JP3960882B2 - Method for producing titania nanocrystallite dispersed thin film pattern - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、チタニアナノ微結晶分散薄膜パターンの製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、チタニアナノ微結晶分散薄膜が、基体の任意の部位に、サブミクロンオーダーの任意のパターンとして分散されているチタニアナノ微結晶分散薄膜パターンの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】
従来より、チタニアのもつ光触媒活性および超親水性等といった特性が注目されており、チタニア薄膜をはじめとし、シリカとチタニアを主成分とするチタニア分散薄膜(SiO2−TiO2系薄膜)等といった、チタニアを含有する薄膜を用いた、浄化、抗菌、防汚等の幅広い機能を有する物品の開発が進められ、実用化されている。
【0003】
そして、このチタニア分散薄膜(SiO2−TiO2系薄膜)については、この出願の発明者らにより、チタニウムアルコキシドとシリコンアルコキシドをからなるゾルを塗布してゲル膜を作製し、これを温水という温和な条件で処理することにより、アナターゼ型チタニア微結晶が析出されたチタニア微結晶分散薄膜を製造する方法(PCT/JP99/00477)や、SiO2−TiO2ゲルの組成を厳密に制御して温水処理することにより、超親水性や優れた光触媒活性を示す、0.7nm近傍の層間距離を有するチタニア微結晶が表面に析出されたチタニア微結晶分散透明薄膜を製造する方法(特願2000−289528)、さらには、振動を伴った温水処理を施すことにより、高い光触媒活性を示すとともに、優れた超親水性および防曇性を長時間維持することができる、チタニアナノシートが配向析出された新規なチタニアナノシート配向薄膜の製造方法(特願2002−053480)等が提案されている。
【0004】
しかしながら、これらの方法で得られるチタニア分散薄膜は、高い光触媒活性を示すものの、光触媒反応の反応選択性がなく、接触しているほとんど全ての有機物を分解してしまうという欠点があった。すなわち、たとえば、このチタニア分散薄膜においては、超撥水性を示すフルオロアルキルシランを塗布し、フォトマスクを介して紫外線照射することで、任意の超親水−超撥水パターンを形成することができるのであるが、この超親水−超撥水パターンの超撥水部は、長期の使用における紫外線の照射により分解されてしまう。このように、従来のチタニア分散薄膜は、意匠や他の機能性を付与する目的で基体上に配設した有機物等をも分解してしまっていたのである。
【0005】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、チタニアナノ微結晶分散薄膜が、基体の任意の部位に、サブミクロンオーダーの任意のパターンとして分散されているチタニアナノ微結晶分散薄膜パターンの製造方法を提供することを課題としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
そこで、この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、以下の通りの発明を提供する。
【0007】
すなわち、まず第1には、この出願の発明は、シリコンアルコキシド、加水分解性を有するチタニウム化合物およびβ−ジケトンを含む溶液から、β−ジケトンで修飾されたシリコンアルコキシドとチタニウム化合物の複合金属酸化物あるいは水酸化物を含む膜を形成し、この膜を所望のパターンでマスクして紫外線を照射し、紫外線照射部を硬化させた後、非照射部をエッチングし、次いで、水または温水と接触させて、紫外線照射部の表面にチタニア微結晶を析出させることを特徴とするチタニアナノ微結晶分散薄膜パターンの製造方法を提供する。
【0008】
そしてこの出願の発明は、上記の発明において、第2には、β−ジケトンが、アセチルアセトン、エチルアセトアセテート、ベンゾイルアセトンのいずれか1種または2種以上の混合物であることを特徴とするチタニアナノ微結晶分散薄膜パターンの製造方法を、第3には、シリコンアルコキシドとチタニウム化合物の配合が、モル比で、SiO2:TiO2=5:1〜1:3となる範囲であることを特徴とするチタニアナノ微結晶分散薄膜パターンの製造方法を、第4には、そのシリコンアルコキシドとチタニウム化合物の配合が、モル比で、SiO2:TiO2=3:1であることを特徴とするチタニアナノ微結晶分散薄膜パターンの製造方法を、第5には、β−ジケトンを、チタニウム化合物に対して、モル比で、1:0.5〜10の割合で添加することを特徴とするチタニアナノ微結晶分散薄膜パターンの製造方法を、第6には、そのβ−ジケトンを、チタニウム化合物に対して、モル比で、1:2の割合で添加することを特徴とするチタニアナノ微結晶分散薄膜パターンの製造方法を、第7には、酸、アルカリ、酸性塩あるいはアルカリ性塩溶液をエッチング溶液としてエッチングすることを特徴とするチタニアナノ微結晶分散薄膜パターンの製造方法を、第8には、そのエッチング溶液が、NaOH溶液、KOH溶液あるいはNH3溶液のいずれであることを特徴とするチタニアナノ微結晶分散薄膜パターンの製造方法を提供する。
