル系重合開始剤)
・E-3:オキシムエステル系重合開始剤(以下、構造式)
・E-4:オキシムエステル系重合開始剤(以下、構造式)
・E-5:NCI-831(ADEKA製、オキシムエステル系重合開始剤)
・E-6:下記構造の化合物(既述の式(1)で表される化合物に該当。オキシムエステル系重合開始剤)
・E-7:IRGACURE 379 (BASF製、非オキシムエステル系重合開始剤)
・E-8:NCI-730(ADEKA製、オキシムエステル系重合開始剤)
・E-9:下記構造の化合物(オキシムエステル系重合開始剤)
・E-10:Omnirad1316(IGM社、オキシムエステル系重合開始剤)
<シリカ>
シリカとして、以下のS-1~S-5を用いた。
・S-1:IPA-ST (日産化学製イソプロピルアルコール分散シリカゾル、平均粒子径12nm、固形分30質量%)
・S-2:IPA-ST-L (日産化学製イソプロピルアルコール分散シリカゾル、平均粒子径45nm、固形分30質量%)
・S-3:IPA-ST-ZL (日産化学製イソプロピルアルコール分散シリカゾル、平均粒子径80nm、固形分30質量%)
・S-4:QSG-170(信越化学製シリカゾル、平均粒子径170nm、固形分100質量%)
・S-5:MEK-AC-2140Z (日産化学製メチルエチルケトン分散シリカゾル、平均粒子径12nm、固形分45質量%)
<溶剤>
・PGMEA(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)
<密着剤>
密着剤として、以下のG-1を用いた。
・G-1:EHPE 3150 (ダイセル製)(エポキシ基を含む化合物)
<界面活性剤>
界面活性剤として、以下のW-1~W-4を用いた。
・W-1:KF-6000 (シリコーン系界面活性剤(カルビノール変性シリコーン;ジメチル型)、信越化学工業製)
・W-2:Dowsil SH-8400 Fluid (シリコーン系界面活性剤(EO変性シリコーン;ジメチル型)、Dow製)
・W-3:KP323 (シリコーン系界面活性剤(フェニル変性型シリコーン)、信越化学工業製)
・W-4:フタージェント601AD(フッ素系界面活性剤、株式会社ネオス)
〔組成物の調製〕
表1に記載の顔料分散液に、表3~6の各成分を記載の配合量にて混合して、実施例及び比較例の各組成物を得た。
得られた組成物の組成を表3~6に示す。
[評価]
得られた組成物を用いて、以下の評価を実施した。
〔OD値及び反射率の評価〕
<硬化膜付き基板の作製>
上記で得られた各組成物をガラス基板上にスピンコート法により塗布し、露光後の膜厚が2.0μmになるような塗膜を作製した。得られた塗膜に対して100℃で120秒間のプリベークを実施した後、UX-1000SM-EH04(ウシオ電機社製)を用いて、基板全面に対して高圧水銀ランプ(ランプパワー50mW/cm)にて1000mJ/cmの露光量で露光処理を実施した。次いで、露光後の基板に対して220℃で300秒間のポストベークを実施し、硬化膜(遮光膜)付き基板を得た。
<OD値の測定(遮光性の評価)>
上記<硬化膜付き基板の作製>で得られた硬化膜付き基板について、分光光度計U-4100(日立ハイテクノロジーズ社製)及び積分球型受光ユニットにより、波長400~700nmの範囲での透過率スペクトルを測定した。
最大透過率を示す波長における透過率(%)の値から次の式よりOD値を算出し、下記評価基準に基づいて評価を実施した。
OD=-log10(透過率/100)
(評価基準)
「A」:OD値が、3.5以上
「B」:OD値が、2.5以上、3.5未満
「C」:OD値が、1.0以上2.5未満、
「D」:OD値が、1.0未満
<反射率の評価>
上記<硬化膜付き基板の作製>で得られた硬化膜付き基板に対し、日本分光株式会社製分光器V7200(商品名)VARユニットを用いて角度5°の入射角で波長350~1200nmの光を入射し、得られた反射率スペクトルより、各波長の反射率を評価した。具体的には、波長400~700nmの範囲で最大反射率を示した波長の光の反射率を評価の基準として、下記評価基準に基づいて評価を実施した。
(評価基準)
「A」:反射率が1%未満
