JP4286856B2 - カラムスペーサ用硬化性樹脂組成物、カラムスペーサ及び液晶表示素子 - Google Patents

カラムスペーサ用硬化性樹脂組成物、カラムスペーサ及び液晶表示素子 Download PDF

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本発明は、挫屈強度に優れたカラムスペーサを形成することができるカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物、該硬化性樹脂組成物を用いてなるカラムスペーサ及び液晶表示素子に関する。
一般に、液晶表示素子は、2枚のガラス基板の間隙を一定に維持するためのスペーサを具備し、これらの他に透明電極や偏光板及び液晶物質を配向させる配向層等から構成されている。現在スペーサとしては、主に粒子径が数μm程度の微粒子スペーサが用いられている。しかし、従来の液晶表示素子の製造方法では、ガラス基板上に微粒子スペーサをランダムに散布していたことから、画素部内に微粒子スペーサが配置されてしまうことがあった。画素部内に微粒子スペーサがあると、スペーサ周辺の液晶配向の乱れから光が漏れて画像のコントラストが低下したりする等、画像品質を低下させることがあるという問題がある。これに対して、微粒子スペーサが画素部に配置されないような微粒子スペーサの配置方法が種々検討されているが、いずれも操作が煩雑であり実用性に乏しいものであった。
また、近年、液晶表示素子の生産性を上げるために、ワンドロップフィル法(One Drop Fill Technology:ODF法)が提案されている。この方法は、ガラス基板の液晶封入面上に、所定量の液晶を滴下し、もう一方の液晶パネル用基板を真空下で所定のセルギャップを維持できる状態で対峙させ、貼り合わせることにより液晶表示素子を製造する方法である。この方法によれば、従来の方法に比べて液晶表示素子が大面積化し、セルギャップが狭小化しても、液晶の封入が容易であることから、今後はODF法が液晶表示素子の製造方法の主流になると考えられる。
しかし、ODF法において微粒子スペーサを用いると、液晶の滴下時、又は、対向基板の貼り合わせ時に散布した微粒子スペーサが液晶の流動とともに流されて、基板上における微粒子スペーサの分布が不均一となる問題が生じる。微粒子スペーサの分布が不均一になると、液晶セルのセルギャップにバラツキが生じ、液晶表示に色ムラが発生してしまうという問題があった。
これに対して、従来の微粒子スペーサに代って、液晶基板上にフォトリソグラフの手法によってセルギャップを均一保持するための凸型パターンを形成したカラムスペーサが提案され、実用化されるようになってきている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3等)。
このようなカラムスペーサを用いれば、画素部内にスペーサが配置されてしまう問題や、ODF法においてスペーサムラが生じてしまう問題を解決することができる。
また、近年、液晶表示素子は、パソコン、携帯電子機器等に広く用いられている。これらのうち、特に携帯電話等の携帯電子機器等に用いられる場合には、通常の使用において液晶表示素子に局所的に圧力が加わることがある。このとき、液晶表示素子に形成されているカラムスペーサは弾性を有することから、加えられる圧力に応じて圧縮され、圧力が除かれれば元の状態に回復する。しかしながら、圧力がある大きさに達するとカラムスペーサが圧縮されずに急激に変形してしまうことがある。また、このように急激に変形した部分は、元の状態に回復することがない。このような現象を「挫屈」という。こうして、カラムスペーサに挫屈が生じると、液晶セルのセルギャップにバラツキが発生することとなり、液晶表示素子の液晶配向に乱れが生じ、表示される画質が悪化するという問題を生じていた。
そのため、携帯電子機器等の液晶表示素子においては、充分な挫屈強度を有するカラムスペーサを得ることができるカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物が求められていた。
特開2001−91954号公報 特開2002−251007号公報 特開平11−133600号公報
本発明は、上記現状に鑑み、充分な可撓性を有し、挫屈強度に優れたカラムスペーサを形成することができるカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物、該カラムスペーサ硬化性樹脂組成物を用いてなるカラムスペーサ及び液晶表示素子を提供することを目的とする。
本発明は、分子内に2以上の重合性不飽和結合を有する化合物(A)、エポキシ(メタ)アクリレート化合物(B)、アルカリ可溶性高分子化合物(C)及び光反応開始剤(D)を含有するカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物であって、前記エポキシ(メタ)アクリレート化合物(B)は、下記化学式(1)で表される構造を有する化合物であるカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物である。
Figure 0004286856
式中、R及びRは水素又はメチル基を表し、Rは多塩基酸無水物に由来しカルボキシル基を有する原子団を表し、mは0又は正の整数を表し、nは正の整数を表す。
以下に本発明を詳述する。
本発明者らは、鋭意検討の結果、特定の構造のエポキシ(メタ)アクリレート化合物を用いてカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を製造することによって、得られるカラムスペーサの可撓性を向上させることができ、挫屈強度に優れたカラムスペーサを製造することが可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、上記化学式(1)で表される構造を有する化合物であるエポキシ(メタ)アクリレート化合物(B)を含有する。
このようなエポキシ(メタ)アクリレート化合物を含有することによって、得られるカラムスペーサの可撓性が向上し、挫屈強度に優れたカラムスペーサを製造することが可能となる。
上記エポキシ(メタ)アクリレート化合物(B)としては、上記化学式(1)で表される構造を有する化合物であれば特に限定されず、例えば、1分子中に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物と(メタ)アクリル酸とを反応させて得られる化合物等が挙げられる。
上記1分子中に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物としては特に限定されず、例えば、フェノールノボラック型、クレゾールノボラック型、あるいはそれらのハロゲン化エポキシ樹脂等が挙げられる。
本明細書において、上記(メタ)アクリル酸とは、アクリル酸又はメタクリル酸を意味する。上記1分子中に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物と(メタ)アクリル酸とを反応させて得られる化合物において、上記(メタ)アクリル酸由来の(メタ)アクリル基は、感光基の役割を果たす。
上記エポキシ(メタ)アクリレート化合物(B)としては、市販されているものを使用することができ、例えば、EA−6320、EA−7120、EA−7420(以上、新中村化学社製)、EAM−2160、EAM−2300、R−205(以上、日本化薬社製)Ebecryl3603(ダイセル化学社製)等が挙げられる。
上記エポキシ(メタ)アクリレート化合物(B)は、酸変性エポキシ(メタ)アクリレート化合物であることが好ましい。上記酸変性エポキシ(メタ)アクリレート化合物としては、例えば、上記化学式(1)において、nが正の整数である化合物が挙げられる。
このような酸変性エポキシ(メタ)アクリレート化合物を使用することにより、優れた挫屈強度を有するカラムスペーサを得ることができるカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を得ることができる。また、酸変性エポキシ(メタ)アクリレート化合物は酸基を有するため、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物のアルカリ現像液への溶解性が高まり、カラムスペーサ製造時のアルカリ現像において、現像残り等の不具合を生じることがなく、更に、得られるカラムスペーサの基材への密着性を高めることができる。
上記1分子中に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物と(メタ)アクリル酸とを反応させて得られる化合物の水酸基に、上記多塩基酸無水物を反応させることによって、上記化合物にカルボキシル基を導入し、酸変性エポキシ(メタ)アクリレート化合物とすることができる。
上記多塩基酸無水物としては特に限定されず、例えば、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水イタコン酸、無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、無水クロレンド酸等の二塩基酸無水物、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸無水物、ビフェニルテトラカルボン酸無水物等が挙げられる。なかでも、テトラヒドロ無水フタル酸又は無水コハク酸が好適である。上記多塩基酸無水物は、飽和多塩基酸無水物であってもよく、不飽和多塩基酸無水物であってもよい。
上記酸変性エポキシ(メタ)アクリレート化合物としては、市販されているものを使用することができ、例えば、PCR−1069、K−48C、CCR−1105、CCR−1115、CCR−1159H、PCR−1157H、TCR−1025、TCR−1064、TCR−1286、ZFR−1122、ZFR−1124、ZFR−1185(以上、日本化薬社製)、EA−6340、EA−7140、EA−7440(以上、新中村化学社製)等が挙げられる。
上記エポキシ(メタ)アクリレート化合物(B)の配合量は、分子内に2以上の重合性不飽和結合を有する化合物(A)に対して、好ましい下限が0.1重量%、好ましい上限が50重量%である。0.1重量%未満であると、得られるカラムスペーサにおいて、充分な破壊強度が得られないことがある。50重量%を超えると、得られるカラムスペーサの柔軟性が損なわれることがある。より好ましい下限は0.5重量%、より好ましい上限は30重量%である。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、分子内に2以上の重合性不飽和結合を有する化合物(A)を含有する。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物において、上記分子内に2以上の重合性不飽和結合を有する化合物(A)は、カプロラクトン変性、エチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性された分子内に2以上の重合性不飽和結合を有する化合物(以下、本発明に係る重合性化合物ともいう)であることが好ましい。
このような本発明に係る重合性化合物を含有する本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、製造するカラムスペーサが優れた柔軟性と高い圧縮回復特性とを有するものとなり、このようなカラムスペーサを用いて製造した液晶表示素子に加熱時の液晶膨張による「重力不良」と、低温時の液晶の収縮による「低温発泡」とを同時に抑制可能である。
なお、上記「重力不良」とは、表示装置の使用中に液晶セル内の液晶が加熱されて膨張してセルギャップを押し広げたときに、カラムスペーサが基板から浮き上がってしまい、カラムスペーサによって保持されなくなった体積分の液晶が下方へ流動することにより、表示パネルの上半面と下半面において色ムラが生じる現象をいう。また、上記「低温発泡」とは、低温時に液晶セル内の液晶の体積収縮が起こると液晶セル内の内圧が急激に低下して気泡が発生する現象をいう。
上記本発明に係る重合性化合物としては特に限定されないが、例えば、カプロラクトン変性、エチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性された多官能(メタ)アクリレート化合物(以下、本発明に係る多官能(メタ)アクリレートともいう)であることが好適である。
なお、本明細書において、カプロラクトン変性とは、(メタ)アクリレート化合物のアルコール由来部位と(メタ)アクリロイル基との間に、カプロラクトンの開環体又は開環重合体が導入されることを意味する。また、エチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性とは、(メタ)アクリレート化合物のアルコール由来部位と(メタ)アクリロイル基との間に、エチレンオキサイドセグメント及び/又はプロピレンオキサイドセグメントが導入されることを意味する。