【0010】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【0011】
この出願の発明者らは、チタニアナノ微結晶分散薄膜の製造において、▲1▼シリコンアルコキシドおよび加水分解性を有するチタニウム化合物はβ−ジケトンとキレート化合物を作り、▲2▼このキレート化したシリコンアルコキシドおよびチタニウム化合物は、加水分解しにくいためにゲル化しにくく、さらに、▲3▼このキレート化合物におけるキレート結合は、紫外線照射で開裂する、という特性を巧みに利用して、チタニアナノ微結晶が析出した薄膜を基体の所望の位置に、任意のパターンで形成することに成功し、この出願の発明に至ったものである。
【0012】
すなわち、この出願の発明が提供するチタニアナノ微結晶分散薄膜の製造方法は、シリコンアルコキシド、加水分解性を有するチタニウム化合物およびβ−ジケトンを含む溶液から、β−ジケトンで修飾されたシリコンアルコキシドとチタニウム化合物の複合金属酸化物あるいは水酸化物を含む膜を形成し、この膜を所望のパターンでマスクして紫外線を照射し、紫外線照射部を硬化させた後、非照射部をエッチングし、次いで、水または温水と接触させて、紫外線照射部の表面にチタニア微結晶を析出させることを特徴としている。
【0013】
この出願の発明において、シリコンアルコキシドは、たとえば一般式Si(OR)4で表される各種のものを使用することができる。ここで、アルコキシル基ORを構成する有機基Rとしては、たとえば、炭素数1〜6の、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基等の同一または別異の低級アルキル基を挙げることができる。より具体的には、たとえば、シリコンテトラエトキシドを用いることが、好適な例として示される。
【0014】
また、加水分解性を有するチタニウム化合物としては、一例として、金属有機化合物であるチタニウムアルコキシド、しゅう酸チタン、金属無機化合物として硝酸チタン、四塩化チタン等を用いることができ、より好ましくは、チタニウムアルコキシドを用いることが例示される。このチタニウムアルコキシドとしては、具体的には、例えば、テトラメトキシチタン、テトラエトキシチタン、テトラn−プロポキシチタン、テトライソプロポキシチタン、テトラn−ブトキシチタン、テトライソブトキシチタン等を例示することができる。
【0015】
β−ジケトンとしては、一般式R1COCH2COR2で示される各種のものを使用することができる。ここで、式中のR1,R2は有機基を示し、たとえば、メチル基、エチル基等の脂肪族炭化水素基、フェニル基、ベンジル基等の芳香族炭化水素基、メトキシ基、エトキシ基等のエーテル基等から、同一または異種のものを選択することができる。この出願の発明においては、β−ジケトンとして、アセチルアセトン、エチルアセトアセテートあるいはベンゾイルアセトンのいずれか1種または2種以上の混合物を用いることが好ましい例として示される。
【0016】
これらの出発材料を有機溶媒に溶解させて溶液を調整する。溶液の調製に際しては、たとえば、シリコンアルコキシドを有機溶媒に溶解させたシリコンアルコキシド溶液と、チタニウム化合物およびβ−ジケトンを有機溶媒に溶解させたチタニウム溶液とを混合するようにすると簡便である。もちろん、これに限定されることなく、シリコンアルコキシド溶液にβ−ジケトンを加えたり、全てを同一に混合するなどしてもよい。
【0017】
ここで、有機溶媒としては、たとえば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、イソプロピルアルコール、1−ブタノール、2−ブタノール、イソブチルアルコール、ter−ブチルアルコール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール等を使用することができる。また、これらの溶液には、必要に応じて、アルコキシル基の加水分解を促進したり脱水縮合反応を促進するための触媒や水を添加してもよい。この触媒としては、たとえば、硝酸、塩酸、硫酸、燐酸、酢酸、アンモニア等を用いることが例示される。
【0018】
これらの溶液の配合は、シリコンアルコキシドに加える有機溶媒および水については、モル比で、それぞれ1〜8,1〜6程度、チタニウム化合物に加える有機溶媒については、モル比で20程度とすることが適当である。また、β−ジケトンは、たとえばチタニウム化合物に対して、モル比で、0.5〜10程度、より好ましくは2程度となるように添加することが例示される。
【0019】
また、シリコンアルコキシド溶液とチタニウム溶液は、シリコンアルコキシドとチタニウム化合物が、モル比で、SiO2:TiO2=5:1〜1:3の範囲、より好ましくは、3:1付近となるように調整することができる。チタニウム化合物とシリコンアルコキシドのモル比を3:1付近とすることで、得られるチタニア微結晶分散薄膜部分の光触媒活性をより高めることができる。
【0020】
このようにして調製されたシリコンアルコキシド、チタニウム化合物およびβ−ジケトンを含む溶液を、基体上に塗布するなどして、β−ジケトンで修飾されたシリコンアルコキシドとチタニウム化合物の複合金属酸化物あるいは水酸化物を含む膜を形成する。