「B」:反射率が1%以上2%未満
「C」:反射率が2%以上4%未満
「D」:反射率が4%以上
〔経時粘度安定性の評価〕
上記で得られた各組成物において、それぞれ、静置処理前の組成物の粘度(mPa・s)を、以下に示す測定条件にて、RE-85L(東機産業社製)を使用して測定した。上記測定後、組成物を7℃、遮光下の条件にて360日静置(静置処理)した後、静置処理後の組成物の粘度(mPa・s)を、以下に示す測定条件にて、RE-85L(東機産業社製)を使用して測定した。
《粘度測定条件》
上述の静置処理前後の組成物の粘度は、いずれも、温度22±5℃、湿度60±20%に管理した実験室で、組成物の温度を25℃に調整した状態で測定した。
上記静置処理前後での粘度の変化率を評価の基準として、下記評価基準に基づいて経時粘度安定性の評価を実施した。
(評価基準)
「A」:粘度変化率が3%未満
「B」:粘度変化率が3%以上5%未満
「C」:粘度変化率が5%以上10%未満
「D」:粘度変化率が10%以上
〔耐熱性試験の前後における反射率変化の評価〕
上記<硬化膜付き基板の作製>で得られた硬化膜付き基板を、150℃に設定した高温庫に1000時間静置(耐熱性試験)した後、耐熱性試験後の膜を、<反射率の評価>と同様の手順にて反射率を測定した。
上記耐熱性試験前の反射率の値から、耐熱性試験後の反射率の値を引いた数値の絶対値を変化幅とした。上記反射率の変化幅を評価の基準として、下記評価基準に基づいて評価を実施した。「A」~「C」の評価であれば、実用上問題ないと判断した。
(評価基準)
「A」:反射率の変化幅が0.3%未満
「B」:反射率の変化幅が0.3%以上0.8%未満
「C」:反射率の変化幅が0.8%以上1.5%未満
「D」:反射率の変化幅が1.5%以上
〔引っかき耐性の評価〕
上記<硬化膜付き基板の作製>で得られた硬化膜付き基板の硬化膜に対し、JIS K5600-5-4に記載の方法で鉛筆硬度を評価した。
(評価基準)
「A」:鉛筆硬度5H以上
「B」:鉛筆硬度4H
「C」:鉛筆硬度3H
「D」:鉛筆硬度2H以下
[結果]
試験に使用した組成物の試験の結果を下記表7~8に示す。
表7~8中、「CB/シリカ」欄は、シリカの含有量に対する、カーボンブラックの含有量の質量比を表す。
表7~8中、「硫酸バリウム/シリカ」欄は、シリカの含有量に対する、硫酸バリウムの含有量の質量比を表す。
表7~8の結果から、実施例の組成物により作製される硬化膜は、遮光性に優れると共に、耐熱性試験の前後における硬化膜の反射率の変化が小さいことが確認された。
実施例1~4及び実施例8~11と、実施例5~7との対比から、重合性化合物中に第1重合性化合物を含む場合、引っかき耐性がより優れることが確認された。
更に、実施例1~7と実施例8~11との対比から、第1重合性化合物の含有量に対する第2重合性化合物の含有量の質量比が30/70~95/5である場合、引っかき耐性がなお一層優れることが確認された。
実施例12~17と実施例11との対比から、重合開始剤が上述した式(1)で表される化合物である場合、引っかき耐性がより優れることが確認された。
実施例19~22の対比から、シリカの平均粒子径が、5~100nm(好ましくは、10~50nm)の範囲である場合、耐熱性試験の前後における反射率の変化がより小さくなることが確認された。
実施例19と実施例43との対比から、組成物が銅フタロシアニン類を含む場合、経時粘度安定性がより優れることが確認された。
更に、実施例24及び25と、実施例26との対比から、銅フタロシアニン類が、スルホン酸基を有する銅フタロシアニンとジメチルジオクタデシルアンモニウムとから構成される塩である場合、経時粘度安定性がなお一層優れることが確認された。
実施例28、32及び33と、実施例31との対比から、シリカの含有量に対する硫酸バリウムの含有量の質量比が、0.25以上である場合、反射率又は経時粘度安定性がより優れることが確認された。
実施例28、32及び33と、実施例34との対比から、シリカの含有量に対する硫酸バリウムの含有量の質量比が、4.0以下である場合、遮光性又は経時粘度安定性がより優れることが確認された。