上記本発明に係る多官能(メタ)アクリレートがカプロラクトン変性された多官能(メタ)アクリレート化合物である場合、該多官能(メタ)アクリレート化合物としては特に限定されず、例えば、トリメチロールプロパンジ(メタ)アクリレート、トリメチロールエタンジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールジ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパンジ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールジ(メタ)アクリレート等の2官能(メタ)アクリレート化合物をカプロラクトン変性した化合物;ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート等の3官能以上の(メタ)アクリレート化合物をカプロラクトン変性した化合物等が挙げられる。なかでも、3官能以上の(メタ)アクリレート化合物をカプロラクトン変性した化合物は、重合反応の進行が速く、露光感度を向上させやすいことから特に好適である。
これらの本発明に係る多官能(メタ)アクリレートは、単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
上記本発明に係る多官能(メタ)アクリレートのカプロラクトン変性の変性度としては、ベースとなる多官能(メタ)アクリレート化合物の官能基数をnとした場合、分子内に2以上の重合性不飽和結合を有する化合物1モルに対して好ましい下限は0.5nモル、好ましい上限は5nモルである。0.5nモル未満であると、本発明の硬化性樹脂組成物をカラムスペーサ用途に用いた場合、製造するカラムスペーサの柔軟性が不充分となることがあり、5nモルを超えると、カラムスペーサを製造する際の露光時の反応性が低下し、製造するカラムスペーサのパターニングが困難となることがある。より好ましい下限は1nモル、より好ましい上限は3nモルである。
上記多官能(メタ)アクリレート化合物をカプロラクトン変性する具体的な方法としては特に限定されず、例えば、多価アルコールとカプロラクトンを反応させ、カプロラクトン変性アルコールを合成した後、(メタ)アクリル酸とをエステル化反応させる方法;(メタ)アクリル酸とカプロラクトンとを反応させ、カプロラクトン変性(メタ)アクリル酸を合成した後、アルコールとエステル化反応させる方法;(メタ)アクリル酸、カプロラクトン、並びに、多価アルコールを一括反応させる方法等が挙げられる。
また、上記本発明に係る重合性化合物が、エチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性された多官能(メタ)アクリレート化合物である場合、該多官能(メタ)アクリレート化合物としては特に限定されず、例えば、上述した3官能以上の(メタ)アクリレート化合物をエチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性した化合物等が挙げられる。なかでも、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、或いは、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレートにカルボキシル基を付加させた化合物を、エチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性したものであることが好ましい。
上記多官能(メタ)アクリレートのエチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性の変性度としては、ベースとなる多官能(メタ)アクリレート化合物の官能基数をnとした場合、多官能(メタ)アクリレート化合物1モルに対して好ましい下限は0.5nモル、好ましい上限は15nモルである。0.5nモル未満であると、製造するカラムスペーサの柔軟性が不充分となることがあり、15nモルを超えると、アルカリ現像液への親和性が高くなり、膨潤による解像性の低下が起こりやすくなる。より好ましい下限は3nモル、より好ましい上限は10nモルである。
上記多官能(メタ)アクリレート化合物をエチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性する具体的な方法としては特に限定されず、例えば、多価アルコールとエチレンオキサイド及び/又はプロピレンオキサイドとを反応させ、エチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性アルコールを合成した後、このエチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性アルコールと(メタ)アクリル酸とをエステル化反応させる方法;(メタ)アクリル酸とエチレンオキサイド及び/又はプロピレンオキサイドとを反応させ、エチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性(メタ)アクリル酸を合成した後、アルコールとエステル化反応させる方法;(メタ)アクリル酸、エチレンオキサイド及び/又はプロピレンオキサイド、並びに、多価アルコールを一括反応させる方法等が挙げられる。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物において、上述した本発明に係る重合性化合物の含有量としては特に限定されないが、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物の固形分に対し、好ましい下限は20重量%、好ましい上限は90重量%である。20重量%未満であると、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物が充分に光硬化せず、フォトリソグラフの手法によりカラムスペーサのパターンを形成することができないことがある。90重量%を超えると、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を用いてカラムスペーサを製造する際に使用するアルカリ現像液への溶解性が不足し、製造するカラムスペーサのパターンの現像性が不充分となることがある。より好ましい下限は40重量%、より好ましい上限は80重量%である。
また、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、上述した本発明に係る重合性化合物に加えて、反応性、現像性等を調整するために、カプロラクトン変性、エチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性された部位を有さない重合性不飽和結合を有する化合物(以下、単に重合性不飽和結合含有化合物ともいう)を、例えば、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を用いて製造するカラムスペーサの柔軟性や現像性を損なわない範囲で併用してもよい。
上記重合性不飽和結合含有化合物としては特に限定されず、例えば、2官能のものとしては、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、3−メチル−1,5−ペンタンジオールジ(メタ)アクリレート、2−ブチル−2−エチル−1,3−プロパンジオールジ(メタ)アクリレート、1,4−ブタンジオールジアクリレート、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステルジアクリレート、ジエチレングリコール(メタ)アクリレート、トリエチレングリコール(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコール(メタ)アクリレート、ヘキサエチレングリコール(メタ)アクリレート、ノナエチレングリコール(メタ)アクリレート等のポリエチレングリコール(メタ)アクリレート;ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ヘキサエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ノナエチレングリコールジ(メタ)アクリレート等のポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
また、3官能以上のものとしては、例えば、トリメチロールエタントリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート等の多官能(メタ)アクリレート化合物等が挙げられる。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物が上記重合性不飽和結合含有化合物を含有する場合、その配合量としては特に限定されないが、上記本発明に係る重合性化合物との合計量の40重量%未満であることが好ましい。40重量%を超えると、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を用いて得られるカラムスペーサの柔軟性が損なわれ、重力不良及び低温発泡の抑制効果が低下することがある。より好ましい上限は30重量%である。
上記分子内に2以上の重合性不飽和結合を有する化合物(A)は、上述したカプロラクトン変性、エチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性された分子内に2以上の重合性不飽和結合を有し、更に、カプロラクトン変性、エチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性された分子内に1以上のカルボキシル基を有する多官能(メタ)アクリレート化合物であってもよい。
このような化合物(以下、本発明に係る他の多官能(メタ)アクリレートともいう)を含有する本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物用いてなるカラムスペーサが圧縮変形からの回復性に優れたものとなり、このようなカラムスペーサを用いて製造した液晶表示素子に加熱時の液晶膨張による「重力不良」と、低温時の液晶の収縮による「低温発泡」とを同時に抑制可能である。更にフォトリソグラフの手法によりカラムスペーサとなるパターン形成する際に、現像残滓を生ずることなく、シャープな解像性を得ることができる。また、現像液に対する溶解性が高いために、現像液をリサイクルして使用する際には、現像液の回収フィルター詰りが生じにくく、高いプロセス適性を生み出すことができる。
上記本発明に係る他の多官能(メタ)アクリレートとしては特に限定されず、例えば、トリメチロールプロパンジ(メタ)アクリレート、トリメチロールエタンジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールジ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパンジ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールジ(メタ)アクリレート等の2官能(メタ)アクリレート化合物をカプロラクトン変性等した化合物;ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート等の3官能以上の(メタ)アクリレート化合物をカプロラクトン変性等した化合物等が挙げられる。なかでも、3官能以上の(メタ)アクリレート化合物をカプロラクトン変性等させた化合物は、重合反応の進行が速く、露光感度を向上させやすいことから特に好適である。
これらの本発明に係る他の多官能(メタ)アクリレートは、単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
このような本発明に係る他の多官能(メタ)アクリレートのカプロラクトン変性の変性度、並びに、エチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性の変性度するとしては、先述した本発明に係る多官能(メタ)アクリレートにおいて説明した内容と同様である。
本発明に係る他の多官能(メタ)アクリレートとしては、例えば、3官能以上の(メタ)アクリレート化合物の(メタ)アクリル基の一部に、カルボキシル基を有する化合物を付加反応させることによりカルボン酸を導入した(メタ)アクリレート化合物であることが好ましい。このようなカルボキシル基を有する多官能(メタ)アクリレート化合物を含有することで、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、フォトリソグラフの手法によるパターン形成時の露光感度を得るために必要な速やかな重合反応性と、現像時の解像性を得るために必要なアルカリ現像液との親和性に優れたものとなる。