【0021】
この膜形成は、ディップコーティング法、スプレー法、スピンコーティング法等の各種の方法を利用して、任意の基体に対して行なうことができる。基体は、その材質および形状等に特に制限されず、たとえば、ガラス材料、金属材料、無機質材料、プラスチック材料、紙、木質材料等の各種の材料を対象とすることができる。そしてこの出願の発明は100℃以下の温和な条件によりチタニア微結晶分散薄膜パターンを製造するようにしているため、たとえば、有機高分子や生体組織等を基材として用いることも可能とされる。
【0022】
シリコンアルコキシドおよびチタニウム化合物は、前記のとおり、β−ジケトンと反応してキレート化合物を形成する。そして、このキレート化したシリコンアルコキシドおよびチタニウム化合物は、加水分解しにくくゲル化しにくい状態となっている。そしてさらに、このキレート化合物におけるキレート結合は、紫外線照射で開裂するという特性がある。
【0023】
そこで、キレート化されたこの膜に対して、所望のパターンのマスクを介して、紫外線を照射する。これにより、膜の紫外線が照射された部分のみキレート結合が開列され、ゲル化が進行されることになる。一方の、紫外線が照射されていない部分においては、膜のゲル化が進行していないため、たとえば、各種の酸溶液、アルカリ溶液、酸性塩溶液あるいはアルカリ性塩溶液等をエッチング溶液として、容易にエッチングすることができる。このエッチング溶液は、より好適には、アルカリ溶液であって、NaOH溶液、KOH溶液あるいはNH3溶液のいずれかを用いることが簡便であるために好ましい。なお、紫外線照射部において、膜はゲル化するとともに緻密化され、エッチング溶液に侵されることはない。これにより、所望のパターンを備えた膜を得ることができる。
【0024】
次いで、パターン化されたこの膜を、水または温水と接触させる。この場合の温水の温度は、100℃以下とすることができ、さらには室温程度から100℃以下の、より限定的には50〜100℃程度の範囲とすることが好ましい。より効率的には、90℃程度の温水とすることができる。処理時間については、ゲル膜の組成や用いる温水の温度等によって異なるために一概には言えないが、チタニア微結晶の析出状態が所望のものとなるように任意に決定することができる。一般的には、数10分〜数時間程度を目安とすることができる。なお、この温水による処理と同時に、振動を加えることなども考慮することができる。
【0025】
これによって、紫外線照射パターンに応じて選択的にチタニア微結晶を分散させた膜を基体上に形成することができ、所望のチタニアナノ微結晶分散薄膜パターンを得ることができる。
【0026】
このようにして得られるこの出願の発明のチタニア微結晶分散薄膜パターンは、基体に任意の配列でチタニア微結晶分散薄膜が形成されており、このチタニア微結晶が析出された部分は光触媒活性が高く、超親水性、防曇性等の機能を備えている。またこのチタニア微結晶の析出パターンは、紫外線照射技術により、サブミクロンオーダーの任意の形状で制御することができる。
【0027】
さらに、この出願の発明のチタニア微結晶分散薄膜パターンにおいては、チタニア微結晶の析出部以外に、少なくとも1種の有機機能性膜を形成することができる。この有機機能性膜は、チタニアには接触しないため、長期の使用に際しても分解されることがなく、その機能を保つことができる。このような有機能性膜としては、意匠のための塗膜であったり、超撥水性膜、導電性膜や、その他の各種の機能を有する膜を考慮することができる。これらの有機機能性膜は、たとえば、上記のパターン状にチタニア微結晶が析出されたチタニア微結晶分散薄膜パターンの表面に一様に形成した後、紫外線を照射することでチタニア析出部上の有機能性膜を分解するなどして製造することができる。
【0028】
加えてこの出願の発明が提供する物品は、上記いずれかのチタニアナノ微結晶分散薄膜パターンを備えていることを特徴としている。このチタニアナノ微結晶分散薄膜パターンは、基体の材質やその部位等に制限されることなく、サブミクロンオーダーの任意のパターンで製造することができるため、他の様々な機能性膜と組み合わせることで、多様な機能を備えた物品を実現することができる。
【0029】
以下に実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【0030】
【実施例】
図1に示した工程図に沿って、この出願の発明のチタニアナノ微結晶分散薄膜パターンを製造した。
【0031】
出発物質には、シリコンアルコキシドとしてテトラエトキシシラン(Si(OEt)4:和光純薬工業(株)製、試薬特級、以下TEOSと示す)を、加水分解性を有するチタニウム化合物として、チタニウムテトラノルマルブトキシド(Ti(O−n−Bu)4:和光純薬工業(株)製、試薬1級、以下TBOTと示す)を、β−ジケトンとしてアセチルアセトン(以下、AcAcと示す)を用い、エタノール(以下、TtOHと示す)を溶媒としてゾル溶液を調製した。また、加水分解触媒として、36wt%塩酸(和光純薬工業(株)製、試薬特級)を10倍に希釈したものを用いた。
【0032】
