JP4905153B2 - 活性エネルギー線硬化性組成物 - Google Patents
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Description
液晶表示素子や固体撮像素子に用いられるカラーフィルターの製造方法としては、印刷法、染色法、電着法、顔料分散法などが知られている。これらの方法のうち、顔料分散法は、顔料を活性エネルギー線硬化性組成物に分散させてフォトリソグラフ法によりカラーフィルターを製造する方法である。この顔料分散法は、顔料を使用していることにより、耐光性や耐熱性に優れ、しかもフォトリソグラフ法であるために位置精度に優れているという長所があり、汎く採用されている。
しかし、従来の活性エネルギー線硬化性組成物では、顔料の分散性が悪いために光の透過性に劣り、しかも時間の経過に伴って顔料が凝集するという問題がある。さらに、ガラス基板との密着性が悪いために、基板から剥離し易いという欠点がある。
しかし、ポリスチレン、ポリベンジルメタクリレート、ポリアルキル(メタ)アクリレートなどを枝部とするグラフト共重合体は、分散性能が不十分であり、光透過性にも劣っているため、分散剤を併用する必要がある。しかも、グラフト共重合体が活性エネルギー線硬化性の官能基が持たないため、活性エネルギー線で硬化した後に生成する被膜や塗膜は、硬度、耐水性、耐久性が不十分である。
(1) 活性エネルギー線硬化性官能基を有する重合体を幹部とし、3級アミノ基およびカルボキシル基を有する重合体を枝部とする活性エネルギー線硬化性グラフト共重合体、並びに(メタ)アクリロイル基を1個以上有する分子量が100〜5,000の活性エネルギー線硬化性化合物を含有することを特徴とする活性エネルギー線硬化性組成物である。
(2) 活性エネルギー線硬化性グラフト共重合体の重量平均分子量が3,000〜300,000である前記(1)の活性エネルギー線硬化性組成物;
(3) 活性エネルギー線硬化性グラフト共重合体において、3級アミノ基が、枝部をなす重合体の形成に用いた3級アミノ基含有不飽和単量体に由来し、且つ枝部なす重合体における3級アミノ基含有不飽和単量体単位の割合が0.1〜50重量%であり、カルボキシル基の含有量がグラフト共重合体1g当たり1〜120mgKOHであり、活性エネルギー線硬化性官能基の含有量がグラフト共重合体1g当たり不飽和二重結合量で2×10-4〜40×10-4eqである、前記(1)または(2)の活性エネルギー線硬化性組成物;
(4) 活性エネルギー線硬化性グラフト共重合体が、3級アミノ基と水酸基を有する重合体を枝部としカルボキシル基を有する重合体を幹部とするグラフト共重合体(a)に、エポキシ基と活性エネルギー線硬化性官能基を有する単量体(b)を反応させ、次いで二塩基酸無水物(c)を反応させて製造したものである前記(1)〜(3)のいずれかの活性エネルギー線硬化性組成物;および、
(5) 活性エネルギー線硬化性グラフト共重合体:活性エネルギー線硬化性化合物の重量比が、30:70〜80:20である前記(1)〜(4)のいずれかの活性エネルギー線硬化性組成物;
である。
本発明の活性エネルギー線硬化性組成物は、前記した優れた特性を活かして、紫外線や電子線などの活性エネルギー線で硬化するインキ、塗料、被覆剤、接着剤、フォトレジストインキ、カラーフィルター、ドライフィルムなどの種々の用途に有効に使用することができる。
本発明の活性エネルギー線硬化性組成物で用いる活性エネルギー線硬化性グラフト共重合体は、本発明者らの見出した方法で円滑に製造することができる。
本発明で用いる活性エネルギー線硬化性グラフト共重合体としては、活性エネルギー線硬化性官能基を有する重合体を幹部としアミノ基とカルボキシル基を有する重合体を枝部とするグラフト共重合体[以下このグラフト共重合体を「グラフト共重合体(A)」ということがある]を挙げることができる。
グラフト共重合体(A)における幹部をなす重合体の好ましい分子量は、数平均分子量で1,500〜100,000であり、特に好ましくは2,500〜50,000であり、重量平均分子量で3,000〜300,000であり、特に好ましくは5,000〜100,000である。
また、グラフト共重合体(A)における枝部をなす重合体の好ましい分子量は、数平均分子量で1,000〜20,000であり、特に好ましくは1,500〜20,000であり、重量平均分子量で2,000〜40,000であり、特に好ましくは3,000〜40,000である。