上記カルボキシル基を有する多官能(メタ)アクリレート化合物を得る方法としては特に限定されず、例えば、I)水酸基を有する3官能以上の(メタ)アクリレート化合物の水酸基に、無水コハク酸やテトラヒドロ無水フタル酸等の酸無水物を付加する方法、II)3官能以上の(メタ)アクリレート化合物の(メタ)アクリル基に、チオサリチル酸等のチオール基とカルボキシル基とを有する化合物を、エン−チオール反応により付加する方法等が挙げられる。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物においては、重合反応の進行が速く、露光感度を向上させやすいことから、分子内の(メタ)アクリル基の数の好ましい下限は3である。
また、上記カルボキシル基を有する多官能(メタ)アクリレート化合物は、分子内のカルボキシル基の好ましい上限は2である。3以上であると、現像液への溶解性・膨潤性が高くなり、例えば、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物が現像パターンの剥離や、膨潤性による解像度の低下が起こりやすくなる。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物において、上記本発明に係る他の多官能(メタ)アクリレートの含有量としては特に限定されないが、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物の固形分に対し、好ましい下限は20重量%、好ましい上限は90重量%である。20重量%未満であると、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物が充分に光硬化せず、フォトリソグラフの手法によりカラムスペーサのパターンを形成することができないことがある。90重量%を超えると、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物用いてカラムスペーサを製造する際に使用するアルカリ現像液への溶解性が不足し、製造するカラムスペーサのパターンの現像性が不充分となることがある。より好ましい下限は40重量%、より好ましい上限は80重量%である。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、アルカリ可溶性高分子化合物(C)を含有する。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物に用いられるアルカリ可溶性高分子化合物(C)は、レジスト現像として一般的な、アルカリ現像においてアルカリ現像液に溶解性を有するものである。本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物に用いられるアルカリ可溶性高分子化合物(C)としては特に限定されないが、分子鎖中にカルボン酸、若しくは、ジカルボン酸無水物、あるいはカルボン酸塩を含有することで、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、水酸化テトラメチルアンモニウム等の水溶液への溶解性を有する高分子化合物が好ましい。
このようなアルカリ可溶性高分子化合物(C)としては、例えば、カルボキシル基含有単官能不飽和化合物と不飽和二重結合を有する単官能化合物とを共重合した共重合体等のアルカリ可溶性カルボキシル基含有高分子化合物が挙げられる。
上記カルボキシル基含有単官能不飽和化合物としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸等が挙げられる。
上記不飽和二重結合を有する単官能化合物としては、例えば、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸プロピル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸2−エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸2−メチルシクロヘキシル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンタニルオキシエチル、(メタ)アクリル酸イソボルニル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンタニル、(メタ)アクリル酸ベンジル等の(メタ)アクリル酸エステル系単量体が挙げられる。
また、上記アルカリ可溶性カルボキシル基含有高分子化合物は、スチレン、α−メチルスチレン、p−メチルスチレン、p−クロロスチレン等の芳香族ビニル系単量体;アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のシアン化ビニル化合物;無水マレイン酸等の不飽和ジカルボン酸無水物;フェニルマレイミド、ベンジルマレイミド、ナフチルマレイミド、o−クロロフェニルマレイミド等の芳香族置換マレイミド;メチルマレイミド、エチルマレイミド、プロピルマレイミド、イソプロピルマレイミド等のアルキル置換マレイミド等からなる成分を含有してもよい。
更に、上記アルカリ可溶性カルボキシル基含有高分子化合物は、現像時の溶解性を制御する等の目的で水酸基を有する単官能不飽和化合物を含有してもよい。水酸基を有する単官能不飽和化合物としては特に限定されず、例えば、分子内に水酸基を1つ有するモノマーとしては、例えば、2−ヒドロキシエチルアクリレート、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、2−ヒドロキシプロピルアクリレート、2−ヒドロキシプロピルメタクリレート、4−ヒドロキシブチルアクリレート、4−ヒドロキシブチルメタクリレート等が挙げられる。
上記アルカリ可溶性カルボキシル基含有高分子化合物において、カルボキシル基含有単官能不飽和化合物に起因する成分の比の好ましい下限は10重量%、好ましい上限は40重量%である。10重量%未満であると、アルカリ可溶性を付与することが困難であり、40重量%を超えると、現像時の膨潤が著しくパターンの形成が困難となることがある。より好ましい下限は15重量%、より好ましい上限は30重量%である。
上記カルボキシル基含有単官能不飽和化合物と不飽和二重結合を有する単官能化合物とを共重合する方法としては特に限定されず、例えば、ラジカル重合開始剤及び必要に応じて分子量調節剤を用いて、塊状重合、溶液重合、懸濁重合、分散重合、乳化重合等の従来公知の方法により重合する方法が挙げられる。なかでも、溶液重合が好適である。
溶液重合法により上記アルカリ可溶性カルボキシル基含有高分子化合物を製造する場合の溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール、グリコール等の脂肪族アルコール類;セロソルブ、ブチルセロソルブ等のセロソルブ類;カルビトール、ブチルカルビトール等のカルビトール類;酢酸セロソルブ、酢酸カルビトール、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等のエステル類;ジエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類;テトラヒドロフラン等の環状エーテル、シクロヘキサノン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン類;ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド等の極性を有する有機溶剤等を用いることができる。
また、懸濁重合、分散重合、乳化重合等の非水系の分散重合により上記共重合体を製造する場合の媒体としては、例えば、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン等の液状の炭化水素や、その他の非極性の有機溶剤等を用いることができる。
上記アルカリ可溶性カルボキシル基含有高分子化合物を製造する場合に用いるラジカル重合開始剤としては特に限定されず、例えば、過酸化物、アゾ開始剤等の従来公知のラジカル重合開始剤を用いることができる。また、上記分子量調節剤としては、例えば、α−メチルスチレンダイマー、メルカプタン系の連鎖移動剤等を用いることができる。
また、上記アルカリ可溶性高分子化合物(C)としては、特に、側鎖に(メタ)アクリル基とカルボキシル基とを有するアルカリ可溶性(メタ)アクリル共重合体(C1)が好適である。
側鎖に(メタ)アクリル基とカルボキシル基とを有するアルカリ可溶性(メタ)アクリル共重合体(C1)としては、例えば、少なくとも酸性官能基を有する構成単位と水酸基を有する構成単位とからなる主鎖を有し、ラジカル重合性基含有イソシアネート化合物が該イソシアネート化合物のイソシアネート基を介して上記酸性官能基の少なくとも一部にアミド結合している及び/又は上記水酸基の少なくとも一部にウレタン結合している重合体(C1−1)が好適である。
上記重合体(C1−1)は、ラジカル重合性基含有イソシアネート化合物の仕込み量を当量比(NCO/OH)が1.0以上となるように調節することによって、ラジカル重合性基の側鎖を上記反応性官能基を有するアルカリ可溶性高分子化合物中に高い比率で導入することが可能となり、反応性官能基を有するアルカリ可溶性高分子化合物の感度を向上させることができる。また、酸性官能基を有する構成単位の含有量を適宜の割合に調節できるので、アルカリ可溶性(現像性)を自由に調節できる。
上記重合体(C1−1)において、イソシアネート基の当量比(NCO/OH)を1.0以上に調節するとともに、水酸基を有する構成単位の含有割合を、仕込み量で14モル%以上とすることが好ましい。イソシアネート基の上記当量比(NCO/OH)を1.0以上に調節することによりイソシアネート基の導入率を高められ、同時に、水酸基を有する構成単位の仕込み量を14モル%以上とすることにより、イソシアネート基が反応する部分が増えるので、反応性官能基を有するアルカリ可溶性高分子化合物(C)にラジカル重合性基の側鎖を非常に多量に導入することが可能となり、特に高い感度が得られる。
上記ラジカル重合性基含有イソシアネート化合物の仕込み量の好ましい上限は、イソシアネート基の当量比(NCO/OH)が2.0である。上記当量比(NCO/OH)が2.0を超えると、反応性官能基を有するアルカリ可溶性高分子化合物中に未反応のラジカル重合性基含有イソシアネート化合物が多量に残ってしまい、上記反応性官能基を有するアルカリ可溶性高分子化合物(C)の物性を低下させる。
上記酸性官能基を有する構成単位は、アルカリ現像性に寄与する成分であり、その含有割合としては特に限定されず、反応性官能を有するアルカリ可溶性高分子化合物(C)に要求されるアルカリ可溶性の程度により適宜調整される。上記酸性官能基を有する構成単位を重合体の主鎖へと導入するために使用される単量体としては、二重結合含有基と酸性官能基とを有する化合物が挙げられる。
上記酸性官能基としては特に限定されず、通常はカルボキシル基であるが、アルカリ現像性に寄与できる成分であればカルボキシル基以外であってもよい。
なかでも、上記酸性官能基を有する構成単位としては、下記化学式(2)で表される構成単位が好ましい。
Figure 0004286856
上記化学式(2)及び後述する他の式中に含まれるRは、水素又は炭素数1〜5のアルキル基を示す。
上記アルキル基としては特に限定されず、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基等が挙げられる。
上記化学式(2)の構成単位を導入するために使用される単量体としては特に限定されず、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、2−カルボキシ−1−ブテン、2−カルボキシ−1−ペンテン、2−カルボキシ−1−ヘキセン、2−カルボキシ−1−へプテン等が挙げられる。
上記水酸基を有する構成単位としては特に限定されないが、下記化学式(3)で表される構成単位が好ましい。
Figure 0004286856
上記化学式(3)中、Rは上記化学式(2)のRと同じであり、Rは、炭素数2〜4のアルキレン基を示す。上記Rとしては、例えば、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基等が挙げられる。
また、上記化学式(3)の構成単位を導入するために使用される単量体としては特に限定されず、例えば、2−ヒドロキシエチルアクリレート、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、2−ヒドロキシプロピルアクリレート、2−ヒドロキシプロピルメタクリレート、4−ヒドロキシブチルアクリレート、4−ヒドロキシブチルメタクリレート等が挙げられる。
上記重合体(C1−1)の主鎖は、酸性官能基を有する化学式(2)等の構成単位と、水酸基を有する化学式(3)等の構成単位とを必須の共重合成分として含有するが、他の共重合成分を含んでいてもよい。例えば、上記重合体の主鎖には、芳香族炭素環を有する構成単位及び/又はエステル基を有する構成単位が含有されていてもよい。
上記芳香族炭素環を有する構成単位としては特に限定されず、例えば、下記化学式(4)で表される構成単位が好ましい。
Figure 0004286856
上記化学式(4)中、Rは、上記化学式(2)のRと同じであり、Rは芳香族炭素環を示す。このようなRとしては、例えば、フェニル基、ナフチル基等が挙げられる。