ゾル溶液の調製は、まず、TEOS、水、EtOHを混合した溶液に3.6wt%塩酸を加えて30分間攪拌し、ここにAcAcで化学修飾したTBOTのEtOH溶液を滴下し、加水分解を促すために30分間攪拌してゾル液とした。それぞれの配合は、順にモル比で、TEOS:水:EtOH:TBOT:EtOH=83.5:16.5:334.0:417.5:330,TBOT:AcAc=1:2とした。
【0033】
このゾル溶液を、片面をメンディングテープで覆った無アルカリガラス基板に、引上げ速度を1.11mm/secとしたディップコーティング法により塗布し、基板のテープを剥がした後、90℃で1時間乾燥させて、膜(a)を得た。この膜(a)の膜厚は210nmであった。
【0034】
この膜(a)に対し、図1(1)に示したように、フォトマスクを介して紫外線を1時間照射し、次いで図1(3)に示したように、0.1MのNaOHaqに浸してエッチングして膜(b)とした。さらにこの膜(b)を基板ごと沸騰水に1時間浸漬させて、図1(4)に示したように、膜(c)を得た。なお、フォトマスクには、一辺40μmの正方形の開口部が100μm間隔で設けられたものを用いた。
【0035】
上記の膜(a)〜(c)のパターン形状を、光学顕微鏡(オリンパス光学工業(株)製、BX50)により観察し、表面形状を表面粗さ測定器(小阪研究所製、サーフコーダSE−30C)を用いて測定するとともに三次元表面粗さ形状解析ソフト(TDA−22)を用いて解析した。表面形状の測定条件は、触針の送り速さを0.5mm/s、送りピッチを10μm、ライン数101、Z倍率を50000倍とした。
【0036】
膜(a)〜(c)の、光学顕微鏡観察の結果を図2に、三次元表面粗さ形状解析の結果を図3にそれぞれ示した。図中の9つの四角い部分が紫外線照射部である。(a)では、紫外線照射部において厚さが10nm程薄く、紫外線照射により膜が緻密化されたことがわかった。(b)では、紫外線未照射部において厚さが減って基板が露出しており、紫外線未照射部はエッチングされやすく、紫外線照射によりエッチング液への溶解性が減少することがわかった。(c)では、膜が厚さ方向にのみ10〜20nm程収縮しているものの、パターン形状を保っていることが確認された。
【0037】
さらに、膜(c)については、電解放射型走査顕微鏡((株)日立製作所製、S4500型、以下FE−SEMと示す)により組織を観察した。試料は、薄膜を基板ごとダイヤモンドガラスカッターで切断して、銀ペーストで試料台に固定し、真空デシゲーター内で約30分間真空乾燥した後、クイックコーター((株)ULVAC製 VPS−020)を用いて白金スパッタして用意した。FE−SEM観察の条件は、加速電圧5〜15kV、走査距離5mmとした。
【0038】
膜(c)の、紫外線照射部(A)と紫外線未照射部(B)のFE−SEM観察の結果を図4に示した。(A)紫外線照射部には、粒状の析出物が観察されるが、(B)紫外線未照射部には観察されなかった。この粒状の析出物における電子線回折像を図5に示した。この回折パターンは、計算によって求めたアナターゼ型チタニアのパターンと極めてよく一致していることが確認された。このことから、β−ジケトン修飾し、紫外線照射とエッチングによってパターニングした膜にも、温水処理によりアナターゼ型チタニアが析出されることが示された。
【0039】
もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【0040】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明によって、チタニアナノ微結晶分散薄膜が、基体の任意の部位に、サブミクロンオーダーの任意のパターンとして分散されているチタニアナノ微結晶分散薄膜パターンの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】この出願の発明のチタニアナノ微結晶分散薄膜の製造方法を例示した工程図である。
【図2】実施例において得られた膜(a)〜(c)の光学顕微鏡観察の結果を例示した図である。
【図3】実施例において得られた膜(a)〜(c)の三次元表面粗さ形状解析の結果を例示した図である。
【図4】実施例において得られた膜(c)の紫外線照射部(A)と紫外線未照射部(B)をFE−SEM観察した結果を例示した図である。
【図5】実施例において得られた膜(c)の紫外線照射部(A)における電子線回折パターンを例示した図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The invention of this application is intended to relate to the production how the titania fine crystal dispersion film pattern. More specifically, the invention of this application, titania microcrystal dispersion thin film, an arbitrary site of the substrate, relates to the production how the titania fine crystal dispersion film patterns that are distributed as any pattern of submicron order It is.