グラフト共重合体(A)全体では、その好ましい分子量は、数平均分子量で1,500〜100,000、特に2,500〜50,000であり、重量平均分子量で3,000〜300,000であり、特に好ましくは5,000〜100,000である。グラフト共重合体(A)の分子量が3,000を下回ると、それを含む組成物を硬化して得られる塗膜や被膜の強度が低下するため好ましくない。また、グラフト共重合体(A)の重量平均分子量が300,000を超えると高粘度となり、それを含む組成物の塗布時のレベリング性が低下するため好ましくない。粘度を低下させるためには、組成物中での分子中に(メタ)アクリロイル基を1個以上有する分子量100〜5,000のアクリルオリゴマー量を増やすこともできるが、分散性能が低下するため好ましくない。
なお、本明細書でいう数平均分子量および重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーによるポリスチレン換算での分子量をいう。
本明細書でいう「活性エネルギー線硬化性」とは、紫外線などの光線(光エネルギー)、電子線、X線、α線、β線、γ線、中性子線などの放射線などの活性エネルギー線を照射したときに反応して硬化し得る性質をいう。そのうちでも、グラフト共重合体(A)が有する活性エネルギー線硬化性官能基は、紫外線または電子線を照射したときに硬化反応を生ずる基であることが好ましい。
そのうちでも、グラフト共重合体(A)は、3級アミノ基と水酸基を有する重合体を枝部としカルボキシル基を有する重合体を幹部とするグラフト共重合体(a)に、エポキシ基と活性エネルギー線硬化性官能基を有する単量体(b)(以下「エポキシ基含有単量体(b)」ということがある)を反応させ、次いで二塩基酸無水物(c)を反応させることによって特に好ましく製造することができる。
(i) 末端に重合性不飽和二重結合を有し且つ3級アミノ基および水酸基を有するマクロモノマーの存在下にカルボキシル基含有単量体および他の単量体を共重合してグラフト共重合体(a)を製造する方法(マクロモノマー法);
(ii) 重合体セグメント中にアゾ基やパーオキサイド基等の重合開始基を有し且つカルボキシル基を有する重合体の存在下に3級アミノ基含有単量体、水酸基含有単量体および他の単量体を共重合してグラフト共重合体(a)を製造する方法;
(iii) 連鎖移動能の大きい基を側鎖に持ち且つカルボキシル基を有する重合体に3級アミノ基含有単量体、水酸基含有単量体および他の単量体をグラフト重合してグラフト共重合体(a)を製造する方法;
などを挙げることができる。
グラフト共重合体(a)におけるアミノ基および水酸基を有するマクロモノマーの共重合割合としては、グラフト共重合体(a)の重量(固形分ベース)に基づいて1〜60重量%であることが好ましく、3〜50重量%であることがより好ましい。マクロモノマーの共重合割合が1重量%未満であると最終的に得られるグラフト共重合体(A)の分散性が低下し易くなり、一方60重量%を超えるとグラフト共重合体(a)を製造する際のマクロモノマーと単量体との共重合性が低下して重合液の白濁を招き、これが原因で硬化物の透明性が損なわれ易くなる。
上記した単量体のうち、幹部の形成に当たっては、アルキル(メタ)アクリレートおよびベンジルメタクリレートの1種または2種以上が好ましく用いられ、これらの単量体を用いると最終的に得られるグラフト共重合体(A)と(メタ)アクリロイル基を有する活性エネルギー線硬化性化合物との相溶性が良好になる。
また、枝部の形成に当たっては、アルキル(メタ)アクリレート、ベンジルメタクリレート、スチレンおよびαーメチルスチレンの1種または2種以上が好ましく用いられ、これらの単量体を用いると最終的に得られるグラフト共重合体(A)の顔料分散性が良好になる。
二塩基酸無水物(c)による変性反応は、エポキシ基含有単量体(b)による付加反応の終了後に行う必要がある。二塩基酸無水物(c)を添加してからエポキシ基含有単量体(b)を添加すると、グラフト共重合体の幹部と枝部にカルボキシル基が等比率で導入され、その結果幹部および枝部の極性がほぼ類似となり、得られるブロック共重合体の分散性能が低下する。また、グラフト共重合体(a)の枝部に存在するアミノ基と二塩基酸無水物(c)との反応を防止するために、該アミノ基は上述のように3級アミノ基である。
上記した一連の反応を行うことにより、グラフト共重合体(A)が得られる。
顔料の好ましい配合割合は、上記グラフト共重合体(A)とアクリルオリゴマーの合計量、すなわち、重合性化合物100重量部当たり、5〜80重量部である。顔料の配合量が5重量部未満であると色純度が上がらず実用的でなく、一方80重量部を超えるとアルカリ現像後に非画像部の地汚れや膜残りが生じ易い。