上記化学式(4)の構成単位を導入するために使用される単量体としては特に限定されず、例えば、スチレン、α−メチルスチレン等が挙げられ、また、その芳香族環は、塩素、臭素等のハロゲン原子、メチル基、エチル基等のアルキル基、アミノ基、ジアルキルアミノ基等のアミノ基、シアノ基、カルボキシル基、スルフォン酸基、燐酸基等で置換されていてもよい。
上記エステル基を有する構成単位を重合体の主鎖へと導入するために使用される単量体としては特に限定されず、例えば、二重結合含有基とエステル基とを有する化合物が挙げられ、下記化学式(5)で表される構成単位が好ましい。
Figure 0004286856
上記化学式(5)中、Rは、上記化学式(2)のRと同じであり、Rはアルキル基又はアラルキル基を示す。このようなRとしては、例えば、炭素数1〜12のアルキル基、ベンジル基、フェニルエチル基等のアラルキル基が挙げられる。
上記化学式(5)の構成単位を導入するために使用される単量体としては特に限定されず、例えば、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸−2−エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸フェニル、(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンタニル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンタニルオキシエチル、(メタ)アクリル酸イソボニル、(メタ)アクリル酸ベンジル、(メタ)アクリル酸フェニルエチル等の(メタ)アクリル酸のエステル類が挙げられる。
上記の各構成単位から構成される主鎖には、ラジカル重合性基含有イソシアネート化合物が該イソシアネート化合物のイソシアネート基を介して上記酸性官能基の少なくとも一部にアミド結合している及び/又は上記水酸基の少なくとも一部にウレタン結合しており、ラジカル重合性基の側鎖が形成されている。
上記ラジカル重合性基含有イソシアネート化合物としては特に限定されず、例えば、下記化学式(6)に示す(メタ)アクリロイルオキシアルキルイソシアネートが好適である。
Figure 0004286856
上記化学式(6)中、Rはアルキレン基、Rは水素又はメチルを示す。また、化学式(6)の(メタ)アクリロイルオキシアルキルイソシアネートのなかでも、(メタ)アクリロイル基が炭素数2〜6のアルキレン基を介してイソシアネート基(−NCO)と結合したものが好ましい。具体的には、2−アクリロイルオキシエチルイソシアネート、2−メタクリロイルエチルイソシアネート等が挙げられる。また、上記2−メタクリロイルエチルイソシアネートの市販品としては、例えば、昭和電工社製「カレンズMOI」等が挙げられる。
このような構成単位からなる上記重合体は、少なくとも酸性官能基を有する化学式(2)等の構成単位と、水酸基を有する化学式(3)等の構成単位からなり、更に必要に応じて、芳香族炭素環を有する化学式(4)等の構成単位、エステル基を有する化学式(5)等の構成単位、又は、その他の構成単位を含有する主鎖を有する重合体(原料重合体)を製造し、次いでラジカル重合性基含有イソシアネート化合物を反応させることで得ることができる。
上記原料重合体を製造するために用いられる重合用溶媒としては、水酸基、アミノ基等の活性水素を有しない溶媒が好ましく、例えば、テトラヒドロフラン等のエーテル類;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、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル等のグリコールエーテル類、メチルセロソルブアセテート等のセロソルブエステル類や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−3−メトキシブチル等が挙げられ、芳香族炭化水素類、ケトン類、エステル類等も用いることができる。
上記原料重合体を製造するために用いられる重合開始剤としては、従来公知のラジカル重合開始剤を用いることができ、具体例的に、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル、2,2’−アゾビス−(2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2’−アゾビス−(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)等のニトリル系アゾ化合物(ニトリル系アゾ系重合開始剤);ジメチル2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオネート)、2,2’−アゾビス(2,4,4−トリメチルペンタン)等の非ニトリル系アゾ化合物(非ニトリル系アゾ系重合開始剤);t−ヘキシルペルオキシピバレート、tert−ブチルペルオキシピバレート、3,5,5−トリメチルヘキサノイルペルオキシド、オクタノイルペルオキシド、ラウロイルペルオキシド、ステアロイルペルオキシド、1,1,3,3−テトラメチルブチルペルオキシ2−エチルヘキサノエート、サクシニックペルオキシド、2,5−ジメチル−2,5−ジ(2−エチルヘキサノイルペルオキシ)ヘキサン、1−シクロヘキシル−1−メチルエチルペルオキシ2−エチルヘキサノエート、t−ヘキシルペルオキシ2−エチルヘキサノエート、4−メチルベンゾイルペルオキシド、ベンゾイルペルオキシド、1,1’−ビス−(tert−ブチルペルオキシ)シクロヘキサン等の有機過酸化物(パーオキサイド系重合開始剤);及び過酸化水素等が挙げられる。上記ラジカル重合開始剤として過酸化物を使用する場合には、これと還元剤とを組み合わせてレドックス型重合開始剤として使用してもよい。
上記原料重合体の製造においては、重量平均分子量を調節するために分子量調節剤を使用することができる。上記分子量調節剤としては、例えば、クロロホルム、四臭化炭素等のハロゲン化炭化水素類;n−ヘキシルメルカプタン、n−オクチルメルカプタン、n−ドデシルメルカプタン、tert−ドデシルメルカプタン、チオグリコール酸等のメルカプタン類;ジメチルキサントゲンジスルフィド、ジイソプロピルキサントゲンジスルフィド等のキサントゲン類;ターピノーレン、α−メチルスチレンダイマー等が挙げられる。
上記原料重合体は、ランダム共重合体及びブロック共重合体のいずれであってよい。
ランダム共重合体を製造する場合には、例えば、上記化学式(2)〜(5)に示した各単量体、及び、触媒からなる配合組成物を、溶剤を入れた重合槽中に80〜110℃の温度条件で2〜5時間かけて滴下し、熟成させることにより重合させることかできる。
上記化学式(2)〜(5)の構成単位を有する原料重合体のポリスチレン換算重量平均分子量(以下、単に「重量平均分子量」又は「Mw」という。)の好ましい下限は1万、好ましい上限は100万であり、酸価の好ましい下限は5mgKOH/g、好ましい上限は400mgKOH/gであり、水酸基価の好ましい下限は5mgKOH/g、好ましい上限は400mgKOH/gである。
上記原料重合休とラジカル重合性基含有イソシアネート化合物との反応は、ラジカル重合性基含有イソシアネート化合物を少量の触媒の存在下、原料重合体の溶液中に、全量を一度に投入してから一定時間反応を続けるか、又は、少しずつ滴下することにより行うことができる。
上記触媒としては特に限定されず、例えば、ラウリン酸ジブチル錫等が挙げられ、また、p−メトキシフェノール、ヒドロキノン、ナフチルアミン、tert−ブチルカテコール、2,3−ジ−tert−ブチルp−クレゾール等の重合禁止剤が必要に応じて使用される。
上記ラジカル重合性基含有イソシアネート化合物は、上記原料重合体における酸性官能基に対してイソシアネートを介してアミド結合する。例えば、上記化学式(2)の構成単位とは、その一部が炭酸ガスを放出してアミド結合により結合し、下記化学式(7)で表されるような構成単位を形成する。
一方、上記ラジカル重合性基含有イソシアネート化合物は、原料重合体における水酸基に対しては、イソシアネートを介してウレタン結合する。例えば、上記化学式(3)の構成単位とは、付加反応してウレタン結合により結合し、下記化学式(8)の構成単位で表されるような構成単位を形成する。
Figure 0004286856
Figure 0004286856
このようにして得られる重合体は、酸性官能基を有する化学式(2)等の構成単位と、水酸基を有する化学式(3)等の構成単位と、酸性官能基を有する構成単位にラジカル重合性基が導入された化学式(7)等の構成単位と、水酸基を有する化学式(3)の構成単位にラジカル重合性基が導入された化学式(8)等の構成単位とが、任意の順序に連結した分子構造を有している。
上記アルカリ可溶性(メタ)アクリル共重合体(C1)としては、下記式(1a)、(1b)、(1c)、(1d)及び(1e)で表される構造単位からなる共重合体(C1−2)も好適である。
Figure 0004286856
式(1a)、(1b)、(1c)、(1d)及び(1e)中、A及びAは、水素、下記式(2a)、(2b)、(2c)又は(2d)を表し、A又はAのいずれか一方が水素である場合、他方は下記式(2a)、(2b)、(2c)又は(2d)のいずれかである。Rは、水素及び/又はメチル基を表し、R10は、アルキル基、フェニル基、アルキル基若しくはアルコキシ基を含むフェニル基、ヒドロキシアルキル基又は脂環式炭化水素を表し、R11は、ニトリル基又はフェニル基を表し、R12は、アルキル基、ヒドロキシアルキル基又はラジカル重合性基含有脂肪族炭化水素を表す。また、a、b、c、d、eは、各成分のモル比率(%)を表し、a+b+c+d+e=100とするとき、a、b及びdは0〜90、cは5〜50、eは5〜60である。
Figure 0004286856
このような共重合体(C1−2)を含有することにより、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を硬化してなるカラムスペーサは、圧縮変形からの高い回復性と、柔軟で低弾性率であることとを両立させることができる。また、上記共重合体(C1−2)は、セグメントの極性が低いため組成物中での相溶性に優れる。これにより、カラムスペーサの製造時の現像処理において現像ムラ等の不具合が生じることもない。
なかでも、柔軟性の高いウレタン結合を構造中に有するため高い架橋性を保ったまま柔軟性が付与できる、ウレタン結合が適度な極性を有するため組成物中での相溶性に優れる等の理由から、上記共重合体(C1−2)中のA及び/又はAは、上記式(2b)で表されることが好ましい。
また、ウレタン結合によって結合している構造単位中にラジカル重合性基を有する場合、より高い架橋と柔軟性とを同時に付与することが可能であり、また、ラジカル重合性基が他成分と光架橋することから相溶性が更に向上する等の理由から、上記共重合体(C1−2)中のA及び/又はAは、上記式(2b)で表され、かつ、上記式(2b)中のR12は、ラジカル重合性基含有脂肪族炭化水素であることが好ましい。
また、水酸基を有することでアルカリ現像性や基材との密着性に優れる、高極性の水酸基と低極性のR12を両有することで他成分との相溶性を発現することができる等の理由から、上記共重合体(C1−2)中のA及びAは、上記式(2c)又は(2d)で表されることが好ましい。
上記共重合体(C1−2)の重量平均分子量としては特に限定されないが、好ましい下限は3000、好ましい上限は10万である。3000未満であると、カラムスペーサの現像性が低下することがあり、10万以上であると解像度が低下することがある。より好ましい下限は5000、より好ましい上限は5万である。
上記共重合体(C1−2)の製造方法としては特に限定されないが、例えば、側鎖にカルボキシル基を有する(メタ)アクリル共重合体に、脂環式エポキシ基含有不飽和化合物を開環付加重合させてカルボキシル基の一部を変性し、更に、変性により生じた水酸基及び/又は残存しているカルボキシル基の一部にイソシアネート化合物、エポキシ化合物、ラクトン化合物、アルコール化合物等を反応させる方法が挙げられる。
また、具体的には、例えば、サイクロマーP(ダイセル化学社製)等が市販されており、更に、サイクロマーP中に含有される水酸基及びカルボキシル基の一部にイソシアネート化合物、エポキシ化合物、ラクトン化合物、アルコール化合物等を反応させることによって上記共重合体(C1−2)を得ることもできる。
上記側鎖にカルボキシル基を有する(メタ)アクリル共重合体の製造方法としては特に限定されず、例えば、カルボキシル基含有単官能不飽和化合物と、(メタ)アクリル酸エステル系単量体とをラジカル重合開始剤及び必要に応じて分子量調整剤を用いて塊状重合、溶液重合、懸濁重合、分散重合、乳化重合等の従来公知の方法により共重合する方法が挙げられる。
上記脂環式エポキシ基含有不飽和化合物としては特に限定されないが、例えば、3,4−エポキシシクロヘキシル(メタ)アクリレート等が好適に用いられる。
上記イソシアネート化合物としては特に限定されないが、例えば、炭素数が2〜18のアルキルイソシアネート、重合性基含有イソシアネートが好適に用いられる。