[0002]
[Prior art and its problems]
Conventionally, titania's characteristics such as photocatalytic activity and super hydrophilicity have attracted attention, including titania thin films, titania-dispersed thin films (SiO 2 —TiO 2 based thin films) mainly composed of silica and titania, etc. Development of products having a wide range of functions such as purification, antibacterial, and antifouling using a thin film containing titania has been promoted and put into practical use.
[0003]
The mild this titania dispersion film (SiO 2 -TiO 2 based thin film) is the inventors of this application, the gel film was prepared by coating a sol consisting of a titanium alkoxide and silicon alkoxide, that warm water it By processing under various conditions, a method for producing a titania microcrystal-dispersed thin film in which anatase-type titania microcrystals are deposited (PCT / JP99 / 00477) and hot water with strictly controlled composition of SiO 2 —TiO 2 gel A method of producing a titania microcrystal-dispersed transparent thin film on which surface titania microcrystals having an interlayer distance of about 0.7 nm and exhibiting superhydrophilicity and excellent photocatalytic activity are treated (Japanese Patent Application No. 2000-289528) ) Furthermore, by applying warm water treatment with vibration, it exhibits high photocatalytic activity and excellent superhydrophilic properties. In addition, a novel method for producing a titania nanosheet oriented thin film in which titania nanosheets are oriented and deposited that can maintain antifogging properties for a long time (Japanese Patent Application No. 2002-053480) has been proposed.
[0004]
However, although the titania-dispersed thin film obtained by these methods exhibits high photocatalytic activity, there is a drawback in that there is no reaction selectivity of the photocatalytic reaction and almost all organic substances in contact are decomposed. That is, for example, in this titania-dispersed thin film, an arbitrary superhydrophilic-superhydrophobic pattern can be formed by applying a fluoroalkylsilane exhibiting superwater repellency and irradiating with ultraviolet rays through a photomask. However, the superhydrophobic portion of the superhydrophilic-superhydrophobic pattern is decomposed by irradiation with ultraviolet rays during long-term use. Thus, the conventional titania-dispersed thin film has also decomposed organic substances and the like disposed on the substrate for the purpose of imparting design and other functionality.
[0005]
Accordingly, the invention of this application has been made in view of the circumstances as described above, and titania nano fine particles in which a titania nano fine crystal-dispersed thin film is dispersed in an arbitrary pattern of a submicron order at an arbitrary portion of a substrate. It has an object to provide a manufacturing how the crystal dispersion film pattern.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the invention of this application provides the following invention as a solution to the above-mentioned problems.
[0007]
That is, firstly, the invention of this application relates to a composite metal oxide of silicon alkoxide and titanium compound modified with β-diketone from a solution containing silicon alkoxide, hydrolyzable titanium compound and β-diketone. Alternatively, a film containing hydroxide is formed, and this film is masked with a desired pattern and irradiated with ultraviolet rays. After curing the ultraviolet irradiation portion, the non-irradiation portion is etched, and then contacted with water or hot water. And providing a method for producing a titania nanocrystallite-dispersed thin film pattern, characterized in that titania microcrystals are deposited on the surface of an ultraviolet irradiation portion.
[0008]
According to the invention of this application, in the above invention, secondly, the titania nano fine particles characterized in that the β-diketone is one or a mixture of two or more of acetylacetone, ethylacetoacetate, and benzoylacetone. Thirdly, the method for producing a crystal-dispersed thin film pattern is characterized in that the silicon alkoxide and the titanium compound are mixed in a molar ratio of SiO 2 : TiO 2 = 5: 1 to 1: 3. A method for producing a titania nano fine crystal dispersed thin film pattern. Fourth, the titania nano fine crystal dispersion is characterized in that the silicon alkoxide and the titanium compound are mixed in a molar ratio of SiO 2 : TiO 2 = 3: 1. A method for producing a thin film pattern, fifthly, β-diketone is a molar ratio of 1: 0.5 to 10 with respect to the titanium compound. A sixth method for producing a titania nanocrystallite-dispersed thin film pattern, characterized in that the β-diketone is added at a molar ratio of 1: 2 with respect to the titanium compound. A method for producing a titania nano fine crystal dispersed thin film pattern characterized by the following: seventh, a method for producing a titania nano fine crystal dispersed thin film pattern characterized by etching using an acid, alkali, acidic salt or alkaline salt solution as an etching solution Eighth, the present invention provides a method for producing a titania nanocrystallite dispersed thin film pattern, wherein the etching solution is any one of NaOH solution, KOH solution, and NH 3 solution.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention of this application has the features as described above, and an embodiment thereof will be described below.