実施例45と実施例36,44との対比から、シリコーン系界面活性剤が、フェニル基を有する場合、引っかき耐性がより優れることが確認された。また、実施例36、44、35と実施例46との対比から界面活性剤がシリコーン系界面活性剤の場合には、耐熱性試験の前後における反射率の変化がより優れることが確認された。
実施例59と実施例58との対比から、シリカの含有量に対するカーボンブラックの含有量の質量比が、99以下である場合、反射率、及び、耐熱性試験の前後における反射率の変化がより優れることが確認された。
更に、実施例36及び実施例60~62と、実施例59との対比から、シリカの含有量に対するカーボンブラックの含有量の質量比が、30以下である場合、反射率、及び、耐熱性試験の前後における反射率の変化がなお一層優れることが確認された。
実施例63と実施例64との対比から、シリカの含有量に対するカーボンブラックの含有量の質量比が、3.0以上である場合、経時粘度安定性がより優れることが確認された。
更に、実施例36及び実施例60~62と、実施例63との対比から、シリカの含有量に対するカーボンブラックの含有量の質量比が、4.0以上である場合、経時粘度安定性がなお一層優れることが確認された。
実施例36と実施例52との比較から、本発明の組成物中におけるカーボンブラックの含有量が、組成物の全固形分に対して、30質量%以上の場合、遮光性がより優れることが確認された。
実施例71~84と実施例1、69、70との比較から、本発明の組成物中におけるアルカリ可溶性樹脂が、特定の構造を有する場合に反射率がより優れることが確認された。これは、特定の構造を有するアルカリ可溶性樹脂が相分離を起こすことにより、表面に数μm周期の凸凹構造を形成するためである。
〔遮光性組成物Aの調製〕
分散液24(57.8質量部)、樹脂C-8(6.9質量部)、重合性化合物としてD-2-1(7.8質量部)、重合性開始剤としてE-1(1.1質量部)、E-5(1.1質量部)、溶剤としてシクロペンタノン(11.6質量部)、プロピレングリコールモノメチルエーテル(10質量部)、PGMEA(3.6質量部)、及び、界面活性剤としてW-1(0.02質量部)を混合して、遮光性組成物Aを作製した。
〔遮光パターン/ブラックマトリックス付きガラスの作製〕
遮光性組成物Aを10cm角のガラス基板上にスピンコート法により塗布し、露光後の膜厚が5.0μmになるような塗膜を作製した。得られた塗膜に対して90℃で120秒間のプリベークを実施した後、EVG610(EVG社製)を用いて、外寸10mm、内寸9.5mm、幅0.5mmの額縁状のパターンを形成できるマスクを通して高圧水銀ランプ(ランプパワー20mW/cm)にて200mJ/cmの露光量で露光処理を実施した。水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)0.3質量%水溶液を用い、23℃で60秒間パドル現像を行った。その後、純水を用いてスピンシャワーにてリンスを行った。次いで、ホットプレートを用い、200℃で5分間加熱(ポストベーク)することで、額縁状のパターンを形成した。
上記額縁状遮光パターン付ガラスに、実施組成物71をスピンコート法により塗布し、露光後の膜厚が2.0μmになるような塗膜を作製した。得られた塗膜に対して90℃で120秒間のプリベークを実施した後、EVG610(EVG社製)を用いて、額縁パターン内に線幅100μm、線間600μmの格子状のパターンを作製できるマスクを通して高圧水銀ランプ(ランプパワー20mW/cm)にて200mJ/cmの露光量で露光処理を実施した。水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)0.3質量%水溶液を用い、23℃で60秒間パドル現像を行った。その後、純水を用いてスピンシャワーにてリンスを行った。次いで、ホットプレートを用い、200℃で5分間加熱(ポストベーク)することで、ブラックマトリックスパターンを形成した。本パターンは高遮光性と低反射率の特性を有しており、遮光パターンとして優れているものであった。

Claims (23)

  1. カーボンブラックと、シリカと、硫酸バリウムと、重合性化合物と、重合開始剤と、を含む、組成物。