炭素数が19以上のアルキルイソシアネートは、極性が低下するため、側鎖にカルボキシル基を有する(メタ)アクリル共重合体との相溶性が得られず、反応が円滑に進まないことがある。
上記重合性基含有イソシアネートを用いると、光硬化時の感度の上昇や、耐熱性、耐薬品性、タックフリー性等の様々な物性の更なる向上が実現される。
上記重合性基含有イソシアネートとしては特に限定されないが、例えば、(メタ)アクリロイル基が炭素数2〜6のアルキレン基を介してイソシアネート基と結合したものを使用することが好ましい。具体的には、例えば、2−アクリロイルオキシエチルイソシアネート、2−メタクリロイルエチルイソシアネート、2−アクリロイルエチルイソシアネート等が挙げられ、2−メタクリロイルエチルイソシアネート、及び、2−アクリロイルエチルイソシアネートは、それぞれ、カレンズMOI、及び、カレンズAOI(いずれも昭和電工社製)として市販されている。
上記変性により生じた側鎖に水酸基及びカルボキシル基を有する(メタ)アクリル共重合体に上記イソシアネート化合物を反応させる方法としては特に限定されず、少量の触媒存在下、上記イソシアネート化合物を、上記変性により生じた側鎖に水酸基及びカルボキシル基を有する(メタ)アクリル共重合体の溶液中に滴下又は混合する方法が挙げられる。この際に用いられる触媒としては特に限定されず、例えば、ラウリン酸、ジブチル錫等が挙げられる。
また、必要に応じて、p−メトキシフェノール、ヒドロキノン、ナフチルアミン、tert−ブチルカテコール、2,3−ジ−tert−ブチル−p−クレゾール等の重合禁止剤を用いてもよい。
また、増粘等を抑制する目的で、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、デカノール等のアルコールによる処理を行ってもよい。
上記製造方法に従い、上記変性により生じた側鎖に水酸基及びカルボキシル基を有する(メタ)アクリル共重合体にイソシアネート化合物を反応させた場合には、式(2b)に示される構造単位が形成される。
上記エポキシ樹脂化合物としては特に限定されず、例えば、炭素数2〜18のアルキルエポキシ化合物、炭素数が2〜18のアルコキシエポキシ化合物や重合性基含有エポキシ化合物が挙げられる。エポキシ化合物の炭素数が19以上である場合には、極性が低下するため、側鎖にカルボキシル基を有する(メタ)アクリル共重合体との相溶性が得られず、反応が円滑に進まないことがある。
上記重合性基含有エポキシ化合物を用いると、光硬化時の感度の上昇や、耐熱性、耐薬品性、タックフリー性等の様々な物性の更なる向上が実現される。
上記重合性基含有エポキシ化合物としては特に限定されないが、例えば、(メタ)アクリロイル基が炭素数2〜6のアルキレン基を介してエポキシ基と結合したものを使用するのが好ましい。具体的には、例えば、(メタ)アクリル酸グリシジル等が挙げられる。
上記変性により生じた側鎖に水酸基及びカルボキシル基を有する(メタ)アクリル共重合体に上記エポキシ化合物を反応させる方法としては特に限定されず、少量の触媒存在下、上記エポキシ化合物を、上記変性により生じた側鎖に水酸基及びカルボキシル基を有する(メタ)アクリル共重合体の溶液中に滴下又は混合する方法が挙げられる。
この際に用いられる触媒としては特に限定されず、例えば、トリエチルアミン、トリプロミルアミン、テトラメチルエチレンジアミン、ジメチルラウリルアミン、トリエチルベンジルアンモニウムクロライド、トリメチルセチルアンモニウムブロマイド、テトラブチルアンモニウムブロマイド、トリメチルブチルホスホニウムブロマイド、テトラブチルホスホニウムブロマイド等が挙げられる。また、必要に応じて、p−メトキシフェノール、ヒドロキノン、ナフチルアミン、tert−ブチルカテコール、2,3−ジ−tert−ブチル−p−クレゾール等の重合禁止剤を用いてもよい。
上記製造方法に従い、上記変性により生じた側鎖に水酸基及びカルボキシル基を有する(メタ)アクリル共重合体にエポキシ化合物を反応させた場合には、式(2c)及び(2d)に示される構造単位が形成される。
側鎖に水酸基及びカルボキシル基を有する(メタ)アクリル共重合体に上記イソシアネート化合物やエポキシ化合物、ラクトン化合物、アルコール化合物等を反応させる際には、(メタ)アクリル共重合体中に含まれる水酸基のうち0〜100モル%に相当する量を反応させることができるが、好ましい下限は10モル%である。10モル%未満では、水酸基が多量に残存するため、樹脂の極性か高くなり、特に架橋モノマーとしてカプロラクトン変性された3官能以上の(メタ)アクリレート化合物を含有するものを用いた場合に充分な相溶性が得られないことがある。
また、側鎖に水酸基及びカルボキシル基を有する(メタ)アクリル共重合体に上記イソシアネート化合物やエポキシ化合物、ラクトン化合物、アルコール化合物等を反応させる際には、(メタ)アクリル共重合体中に含まれるカルボキシル基のうち、0〜90モル%に相当する量を反応させることができる。90モル%を超えると、残存するカルボキシル基の量が少なくなりすぎるため、アルカリ可溶性が損なわれ、現像性が低下することがある。
上記式(1a)、(1b)、(1c)、(1d)及び(1e)中のa、b、c、d、eは各成分のモル比率(%)を表し、a+b+c+d+e=100とするとき、a、b及びdの下限は0%、上限は90%である。また、cの下限は5%、上限は50%である。また、eの下限は5%、上限は60%である。cの下限は5%、上限は50%であるが、5%未満、すなわち、カルボキシル基含有の構造単位のモル比率が5%未満であると、アルカリ可溶性を付与することが困難であり、50%を超えると、現像時の膨潤が著しく、パターンの形成が困難となる。また、eの好ましい下限は5%、好ましい上限は60%であるが、5%未満であるとアルカリ可溶性樹脂の架橋構造への取り込みが不充分となり、圧縮変形からの回復率の向上効果が得られず、60%を超えると、架橋構造の架橋密度が高くなり、柔軟な特性が損なわれる。
上記反応性官能基を有するアルカリ可溶性高分子化合物(C)としては、不飽和カルボン酸及び/又は不飽和カルボン酸無水物と、ブロックイソシアネート基含有不飽和化合物とを含有する共重合体(C2)も好適である。このような構造を有する共重合体(C2)を含有する本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を用いて製造したカラムスペーサは、弾性に優れ、圧縮変形からの回復率に優れたものとなり、製造した表示素子には重力不良が生じることがない。この理由は、明確ではないが、以下の通りであると考えられる。すなわち、カラムスペーサを製造する際のポストベーク工程において、アルカリ可溶性高分子化合物(C)中のブロックイソシアネート基、カルボキシル基(及び水酸基)が反応することで、アルカリ可溶性高分子化合物(C)の可塑剤的な挙動が抑制され、製造するカラムスペーサの圧縮変形における塑性変形が抑えられるためと考えられる。
上記共重合体(C2)中の不飽和カルボン酸及び/又は不飽和カルボン酸無水物としては特に限定されず、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸等のモノカルボン酸;マレイン酸、フマル酸、シトラコン酸、メサコン酸、イタコン酸等のジカルボン酸;2−スクシニルオキシエチルメタクリレート、2−マレオイルオキシエチルメタクリレート、2−ヘキサヒドロフタロイルオキシエチルメタクリレート等のカルボキシル基及びエステル結合を有するメタクリル酸誘導体、及び、これらの無水物等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。なかでも、アクリル酸、メタクリル酸、2−ヘキサヒドロフタロイルオキシエチルメタクリレートが好適である。
上記共重合体(C2)における上記不飽和カルボン酸及び/又は不飽和カルボン酸無水物の構成比率としては特に限定されないが、好ましい下限は10重量%、好ましい上限は40重量%である。10重量%未満であると、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物にアルカリ可溶性を付与することが困難となり、40重量%を超えると、カラムスペーサを製造する際の現像時における膨潤が著しくカラムスペーサのパターンの形成が困難となることがある。より好ましい下限は15重量%、より好ましい上限は30重量%である。
また、上記共重合体(C2)中のブロックイソシアネート基含有不飽和化合物としては特に限定されず、例えば、イソシアネートを活性メチレン系、オキシム系、ラクタム系、アルコ−ル系等のブロック剤化合物によりブロック化することにより得られるものが挙げられる。具体的には、例えば、(メタ)アクリル酸2−(O−[1’−メチルプロピリデンアミノ]カルボキシアミノ)エチル等が挙げられ、このブロックイソシアネート基含有不飽和化合物の市販品としては、昭和電工社製の「カレンズMOI−BM」等が挙げられる。
上記共重合体(C2)における上記ブロックイソシアネート基含有不飽和化合物の構成比率としては特に限定されないが、好ましい下限は2重量%、好ましい上限は90重量%である。2重量%未満であると、アルカリ可溶性高分子化合物の架橋が不充分となり、カラムスペーサの塑性変形が大きく、製造する液晶表示素子に重力不良が発生し易くなる。90重量%を超えると、相対的に不飽和カルボン酸及び/又は不飽和カルボン酸無水物の含有量が低下するので、アルカリ可溶性を付与することが困難となる。より好ましい下限は5重量%、より好ましい上限は85重量%である。
上記共重合体(C2)は、更に、水酸基含有不飽和化合物を含有する共重合体であることが好ましい。水酸基が導入されることにより、ブロックイソシアネート基との架橋反応効率が向上するとともに、アルカリ現像時の溶解性を調整することができる。
上記共重合体(C2)中の水酸基含有不飽和化合物としては、例えば、(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシプロピル等の(メタ)アクリル酸ヒドロキシアルキルエステル等が挙げられる。
上記共重合体(C2)における上記水酸基含有不飽和化合物の構成比率としては特に限定されないが、好ましい上限は40重量%である。40重量%を超えると、アルカリ現像におけるパターンの防潤が著しく、パターンの解像度が低下するとともにパターンの流失等の欠陥が発生し易くなる。より好ましい30重量%である。
更に、上記共重合体(C2)は、上記不飽和カルボン酸及び/又は不飽和カルボン酸無水物、ブロックイソシアネート基含有不飽和化合物、並びに、水酸基含有不飽和化合物以外の重合性不飽和化合物由来の構造単位が含有された共重合体であってもよい。
上記重合性不飽和化合物としては、例えば、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸プロピル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸2−エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸ヒドロキシエチル等の(メタ)アクリル酸アルキルエステル;(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸2−メチルシクロヘキシル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンタニル、(メタ)アクリル酸イソボロニル等の(メタ)アクリル酸環状アルキルエステル;(メタ)アクリル酸フェニル、(メタ)アクリル酸ベンジル等の(メタ)アクリル酸アリールエステル;スチレン、α−メチルスチレン、p−メチルスチレン、p−クロロスチレン等の芳香族ビニル系単量体;アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のシアン化ビニル化合物;フェニルマレイミド、ベンジルマレイミド、ナフチルマレイミド、o−クロロフェニルマレイミド等の芳香族置換マレイミド;メチルマレイミド、エチルマレイミド、プロピルマレイミド、イソプロピルマレイミド等のアルキル置換マレイミド等が挙げられる。
上記共重合体(C2)の重量平均分子量としては特に限定されないが、好ましい下限は3000、好ましい上限は10万である。3000未満であると、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を用いてカラムスペーサを製造する際の現像性が低下する場合があり、10万を超えると、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を用いてカラムスペーサを製造する際の解像度が低下することがある。より好ましい下限は5000、より好ましい上限は5万である。
上記共重合体(C2)を製造する方法としては特に限定されず、例えば、ラジカル重合開始剤及び必要に応じて分子量調節剤を用いて、塊状重合、溶液重合、懸濁重合、分散重合、乳化重合等の従来公知の方法により重合する方法が挙げられる。なかでも、溶液重合が好適である。