[0011]
In the manufacture of titania nanocrystallite-dispersed thin films, the inventors of this application have (1) silicon alkoxide and a hydrolyzable titanium compound to form a chelate compound with β-diketone, and (2) the chelated silicon alkoxide and Titanium compounds are difficult to hydrolyze because they are difficult to hydrolyze, and (3) a thin film on which titania nanocrystallites are deposited is exploited by utilizing the characteristic that the chelate bond in this chelate compound is cleaved by ultraviolet irradiation. It succeeded in forming in an arbitrary pattern at a desired position of the substrate, leading to the invention of this application.
[0012]
That is, the method for producing a titania nano-crystal-dispersed thin film provided by the invention of this application includes a silicon alkoxide, a hydrolysable titanium compound, and a solution containing β-diketone, a silicon alkoxide modified with β-diketone and a titanium compound. A film containing a composite metal oxide or hydroxide of the above is formed, this film is masked with a desired pattern and irradiated with ultraviolet rays, the ultraviolet irradiation portion is cured, the non-irradiation portion is etched, and then water is added. Alternatively, it is characterized in that titania microcrystals are deposited on the surface of the ultraviolet irradiation part by contacting with warm water.
[0013]
In the invention of this application, as the silicon alkoxide, for example, various types represented by the general formula Si (OR) 4 can be used. Here, as the organic group R constituting the alkoxyl group OR, for example, the same or different lower alkyl having 1 to 6 carbon atoms such as methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, etc. The group can be mentioned. More specifically, for example, the use of silicon tetraethoxide is shown as a preferred example.
[0014]
In addition, as the titanium compound having hydrolyzability, for example, titanium alkoxide, titanium oxalate, which is a metal organic compound, titanium nitrate, titanium tetrachloride, etc. can be used as the metal inorganic compound, and more preferably, titanium alkoxide. Is exemplified. Specific examples of the titanium alkoxide include tetramethoxy titanium, tetraethoxy titanium, tetra n-propoxy titanium, tetraisopropoxy titanium, tetra n-butoxy titanium, and tetraisobutoxy titanium.
[0015]
As the β-diketone, various compounds represented by the general formula R 1 COCH 2 COR 2 can be used. Here, R 1 and R 2 in the formula represent an organic group such as an aliphatic hydrocarbon group such as a methyl group or an ethyl group, an aromatic hydrocarbon group such as a phenyl group or a benzyl group, a methoxy group or an ethoxy group. The same or different ones can be selected from such ether groups. In the invention of this application, it is shown as a preferred example that one or a mixture of two or more of acetylacetone, ethylacetoacetate or benzoylacetone is used as the β-diketone.
[0016]
These starting materials are dissolved in an organic solvent to prepare a solution. In preparing the solution, for example, it is convenient to mix a silicon alkoxide solution in which silicon alkoxide is dissolved in an organic solvent and a titanium solution in which a titanium compound and a β-diketone are dissolved in an organic solvent. Of course, without being limited thereto, β-diketone may be added to the silicon alkoxide solution, or all may be mixed in the same manner.
[0017]
Here, examples of the organic solvent include methanol, ethanol, 1-propanol, isopropyl alcohol, 1-butanol, 2-butanol, isobutyl alcohol, ter-butyl alcohol, 1-pentanol, 2-pentanol, and 3-pen. Tanol or the like can be used. Moreover, you may add the catalyst and water for accelerating the hydrolysis of an alkoxyl group or accelerating dehydration condensation reaction to these solutions as needed. Examples of the catalyst include use of nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, acetic acid, ammonia and the like.
[0018]
The formulation of these solutions should be about 1 to 8, 1 to 6 for the organic solvent and water added to the silicon alkoxide, and about 20 for the organic solvent added to the titanium compound. Is appropriate. In addition, for example, β-diketone is added so that the molar ratio is about 0.5 to 10 and more preferably about 2 with respect to the titanium compound.
[0019]
Further, the silicon alkoxide solution and the titanium solution are adjusted so that the silicon alkoxide and the titanium compound have a molar ratio of SiO 2 : TiO 2 = 5: 1 to 1: 3, more preferably around 3: 1. can do. By setting the molar ratio of the titanium compound and silicon alkoxide to around 3: 1, the photocatalytic activity of the obtained titania microcrystal dispersed thin film portion can be further increased.