カラーフィルターやインキ用途で使用する顔料に特に制限はなく、従来公知の無機顔料や有機顔料を用いることができる。無機顔料としては、鉄、コバルト、アルミニウム、カドミウム、鉛、銅、チタン、クロム、亜鉛等の金属酸化物や金属錯体等をあげることができる。有機染顔料としては、C.I.Pigment Yellow、C.I.Pigment Orange、C.I.Pigment Red、C.I.Pigment Violet、C.I.Pigment Blue、C.I.Pigment Green、C.I.Pigment Brown、C.I.Pigment Blackなど挙げることができる。特定のカラーを発現させるために複数の顔料を使用することもできる。
また、本発明の活性エネルギー線硬化性組成物は、必要に応じて、充填剤、グラフト共重合体(A)以外の高分子化合物、界面活性剤、密着性改良剤、酸化防止剤、凝集防止剤、有機カルボン酸に代表されるアルカリ溶解性促進剤、製膜助剤、皮張り防止剤などを含有することができる。
本発明の活性エネルギー線硬化性組成物を例えばカラーフィルター用途に使用する場合は、基板に例えばスピンコート、フローコート、ロールコートなどによって塗布した後、80〜100℃で乾燥し、所定のマスクパターンを通して電子線や紫外線などの活性エネルギー線に露光し、次いで現像液で現像した後、水で洗浄し、アフターベイクすることによってカラーフィルターを製造することができる。基板としては、例えばパイレックス(登録商標)ガラス、石英ガラス、シリコンなどが好ましく用いられ、現像剤としては濃度が0.01重量%〜1重量%の水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、トリエチルアミン等の水溶液が使用される。
(1) プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート95.28部を反応フラスコに仕込み、93℃で攪拌下に加熱した後、窒素気流下で、アゾビスメチルイソブチロニトリル1.0部とプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート30部の混合液を5時間かけて添加し、同時にベンジルメタクリレート86部、N,N−ジメチルアミノエチルメタクリレート7部、2−ヒドロキシエチルメタクリレート7部および3−メルカプトプロピオン酸1.5部の混合液を3時間かけて添加して重合を行い、添加終了後さらに同温度で2時間加熱して重合を完結させて、反応生成物を得た(溶媒を含む反応生成物重量227.78部)。
これにより得られた反応生成物(溶液)中の重合体の分析を行った結果、数平均分子量(Mn)=2,530、重量平均分子量(Mw)=5,200であり、溶液の酸価が0.060meq/g(3.48mgKOH/g)である片末端にカルボキシル基を有する重合体であった。
(3) 上記(2)で得られた反応生成物(溶液)中のマクロモノマーの分析を行った結果、数平均分子量(Mn)=2,870、重量平均分子量(Mw)=5,500であり、且つアミノ基(N,N−ジメチルアミノエチル基)と水酸基を分子鎖中に有し、片末端にメタクリレート基を有するマクロモノマーであった。200℃で20分間加熱して揮発分を除去した後の固形分を測定した結果、マクロモノマーの収率は44.6%であった。
(1) 合成例1の(2)で得られた、揮発分を除去する前のマクロモノマー(アミノ基および水酸基を有するマクロモノマー)の溶液66.67部、メチルメタクリレート20.33部およびプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート57.44部をフラスコに仕込み、85℃で撹拌下に加熱した後、窒素気流下で、メチルメタクリレート40.67部、メタクリル酸9部および3−メルカプトプロピオン酸0.5部の混合液を3時間かけて添加し、それと同時にアゾビスメチルイソブチロニトリル1部とプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート29.33部の混合液を5時間かけて添加して重合を行った。その後さらに110℃に昇温して1時間加熱して重合を完結させて、カルボキシル基を有する重合体を幹部とし、アミノ基および水酸基を有する重合体を枝部とするグラフト共重合体を含有する溶液を得た(重合時間合計6.5時間)(グラフト共重合体溶液の合計量224.94部)。これにより得られたグラフト共重合体をGPC分析した結果、重量平均分子量(Mw)=23,800、数平均分子量(Mn)=9,500であった。グラフト共重合体の溶液の酸価は0.485meq/g(27.21mgKOH/g)であった。