溶液重合法により上記共重合体(C2)を製造する場合、使用する溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール、グリコール等の脂肪族アルコール類;セロソルブ、ブチルセロソルブ等のセロソルブ類;カルビトール、ブチルカルビトール等のカルビトール類;酢酸セロソルブ、酢酸カルビトール、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等のエステル類;ジエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類;テトラヒドロフラン等の環状エーテル、シクロヘキサノン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン類;ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド等の極性を有する有機溶剤等を用いることができる。
また、懸濁重合、分散重合、乳化重合等の非水系の分散重合により上記共重合体(C2)を製造する場合、使用する媒体としては、例えば、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン等の液状の炭化水素や、その他の非極性の有機溶剤等を用いることができる。
上記共重合体(C2)を製造する場合に用いるラジカル重合開始剤としては特に限定されず、例えば、過酸化物、アゾ開始剤等の従来公知のラジカル重合開始剤を用いることができる。
上記ラジカル重合開始剤の使用量としては、例えば、上記共重合体(C2)の全単量体成分100重量部に対して好ましい下限は0.001重量部、好ましい上限は5.0重量部であり、より好ましい下限は0.5重量部、より好ましい上限は3.0重量部である。
上記分子量調節剤としては、例えば、α−メチルスチレンダイマー、メルカプタン系の連鎖移動剤等が挙げられる。なかでも、炭素数8以上の長鎖アルキルメルカプタンが、臭気や着色の少なさの点で好ましい。
上記反応性官能基を有するアルカリ可溶性高分子化合物(C)としては、側鎖にエポキシ基を有するアルカリ可溶(メタ)アクリル共重合体(C3)も好適である。このような共重合体(C3)としては、例えば、不飽和カルボン酸及び/又は不飽和カルボン酸無水物、エポキシ基含有不飽和化合物、及び、これら以外のその他の不飽和化合物の共重合体(C3−1)が挙げられる。
上記不飽和カルボン酸及び/又は不飽和カルボン酸無水物としては特に限定されず、例えば、共重合体(C2)で用いられるものと同様のものが挙げられる。
上記共重合体(C3−1)に占める上記不飽和カルボン酸及び/又は不飽和カルボン酸無水物の量としては特に限定されないが、好ましい下限は5重量%、好ましい上限は40重量%である。5重量%未満であると、アルカリ水溶液に溶解しにくくなり、40重量%を超えると、アルカリ水溶液に対する溶解性が大きくなりすぎる傾向にある。より好ましい下限は10重量%であり、より好ましい上限は30重量%である。
上記エポキシ既含有不飽和化合物としては特に限定されず、例えば、アクリル酸グリシジル、メタクリル酸グリシジル、α−エチルアクリル酸グリシジル、α−n−プロピルアクリル酸グリシジル、α−n−ブチルアクリル酸グリシジル、アクリル酸−3,4−エポキシブチル、メタクリル酸−3,4−エポキシブチル、アクリル酸−6,7−エポキシヘプチル、メタクリル酸−6,7−エポキシヘプチル、α−エチルアクリル酸−6,7−エポキシヘプチル、o−ビニルベンジルグリシジルエーテル、m−ビニルベンジルグリシジルエーテル、p−ビニルベンジルグリシジルエーテル等が挙げられる。なかでも、メタクリル酸グリシジル、メタクリル酸−6,7−エポキシヘプチル、o−ビニルベンジルグリシジルエーテル、m−ビニルベンジルグリシジルエーテル及びp−ビニルベンジルグリシジルエーテルは、共重合反応性及び得られるカラムスペーサの強度を高める点から好ましく用いられる。これらは単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
上記共重合体(C3−1)に占めるエポキシ基含有不飽和化合物の量としては特に限定されないが、好ましい下限は10重量%、好ましい上限は70重量%である。10重量%未満であると、得られるカラムスペーサの強度が低下する傾向にあり、70重量%を超えると、共重合体(C3−1)の保存安定性が低下する傾向にある。より好ましい下限は20重量%、より好ましい上限は60重量%である。
上記共重合体(C3−1)における他の不飽和化合物としては特に限定されず、例えば、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、n−ブチルメタクリレート、sec−ブチルメタクリレート、t−ブチルメタクリレート等のメタクリル酸アルキルエステル;メチルアクリレート、イソプロピルアクリレート等のアクリル酸アルキルエステル;シクロヘキシルメタクリレート、2−メチルシクロヘキシルメタクリレート、ジシクロペンタニルメタクリレート、ジシクロペンタニルオキシエチルメタクリレート、イソボロニルメタクリレート等のメタクリル酸環状アルキルエステル;シクロヘキシルアクリレート、2−メチルシクロヘキシルアクリレート、ジシクロペンタニルアクリレート、ジシクロペンタオキシエチルアクリレート、イソボロニルアクリレート等のアクリル酸環状アルキルエステル;フェニルメタクリレート、ベンジルメタクリレート等のメタクリル酸アリールエステル;フェニルアクリレート、ベンジルアクリレート等のアクリル酸アリールエステル;マレイン酸ジエチル、フマル酸ジエチル、イタコン酸ジエチル等のジカルボン酸ジエステル;2−ヒドロキシエチルメタクリレート、2−ヒドロキシプロピルメタクリレート等のヒドロキシアルキルエステル;スチレン、α−メチルスチレン、m−メチルスチレン、p−メチルスチレン、ビニルトルエン、p−メトキシスチレン、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、塩化ビニル、塩化ビニリデン、アクリルアミド、メタクリルアミド、酢酸ビニル、1,3−ブタジエン、イソプレン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン等が挙げられる。なかでも、スチレン、t−ブチルメタクリレート、ジシクロペンタニルメタクリレート、p−メトキシスチレン、2−メチルシクロヘキシルアクリレート、1,3−ブタジエン等が共重合反応性及びアルカリ水溶液に対する溶解性の点から好適である。これらは単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
上記共重合体(C3−1)に占める上記その他の不飽和化合物の量としては特に限定されないが、好ましい下限は10重量%、好ましい上限は70重量%である。10重量%未満であると、共重合体(C3−1)の保存安定性が低下する傾向にあり、70重量%を超えると、共重合体(C3−1)がアルカリ水溶液に溶解しにくくなる。より好ましい下限は20重量%、より好ましい上限は50重量%である。
上記共重合体(C3−1)は、上記不飽和カルボン酸及び/又は不飽和カルボン酸無水物、エポキシ基含有不飽和化合物、及び、これら以外のその他の不飽和化合物を、従来公知のラジカル重合開始剤とともに溶剤中で共重合することで得ることができる。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物において、上記アルカリ可溶性高分子化合物(C)の配合量としては特に限定されないが、カラムスペーサ用硬化性樹脂組成物の固形分において、好ましい下限は10重量%、好ましい上限は90重量%である。10重量%未満であると、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物にアルカリ可溶性を付与することが困難であり、90重量%を超えると、本発明のカラムスペーサの特徴である柔軟性を発現することが困難となる。より好ましい下限は20重量%、より好ましい上限は60重量%である。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、光反応開始剤(D)を含有する。
上記光反応開始剤としては特に限定されず、例えば、ベンゾイン、ベンゾフェノン、ベンジル、チオキサントン及びこれらの誘導体等、従来公知の光反応開始剤が挙げられる。具体的には、例えば、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル、ミヒラーケトン、(4−(メチルフェニルチオ)フェニル)フェイルメタノン、2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン、1−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトン、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニル−プロパン−1−オン、1−(4−(2−ヒドロキシエトキシ)−フェニル)−2−ヒドロキシ−2−メチル−1−プロパン−1−オン、2−メチル−1(4−メチルチオ)フェニル)−2−モルフォリノプロパン−1−オン、2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)−ブタノン−1、ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルフォスフィンオキサイド、ビス(2,6−ジメトキシベンゾイル)−2,4,4−トリメチル−ペンチルフォスフィンオキサイド、2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイド、2,4−ジエチルチオキサントン、2−クロロチオキサントン等が挙げられる。これらの光反応開始剤は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物において、上記光反応開始剤の含有量としては特に限定されないが、好ましい下限は1重量%、好ましい上限は20重量%である。1重量%未満であると、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物が光硬化しないことがあり、20重量%を超えると、フォトリソグラフィーにおいてアルカリ現像できないことがある。より好ましい下限は5重量%、より好ましい上限は15重量%である。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、酸素による反応障害を軽減するために反応助剤を含有してもよい。このような反応助剤と水素引き抜き型の光反応開始剤とを併用することにより光照射したときの硬化速度を向上させることができる。
上記反応助剤としては、n−ブチルアミン、ジ−n−ブチルアミン、トリエチルアミン、トリエチレンテトラミン、p−ジメチルアミノ安息香酸エチル、p−ジメチルアミノ安息香酸イソアミル等のアミン系;トリ−n−ブチルホスフィン等のホスフィン系;s−ベンジルイソチウロニウム−p−トルエンスルフィネート等のスルホン酸のもの等を用いることができる。これらの反応助剤は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、更に、2以上のブロックイソシアネート基を有する化合物(E)を含有することが好ましい。上記2以上のブロックイソシアネート基を有する化合物(E)は、熱架橋剤として働き、このような2以上のブロックイソシアネート基を有する化合物(E)を含有することで、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物に熱硬化性を付与することができる。
上記2以上のブロックイソシアネート基を有する化合物(E)としては特に限定されず、例えば、トリレンジイソシアネート、4,4−ジフェニルメタンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、メチレンビス(4−シクロヘキシルイソシアネート)、トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、及び、これらのオリゴマーからなる多官能イソシアネートを、活性メチレン系、オキシム系、ラクタム系、アルコ−ル系等のブロック剤化合物によりブロック化することにより得られるもの等が挙げられる。これらの2以上のブロックイソシアネート基を有する化合物(E)は、単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
また、このような2以上のブロックイソシアネート基を有する化合物(E)のうち市販されているものとしては、例えば、デュラネート17B−60PX、デュラネートE−402−B80T(以上、旭化成ケミカルズ社製)等が挙げられる。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物に上記2以上のブロックイソシアネート基を有する化合物(E)が含有されている場合、その配合量としては、上記アルカリ可溶性高分子化合物(C)100重量部に対して好ましい下限が0.01重量部、好ましい上限が50重量部である。0.01重量部未満であると、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物が充分に熱硬化しないことがあり、50重量部を超えると、得られる硬化物の架橋度が高くなりすぎて後述する弾性特性を満たさないことがある。より好ましい下限は0.05重量部、より好ましい上限は20重量部である。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、下記化学式(9)又は(10)で表される構造を有する化合物であるフッ素系界面活性剤(F)を含有してもよい。