[0020]
A solution containing silicon alkoxide, titanium compound and β-diketone prepared in this manner is applied onto a substrate, for example, a composite metal oxide or hydroxide of silicon alkoxide and titanium compound modified with β-diketone. A film containing an object is formed.
[0021]
This film formation can be performed on an arbitrary substrate using various methods such as a dip coating method, a spray method, and a spin coating method. The substrate is not particularly limited in its material and shape, and can be various materials such as glass materials, metal materials, inorganic materials, plastic materials, paper, and wood materials. Since the invention of this application produces a titania microcrystal-dispersed thin film pattern under mild conditions of 100 ° C. or less, it is possible to use, for example, an organic polymer or a living tissue as a base material.
[0022]
As described above, the silicon alkoxide and the titanium compound react with the β-diketone to form a chelate compound. The chelated silicon alkoxide and titanium compound are in a state in which they are hardly hydrolyzed and gelled. Furthermore, the chelate bond in this chelate compound has the property of being cleaved by ultraviolet irradiation.
[0023]
Therefore, the chelated film is irradiated with ultraviolet rays through a mask having a desired pattern. As a result, the chelate bond is opened only in the portion of the film irradiated with ultraviolet rays, and gelation proceeds. On the other hand, since the gelation of the film has not progressed in the part not irradiated with ultraviolet rays, for example, various acid solutions, alkaline solutions, acidic salt solutions or alkaline salt solutions can be used as etching solutions for easy etching. can do. This etching solution is more preferably an alkaline solution, and it is preferable to use any one of a NaOH solution, a KOH solution, and a NH 3 solution because it is simple. In the ultraviolet irradiation part, the film is gelled and densified, and is not attacked by the etching solution. Thereby, the film | membrane provided with the desired pattern can be obtained.
[0024]
The patterned membrane is then contacted with water or warm water. In this case, the temperature of the hot water can be set to 100 ° C. or lower, more preferably from about room temperature to 100 ° C., more preferably in the range of about 50 to 100 ° C. More efficiently, the hot water can be about 90 ° C. The treatment time varies depending on the composition of the gel film, the temperature of the hot water to be used, and the like, but it cannot be said unconditionally, but can be arbitrarily determined so that the precipitation state of titania microcrystals becomes a desired one. In general, about several tens of minutes to several hours can be used as a guide. In addition, it can also consider adding a vibration simultaneously with the process by this warm water.
[0025]
Thereby, a film in which titania microcrystals are selectively dispersed according to the ultraviolet irradiation pattern can be formed on the substrate, and a desired titania nanocrystallite dispersed thin film pattern can be obtained.
[0026]
The titania microcrystal dispersed thin film pattern of the invention of the present application obtained in this way has a titania microcrystal dispersed thin film formed in an arbitrary arrangement on the substrate, and the portion where the titania microcrystal is deposited has high photocatalytic activity. It has functions such as super hydrophilicity and antifogging properties. Further, the titania microcrystal precipitation pattern can be controlled in an arbitrary shape on the order of submicrons by an ultraviolet irradiation technique.
[0027]
Furthermore, in the titania microcrystal-dispersed thin film pattern of the invention of this application, at least one organic functional film can be formed in addition to the titania microcrystal precipitates. Since this organic functional film does not come into contact with titania, it does not decompose even when used for a long period of time, and can maintain its function. As such a functional film, a coating film for design, a super water-repellent film, a conductive film, and other films having various functions can be considered. These organic functional films are formed, for example, on the surface of a titania microcrystal-dispersed thin film pattern in which titania microcrystals are deposited in the above-described pattern, and then irradiated with ultraviolet rays, thereby being present on the titania precipitate portion. It can be produced by decomposing a functional membrane.
[0028]
In addition, an article provided by the invention of this application is characterized by including any one of the above-mentioned titania nanocrystallite-dispersed thin film patterns. This titania nanocrystallite-dispersed thin film pattern can be manufactured in any pattern on the order of submicrons without being limited to the material of the substrate, its part, etc., and in combination with other various functional films, Articles having various functions can be realized.
[0029]
Examples will be shown below, and the embodiments of the present invention will be described in more detail.
[0030]
【Example】
A titania nanocrystallite-dispersed thin film pattern of the invention of this application was manufactured along the process diagram shown in FIG.