  2. 前記重合性化合物が、重合性基を7個以上有する第1重合性化合物を含む、請求項1に記載の組成物。
  3. 前記重合性化合物が、重合性基を6個以下有する第2重合性化合物を含み、
    前記第1重合性化合物の含有量に対する前記第2重合性化合物の含有量の質量比が30/70~95/5である、請求項2に記載の組成物。
  4. 前記第1重合性化合物が有する前記重合性基、及び、前記第2重合性化合物が有する前記重合性基が、いずれもアクリロイル基、又は、メタクリロイル基である、請求項3に記載の組成物。
  5. 前記重合開始剤が、下記式(1)で表される化合物を含む、請求項1~4のいずれか1項に記載の組成物。
    式(1)中、Rは、以下の式(1a)で表される基を表す。
    式(1a)中、nは、1~5の整数を表す。mは、1~6の整数を表す。*は、結合位置を表す。
  6. 更に、金属窒化物及び金属酸窒化物からなる群から選ばれる1種以上の金属含有粒子を含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の組成物。
  7. 前記組成物が金属窒化物及び金属酸窒化物からなる群から選ばれる1種以上の金属含有粒子を含まない場合、前記カーボンブラックの含有量が、前記組成物の全固形分に対して、10~55質量%であり、
    前記組成物が金属窒化物及び金属酸窒化物からなる群から選ばれる1種以上の金属含有粒子を含む場合、前記カーボンブラック及び前記金属含有粒子の合計含有量が、前記組成物の全固形分に対して、10~55質量%である、請求項1~5のいずれか1項に記載の組成物。
  8. 前記シリカの平均粒子径が、3~200nmである、請求項1~7のいずれか1項に記載の組成物。
  9. 前記硫酸バリウムの平均粒子径が、3~200nmである、請求項1~8のいずれか1項に記載の組成物。
  10. 更に、シリコーン系界面活性剤を含む、請求項1~9のいずれか1項に記載の組成物。
  11. 前記シリコーン系界面活性剤が、フェニル基を有する界面活性剤である、請求項10に記載の組成物。
  12. 更に、銅フタロシアニン及び銅フタロシアニン誘導体からなる群から選ばれる銅フタロシアニン類を含む、請求項1~11のいずれか1項に記載の組成物。
  13. 前記銅フタロシアニン誘導体が、スルホン酸基を有する銅フタロシアニンとジメチルジオクタデシルアンモニウムとから構成される塩である、請求項12に記載の組成物。
  14. 前記銅フタロシアニン類の合計含有量に対する、前記カーボンブラックの含有量の質量比が、4.0~99である、請求項12又は13に記載の組成物。
  15. 前記シリカの含有量に対する、前記カーボンブラックの含有量の質量比が、3.0~99である、請求項1~14のいずれか1項に記載の組成物。
  16. 前記硫酸バリウムの含有量に対する、前記カーボンブラックの含有量の質量比が、1.5~99である、請求項1~15のいずれか1項に記載の組成物。
  17. 前記シリカの含有量に対する、前記硫酸バリウムの含有量の質量比が、0.25~4.0である、請求項1~16のいずれか1項に記載の組成物。
  18. 前記組成物の固形分の含有量が、前記組成物の全質量に対して、10~45質量%である、請求項1~17のいずれか1項に記載の組成物。
  19. 遮光膜形成用組成物である、請求項1~18のいずれか1項に記載の組成物。
  20. 請求項1~19のいずれか1項に記載の組成物から形成された硬化膜を含む、遮光膜。
  21. 請求項1~19のいずれか1項に記載の組成物から形成された硬化膜を含む、固体撮像素子。
  22. 請求項1~19のいずれか1項に記載の組成物から形成された硬化膜を含む、画像表示装置。
  23. 支持体上に、請求項1~19のいずれか1項に記載の組成物を用いて組成物層を形成する組成物層形成工程と、
    活性光線又は放射線を照射して前記組成物層を露光する露光工程と、
    露光後の前記組成物層に対して現像処理を実施する現像工程と、を有する硬化膜の製造方法。
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