(1) 製造例1の(2)で得られたメタクリロイル基を有する重合体を幹部としアミノ基およびカルボキシル基を有する重合体を枝部とするグラフト共重合体溶液250部、ジペンタエリスリトールペンタアクリレート(分子量524)90部、ヒドロキシシクロヘキシル−フェニルケトン(光重合開始剤)9部、顔料(C.I.Pigment Blue 15)100部、レベリング剤(日本ユニカー社製「L−7001」)0.2部、メトキシフェノール(重合防止剤)0.04部およびプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート790部を混合し、3本ロールミルを用いて十分に分散させた後、フィルターで濾過して、活性エネルギー線硬化性組成物を調製した。
(2) 上記(1)で得られた活性エネルギー線硬化性組成物をガラス基板上に乾燥後の膜厚が2μmになるように塗布した後、100℃で5分間予備加熱して青色膜を形成した。前記青色膜に100mJ/cm2の光エネルギーを有する紫外線照射装置を使用して紫外線を照射して硬化させた。その結果、光沢に優れ、鉛筆硬度4Hの青色膜が得られた。
(1) 実施例1の(1)において、アミノ基と水酸基を有するマクロモノマーの溶液66.76部の代りにポリスチレンのマクロモノマー(東亜合成株式会社製「AS−6」;数平均分子量約6,000)30部を用い、またプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートの使用量を36.67部に変えた以外は、実施例1の(1)と同様にして重合を行って、カルボキシル基を有し且つポリメチルメタクリレート主体とする重合体を幹部とし、ポリスチレンを枝部とするグラフト共重合体の溶液を製造した後、実施例1の(2)と同様にして該グラフト共重合体溶液にグリシジルメタクリレートを添加して、グラフト共重合体中のカルボキシル基にグリシジルメタクリレートを付加させて、幹部に活性エネルギー線硬化性の官能基を有するグラフト共重合体溶液を得た。GPC分析の結果、これにより得られたグラフト共重合体の重量平均分子量(Mw)=22,000、数平均分子量(Mn)=8,900であった。
(2) 上記(1)で得られたグラフト共重合体の溶液を用いて、実施例2と同様にして活性エネルギー線硬化性組成物を調製した。
(3) 上記(2)で得られた活性エネルギー線硬化性組成物をガラス基板上に乾燥後の膜厚が2μmになるように塗布した後、100℃で5分間予備加熱して青色膜を形成した。前記青色膜に100mJ/cm2の光エネルギーを有する紫外線照射装置を使用して紫外線を照射して硬化させた。その結果、得られた青色膜の鉛筆硬度は4Hであったが、光沢が悪く、薄曇りが見られた。
Claims (5)
- 活性エネルギー線硬化性官能基を有する重合体を幹部とし、3級アミノ基およびカルボキシル基を有する重合体を枝部とする活性エネルギー線硬化性グラフト共重合体、並びに(メタ)アクリロイル基を1個以上有する分子量が100〜5,000の活性エネルギー線硬化性化合物を含有することを特徴とする活性エネルギー線硬化性組成物。
- 活性エネルギー線硬化性グラフト共重合体の重量平均分子量が3,000〜300,000である請求項1に記載の活性エネルギー線硬化性組成物。
- 活性エネルギー線硬化性グラフト共重合体において、3級アミノ基が、枝部をなす重合体の形成に用いた3級アミノ基含有不飽和単量体に由来し、且つ枝部なす重合体における3級アミノ基含有不飽和単量体単位の割合が0.1〜50重量%であり、カルボキシル基の含有量がグラフト共重合体1g当たり1〜120mgKOHであり、活性エネルギー線硬化性官能基の含有量がグラフト共重合体1g当たり不飽和二重結合量で2×10-4〜40×10-4eqである、請求項1または2に記載の活性エネルギー線硬化性組成物。
- 活性エネルギー線硬化性グラフト共重合体が、3級アミノ基と水酸基を有する重合体を枝部としカルボキシル基を有する重合体を幹部とするグラフト共重合体(a)に、エポキシ基と活性エネルギー線硬化性官能基を有する単量体(b)を反応させ、次いで二塩基酸無水物(c)を反応させて製造したものである請求項1〜3のいずれか1項に記載の活性エネルギー線硬化性組成物。
- 活性エネルギー線硬化性グラフト共重合体:活性エネルギー線硬化性化合物の重量比が、30:70〜80:20である請求項1〜4のいずれか1項に記載の活性エネルギー線硬化性組成物。
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