Figure 0004286856
Figure 0004286856
化学式(9)及び(10)中、R13は、水素又は1〜6の炭素原子を有するアルキル基を表し、R14及びR15は、それぞれ独立して、直鎖又は分岐鎖の1〜20の炭素原子を有するアルキル基を表し、該R14、R15で表されるアルキル基の水素原子の少なくとも50%がフッ素原子で置換されており、kは、それぞれ独立して1〜6を表し、lは、2〜40を表す。
上記フッ素系界面活性剤(F)は、いわゆるレベリング剤として用いられるものであり、上記構造のレベリング剤は、少量の添加で非常に高いレベリング効果を発揮し得るものである。このようなフッ素系界面活性剤(F)を含有する本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、高さ均一性に優れたカラムスペーサが得られる。
また、このようなレベリング剤は、上述の特定の構造の分子内に2以上の重合性不飽和結合を有する化合物(A)、なかでもカプロラクトン等で変性された分子内に2以上の重合性不飽和結合を有する化合物(A)と組み合わせて用いることで、優れた柔軟性と高い圧縮回復性とを有するカラムスペーサについて、スペーサ高さを極めて均一に形成することができる。
上記フッ素系界面活性剤(F)としては、上記化学式(9)又は(10)で表される構造を有する化合物であれば特に限定されず、例えば、上記化学式(9)又は(10)で表される構造をポリフルオロオキセタンブロックとして含むブロックコポリマーであってもよい。
上記フッ素系界面活性剤(F)としては、例えば、オムノバ ソリューソンズ インコーポレーティッド社よりPolyFoxシリーズとして供給されている。なかでも、イオンによる液晶汚染を避けるため、非イオン性であることが好ましく、例えば、PF−636、PF−6320、PF−651、PF−652、PF−656、PF−6520、PF−151N、AT−1045、AT−1084、AT−1085、AT−1089等が好ましい。
更に、上記フッ素系界面活性剤(F)のポリエーテル主鎖構造の片末端又は両末端に重合性不飽和結合を有することが好ましい。上記フッ素系界面活性剤(F)が分子中に重合性不飽和結合を有することにより、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物の重合硬化時にフッ素系界面活性剤(F)分子も重合構造中に取り込まれ、フッ素系界面活性剤(F)の液晶への溶出による汚染を著しく低減することができる。このようなフッ素系界面活性剤(F)としては、PolyFoxシリーズのうち、AT−1005、PF−3320等が挙げられる。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物において、上記フッ素系界面活性剤(F)の配合量としては特に限定されないが、カラムスペーサ用硬化性樹脂組成物において、好ましい下限は0.01重量%、好ましい上限は1.0重量%である。0.01重量%未満であると、上述した本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物のレベリング効果が不充分となることがあり、1.0重量%を超えると、液晶を汚染する可能性がある。より好ましい下限は0.05重量%、より好ましい上限は1.0重量%である。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、粘度を調整するために希釈剤により希釈されてもよい。
上記希釈剤としては、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物との相溶性、塗工方法、乾燥時の膜均一性、乾燥効率等を考慮して選択すればよく特に限定されないが、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物をスピンコーター、スリットコーターを用いて塗工する場合には、例えば、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、エチルセルソルブアセテート、ジ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エチルエーテルアセテート、イソプロピルアルコール等の有機溶媒が好適である。これらの希釈剤は、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、必要に応じて、基板との密着性を向上するためのシランカップリング剤等、従来公知の添加剤が含有されていてもよい。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、エポキシ(メタ)アクリレート化合物(B)を含有するため、カラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、充分な可撓性を有し、圧縮変形時における挫屈強度に優れる。更に、カプロラクトン変性、エチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性された分子内に2以上の重合性不飽和結合を有する化合物(A)を含有する場合、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、圧縮変形からの高い回復性と、柔軟で低弾性率であることとを両立したカラムスペーサを製造することができ、このようなカラムスペーサを用いれば、低温発泡を生ずることなく、重力不良による色ムラの発生を効果的に抑制した液晶表示素子を得ることができる。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、光照射(及び加熱)により硬化させ、底面積を100μm、高さを3.0μmとした場合の硬化物の挫屈強度の好ましい下限が30mNである。30mN未満であると、得られる液晶表示素子に圧力が加わった際に、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を用いてなるカラムスペーサが挫屈することによって、液晶配向に乱れが生じ、画質が悪化することがある。より好ましい下限は40mN、更に好ましい下限は50mNである。
なお、本明細書において硬化物とは、光照射(及び加熱)により本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物をほぼ完全に硬化させたときの硬化物を意味する。ほぼ完全に硬化させる条件は、少なくとも、50mJ/cmの紫外線を照射し、更に、加熱する場合は、200〜250℃の温度で20分程度熱処理を加えることによりほぼ完全に硬化させることができる。
また、本明細書において、挫屈強度とは、荷重と変形との関係について、以下の方法により測定される履歴曲線の肩の位置に対応する荷重の大きさをいう(以下、挫屈荷重ともいう)。更に、回復率もまた、以下の方法により測定したものである。
すなわち、まず、基板上に形成したカラムスペーサを10mN/sの速度で荷重を加え、所定の荷重に達するまで圧縮する。ここで1mNの荷重を加えた際のカラムスペーサ高さをH、所定の荷重に達するまで圧縮した時点のカラムスペーサ高さをH、Hに達した時点での荷重をFとする。次いで、この荷重Fを5秒間保持し、定荷重での変形を与えた後、10mN/秒の速度で荷重の負荷を取り除き弾性回復によるカラムスペーサ高さの回復変形を測定する。この間の圧縮変形が最大となった時点のカラムスペーサ高さをHとし、カラムスペーサの変形を回復する過程における1mNの荷重を加えた時のカラムスペーサ高さをHとする。回復率は、下記式(1)により算出することができる。
回復率R=(H−H)/(H−H)×100 (1)
このような本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、光照射(及び加熱)により硬化させたときの硬化物の25℃における15%圧縮時の弾性係数の好ましい下限が0.2GPa、好ましい上限が1.0GPaである。0.2GPa未満であると、軟らかすぎて、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を用いてなるカラムスペーサがセルギャップの保持が困難となることがあり、1.0GPaを超えると、硬すぎて、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を用いた基板貼り合わせ時にカラーフィルター層に突入してしまったり、回復に必要な充分な弾性変形が得られなかったりすることがある。より好ましい下限は0.3GPa、より好ましい上限は0.9GPaであり、更に好ましい下限は0.5GPa、更に好ましい上限は0.7GPaである。
また、本明細書において15%圧縮とは、カラムスペーサの高さの変形率が15%となるように圧縮することを意味する。更に、弾性係数及び15%圧縮回復率は、以下の方法により測定したものである。
すなわち、まず、基板上に形成したカラムスペーサを10mN/sの速度で荷重を加え圧縮し、初期高さHの85%に相当する高さになるまで圧縮する。ここで1mNの荷重を加えた際のカラムスペーサ高さをH、Hの85%に相当するカラムスペーサ高さをH、Hに達した時点での荷重をFとする。次いで、この荷重Fを5秒間保持し、定荷重での変形を与えた後、10mN/秒の速度で荷重の負荷を取り除き弾性回復によるカラムスペーサ高さの回復変形を測定する。この間の圧縮変形が最大となった時点のカラムスペーサ高さをHとし、カラムスペーサの変形を回復する過程における1mNの荷重を加えた時のカラムスペーサ高さをHとする。弾性計数及び15%圧縮回復率は、下記式(2)及び下記式(3)により算出することができる。
弾性係数E=F/(D×S) (2)
15%圧縮回復率R=(H−H)/(H−H)×100 (3)
式(2)中、Fは荷重(N)を表し、Dはカラムスペーサの高さの変形率を表し、Sはカラムスペーサの断面積(m)を表す。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を製造する方法としては特に限定されず、例えば、上述した分子内に2以上の重合性不飽和結合を有する化合物(A)、エポキシ(メタ)アクリレート化合物(B)、アルカリ可溶性高分子化合物(C)、光反応開始剤(D)、及び、必要に応じて添加される2以上のブロックイソシアネート基を有する化合物(E)、フッ素系界面活性剤(F)、希釈剤等を従来公知の方法により混合する方法が挙げられる。
次に、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を用いてカラムスペーサを製造する方法を説明する。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を用いてカラムスペーサを製造する場合には、まず、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を所定の厚さになるように基板上に塗工して被膜を形成する。
上記塗工の方法としては特に限定されず、例えば、スピンコート、スリット&スピン、スリットコート、スプレーコート、ディップコート、バーコート等の従来公知の塗工法を用いることができる。
次いで、形成した被膜上に、所定のパターンが形成されたマスクを介して、紫外線等の活性光線を照射する。これにより、光照射部においては、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物中に含まれるアルカリ可溶性高分子化合物と光反応開始剤とが反応して光硬化する。
上記活性光線の照射量としては特に限定されないが、紫外線の場合で50mJ/cm以上であることが好ましい。50mJ/cm未満であると、光硬化が不充分で続くアルカリ処理を行ったときに露光部まで溶解しパターンが形成されないことがある。
次いで、光硬化後の光硬化物をアルカリ現像して基板上に本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物の光硬化物からなる所定のパターンのカラムスペーサを形成する。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、上述した特定の構造を有するエポキシ(メタ)アクリレート化合物(B)を含有するため、充分な可撓性を有し、優れた挫屈強度を有するカラムスペーサを形成することができる。また、上述したカプロラクトン変性、エチレンオキサイド変性及び/又はプロピレンオキサイド変性された分子内に2以上の重合性不飽和結合を有する化合物(A)を含有する場合、本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、その硬化物が圧縮変形からの高い回復性と、柔軟で低弾性率とを有するものとすることができる。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物が2以上のブロックイソシアネート基を有する化合物(E)を含有する場合には、更に、現像処理後のパターン化された光硬化物を加熱することにより、含有されるアルカリ可溶性高分子化合物と2以上のブロックイソシアネート基を有する化合物(E)とが反応する。