[0031]
The starting materials include tetraethoxysilane (Si (OEt) 4 : manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., reagent grade, hereinafter referred to as TEOS) as a silicon alkoxide, and titanium tetranormal butoxide as a hydrolyzable titanium compound. (Ti (On-Bu) 4 : manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.,
[0032]
To prepare the sol solution, first, 3.6 wt% hydrochloric acid is added to a solution in which TEOS, water, and EtOH are mixed, and the mixture is stirred for 30 minutes. Then, an EtOH solution of TBOT chemically modified with AcAc is added dropwise to promote hydrolysis. Therefore, it was stirred for 30 minutes to obtain a sol solution. The respective formulations were in the order of molar ratios, TEOS: water: EtOH: TBOT: EtOH = 83.5: 16.5: 334.0: 417.5: 330, TBOT: AcAc = 1: 2.
[0033]
This sol solution was applied to a non-alkali glass substrate with one side covered with a mending tape by a dip coating method with a pulling rate of 1.11 mm / sec. After the substrate tape was peeled off, it was dried at 90 ° C. for 1 hour. To obtain a membrane (a). The film (a) had a thickness of 210 nm.
[0034]
As shown in FIG. 1 (1), the film (a) is irradiated with ultraviolet rays through a photomask for 1 hour, and then immersed in 0.1M NaOHaq as shown in FIG. 1 (3). And etched to obtain a film (b). Further, this film (b) was immersed in boiling water for 1 hour together with the substrate to obtain a film (c) as shown in FIG. 1 (4). Note that a photomask having square openings with sides of 40 μm provided at intervals of 100 μm was used.
[0035]
The pattern shapes of the above films (a) to (c) were observed with an optical microscope (manufactured by Olympus Optical Co., Ltd., BX50), and the surface shape was measured with a surface roughness measuring instrument (manufactured by Kosaka Laboratory, Surfcorder SE- 30C) and measured using 3D surface roughness shape analysis software (TDA-22). The measurement conditions of the surface shape were a stylus feed speed of 0.5 mm / s, a feed pitch of 10 μm, a number of lines of 101, and a Z magnification of 50000 times.
[0036]
The results of the optical microscope observation of the films (a) to (c) are shown in FIG. 2, and the results of the three-dimensional surface roughness shape analysis are shown in FIG. Nine square portions in the figure are ultraviolet irradiation portions. In (a), it was found that the thickness was about 10 nm in the ultraviolet irradiation part, and the film was densified by the ultraviolet irradiation. In (b), it was found that the thickness was reduced and the substrate was exposed in the unirradiated part, and the unirradiated part was easily etched, and the solubility in the etching solution was reduced by irradiating with ultraviolet light. In (c), it was confirmed that although the film contracted by about 10 to 20 nm only in the thickness direction, the pattern shape was maintained.
[0037]
Furthermore, about the film | membrane (c), the structure | tissue was observed with the electrolytic emission type | mold scanning microscope (The Hitachi Ltd. make, S4500 type | mold, hereafter shown as FE-SEM). For the sample, the thin film is cut with a diamond glass cutter together with the substrate, fixed to the sample stage with silver paste, vacuum dried for about 30 minutes in a vacuum desiccator, and then used with a quick coater (VPS-020 manufactured by ULVAC, Inc.). And prepared by platinum sputtering. The conditions for FE-SEM observation were an acceleration voltage of 5 to 15 kV and a scanning distance of 5 mm.
[0038]
FIG. 4 shows the result of FE-SEM observation of the ultraviolet ray irradiated part (A) and the ultraviolet ray non-irradiated part (B) of the film (c). (A) Although granular precipitates are observed in the ultraviolet irradiation part, (B) it was not observed in the ultraviolet non-irradiation part. An electron diffraction pattern of the granular precipitate is shown in FIG. This diffraction pattern was confirmed to be in very good agreement with the anatase titania pattern obtained by calculation. From this, it was shown that anatase-type titania is also deposited by warm water treatment on a film modified with β-diketone and patterned by ultraviolet irradiation and etching.
[0039]
Of course, the present invention is not limited to the above examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail.
[0040]
【The invention's effect】
As described above in detail, the present invention, titania microcrystal dispersion thin film, an arbitrary site of the substrate, titania microcrystal dispersed film pattern manufacturing how that are distributed as any pattern of submicron order is provided The
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process diagram illustrating a method for producing a titania nanocrystallite-dispersed thin film according to the invention of this application.
FIG. 2 is a diagram illustrating the results of optical microscope observation of films (a) to (c) obtained in Examples.
FIG. 3 is a diagram exemplifying results of three-dimensional surface roughness shape analysis of films (a) to (c) obtained in Examples.
FIG. 4 is a diagram exemplifying the result of FE-SEM observation of an ultraviolet irradiation part (A) and an ultraviolet non-irradiation part (B) of a film (c) obtained in an example.
FIG. 5 is a diagram exemplifying an electron beam diffraction pattern in an ultraviolet irradiation part (A) of a film (c) obtained in an example.
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