上記加熱の条件としては、上記パターンの大きさや厚さ等を考慮して適宜決定すればよいが、少なくとも、200℃、20分間以上であることが好ましい。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を用いてなるカラムスペーサもまた、本発明の1つである。
本発明のカラムスペーサは、底面積を100μm、高さを3.0μmとした場合の挫屈強度の好ましい下限が30mNである。30mN未満であると、得られる液晶表示素子に圧力が加わった際に、カラムスペーサが挫屈することによって、液晶配向に乱れが生じ、画質が悪化することがある。より好ましい下限は40mN、更に好ましい下限は50mNである。
本発明のカラムスペーサは、25℃における15%圧縮時の弾性係数の好ましい下限が0.2GPa、好ましい上限が1.0GPaである。0.2GPa未満であると、軟らかすぎてセルギャップの保持が困難となることがあり、1.0GPaを超えると、硬すぎて基板貼り合わせ時にカラーフィルター層に突入してしまったり、回復に必要な充分な弾性変形が得られなかったりすることがある。より好ましい下限は0.3GPa、より好ましい上限は0.9GPaであり、更に好ましい下限は0.5GPa、更に好ましい上限は0.7GPaである。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物、又は、本発明のカラムスペーサを用いることによって、圧力が加わった場合であっても画質が悪化することのない液晶表示素子を製造することができる。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物、又は、本発明のカラムスペーサを用いてなる液晶表示素子もまた、本発明の1つである。
本発明のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物は、得られるカラムスペーサの可撓性を向上させ、挫屈強度に優れたものとすることができる。このようなカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物によれば、加圧された場合であっても画質が悪化することのない液晶表示素子を提供できる。
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
実施例1、3、5、7、参考例1、2、3、比較例1)
(1)アルカリ可溶性高分子化合物溶液の調整
3L容のセパラブルフラスコに、溶媒としてDEGDME(ジエチレングリコールジメチルエーテル)60重量部を仕込み、窒素雰囲気下にて90℃に昇温した後、メタクリル酸メチル10重量部、メタクリル酸8重量部、メタクリル酸n−ブチル12重量部、アクリル酸2−エチルヘキシル10重量部、アゾビスバレロニトリル0.4重量部、及び、n−ドデシルメルカプタン0.8重量部を3時間かけて連続的に滴下した。その後、90℃にて30分間保持した後、温度を105℃に昇温し、重合を3時間継続し、アルカリ可溶性高分子化合物溶液(固形分率40重量%)を得た。
得られたアルカリ可溶性高分子化合物溶液からアルカリ可溶性高分子化合物をサンプリングし、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)にて分子量を測定したところ、重量平均分子量(Mw)は約2万であった。
(2)カラムスペーサ用硬化性樹脂組成物の調製
得られたアルカリ可溶性高分子化合物溶液を用いて、下記表1に示した重量比の各原料からなる混合組成物を従来公知の方法により混合し、実施例1〜7及び比較例1に係るカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を調製した。
なお、表1中、「A−SA−TMM」はカルボン酸付加カプロラクトン変性テトラメチロールメタントリアクリレート(テトラメチロールメタン1モルにカプロラクトン8モルを反応させてなる化合物1モルに、アクリル酸3モルをエステル化により反応した化合物の水酸基に、テトラヒドロ無水カルボン酸1モルを付加した試作品)、「I−907」はイルガキュア907(チバスペシャルティケミカルズ社製)、「DETX−S」はカヤキュアDETX−S(日本化薬社製)、「EDB」はSpeedcureEDB(日本シイベルヘグナー社製)、「PCR−1157H」はフェノールノボラック型酸変性エポキシアクリレート(日本化薬社製)、「EA−7120」はクレゾールノボラック型エポキシアクリレート、「EA−7140」はクレゾールノボラック型カルボン酸無水物変性エポキシアクリレート、「EA−7420」はクレゾールノボラック型エポキシアクリレート、「EA−7440」はクレゾールノボラック型カルボン酸無水物変性エポキシアクリレート、「EA−6320」はフェノールノボラック型エポキシアクリレート、「EA−6340」はフェノールノボラック型カルボン酸無水物変性エポキシアクリレート(以上、新中村化学社製)、「DEGDME」はジエチレングリコールジメチルエーテルである。
(3)カラムスペーサの作製
150mm×150mmの透明導電膜が形成されたガラス基板上に、得られた実施例1〜7及び比較例1に係るカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物をスピンコートにより塗布し、100℃、2分間乾燥して塗膜を得た。得られた塗膜に、8μm角のドットパターンマスクを介して300mJ/cmの紫外線を照射した後、0.04%KOH溶液により80秒間現像し、純水にて30秒間洗浄してカラムスペーサのパターンを形成した。
その後、220℃、30分のベーキング処理を行いカラムスペーサを作製した。得られたカラムスペーサは、底面積が100μm、高さが3μmであった。
Figure 0004286856
(評価)
実施例1、3、5、7、参考例1、2、3及び比較例1で得られたカラムスペーサについて以下の方法により評価を行った。
結果を表2に示した。
(カラムスペーサの評価)
(1)現像性
光学顕微鏡により現像残渣の有無を観察し、以下の基準により評価した。
○:現像残渣が無い状態
△:現像残渣が若干見られる状態
×:現像残渣が見られる状態
(2)40mN荷重回復率(%)の測定
温度25℃に調整した室内において、カラムスペーサを10mN/sの速度で荷重を加え圧縮し、40mNの荷重まで圧縮した。ここで10mNの荷重を加えた際のカラムスペーサ高さをH、荷重が40mNとなった時点のカラムスペーサ高さをHとした。次いで、40mNの荷重を5秒間保持し、定荷重での変形を与えた後、10mN/秒の速度で荷重の負荷を取り除き弾性回復によるカラムスペーサ高さの回復変形を測定した。この間の圧縮変形が最大となった時点のカラムスペーサ高さをHとし、カラムスペーサの変形を回復する過程における10mNの荷重を加えた時のカラムスペーサ高さをHとした。得られた各値を用いて、上記式(1)により40mN荷重回復率(%)を算出した。
(3)500mN荷重回復率(%)の測定
500mNまで荷重を加えたこと以外は、40mN荷重回復率(%)の測定と同様にして500mN荷重回復率(%)を算出した。
(4)挫屈荷重(mN)の測定
上述の(2)及び(3)の評価で得られた荷重とカラムスペーサの変形との関係に係る履歴曲線から、挫屈荷重(mN)を得た。各実施例及び比較例で得られたカラムスペーサについて得られた履歴曲線を図1〜8に示した。
Figure 0004286856
本発明によれば、充分な可撓性を有し、挫屈強度に優れたカラムスペーサを形成することができるカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物、該カラムスペーサ硬化性樹脂組成物を用いてなるカラムスペーサ及び液晶表示素子を提供することができる。
実施例1で作製したカラムスペーサに40mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。 実施例1で作製したカラムスペーサに500mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。 参考例1で作製したカラムスペーサに40mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。 参考例1で作製したカラムスペーサに500mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。 実施例3で作製したカラムスペーサに40mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。 実施例3で作製したカラムスペーサに500mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。 参考例2で作製したカラムスペーサに40mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。 参考例2で作製したカラムスペーサに500mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。 実施例5で作製したカラムスペーサに40mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。 実施例5で作製したカラムスペーサに500mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。 参考例3で作製したカラムスペーサに40mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。 参考例3で作製したカラムスペーサに500mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。 実施例7で作製したカラムスペーサに40mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。 実施例7で作製したカラムスペーサに500mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。 比較例1で作製したカラムスペーサに40mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。 比較例1で作製したカラムスペーサに500mNの荷重を加えて得られた履歴曲線である。

Claims (6)

  1. 分子内に2以上の重合性不飽和結合を有する化合物(A)、エポキシ(メタ)アクリレート化合物(B)、アルカリ可溶性高分子化合物(C)及び光反応開始剤(D)を含有するカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物であって、
    前記エポキシ(メタ)アクリレート化合物(B)は、下記化学式(1)で表される構造を有する化合物である
    ことを特徴とするカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物。
    Figure 0004286856
    式中、R及びRは水素又はメチル基を表し、Rは多塩基酸無水物に由来しカルボキシル基を有する原子団を表し、mは0又は正の整数を表し、nは正の整数を表す。
  2. エポキシ(メタ)アクリレート化合物(B)は、酸変性エポキシ(メタ)アクリレート化合物であることを特徴とする請求項1記載のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物。
  3. 分子内に2以上の重合性不飽和結合を有する化合物(A)は、カプロラクトン変性、エチレンオキサイド及び/又はプロピレンオキサイド変性されたメタアクリレート化合物であることを特徴とする請求項1又は2記載のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物。
  4. 更に、2以上のブロックイソシアネート基を有する化合物(E)を含有することを特徴とする請求項1、2又は3記載のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物。
  5. 請求項1、2、3又は4記載のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物を用いてなることを特徴とするカラムスペーサ。
  6. 請求項1、2、3又は4記載のカラムスペーサ用硬化性樹脂組成物、又は、請求項5記載のカラムスペーサを用いてなることを特徴とする液晶表示素子。
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