JP5137583B2 - 急速な反応速度で屈折率勾配層を生成する有機−無機ハイブリッド材料を含む光学部品とその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は屈折率勾配を有する光学部品、それらの使用、有機−無機ハイブリッド材料を介したそれらの製造方法、及び前記ハイブリッド材料に関する。
例えばUS 5,552,261やUS 5,529,473に記載されているように、屈折率が周りの液体マトリックスのものより高い、或いは低いモノマーの拡散は屈折率勾配の製造のために利用され得ることが知られている。感光性ポリマーについて知られそして熱せられ又は露光された領域において後の重合で指向される拡散に関するコールバーン−ヘインズ効果は密度の増加そしてそれゆえ屈折率(RI)の増加又は減少に導く。有機モノマーの場合では、しかしながら、生じる密度の変化はモル屈折に小さな寄与しかしないので、この変化は小さい。RI勾配プロフィール(profile)は例えば光重合により、後の架橋(aftercrosslinking)によってその後に固定される。
これらの材料の不利益は比較的小さいRIの増加、長い操作時間、及び高い分散損失である。WO 97/38333からRI勾配はまた液体の、光重合可能なマトリックス(ゾル)中での高い又は低い屈折率のナノ粒子の移動によって生じ、その後の架橋(重合、縮合)によって固定され得る。その方法のキーの欠点はそれが液体マトリックス相に結合にされることである。結果的に、取り扱いの問題がホログラフィー技術又はマスク露光技術の応用で生じる。
更なる因子はコールバーン−ヘインズ効果を介してでさえ、ポリマーにおけるRIの相違は物質の物理的特性のために、比較的小さいことである。他の研究は、例えば、A. Zimmermann et al., Light-Management Films Based on Nanocomposite Coatings, paper at 5th Int. Conf. Coatings on Glass, Saarbrucken, Germany, 4 to 8 July 2004のような勾配−形成方法の影響下で不完全に圧縮されたポリマーマトリックスでのナノ粒子の拡散について記載している。RIの相違は相対的に高いRI無機ナノ粒子を濃縮することによって達成される。その方法の欠点は粒子の拡散速度が有機モノマーのものより1桁以上小さいこと、操作が必ず加水分解性の又は加水分解されたシランを必要とすることである。これらのシランは材料に比較的高い水分感受性(moisture sensitivity)を与える(例えば、C.J. Brinker, G.W. Scherer, Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing, Academic Press 1990)。
DE-A-10200648は加水分解性の又は加水分解されたシランと組み合わせたナノ粒子がホログラフィー構造の製造に不可欠であるホログラフィーフィルム及びディフューザフィルムを製造する方法を記載している。これらの化合物とそれらの調製は上で言及された欠点を各々示す。シランの縮合はまた3次元架橋それゆえ物質の脆化に導くかもしれない。
前記の欠点、例えば架橋結合されなかった残りのOH基の高い割合によって引き起こされる高い水分感受性、及びシランの縮合によって引き起こされる無機3次元架橋結合、そしてそれゆえ材料の脆化のような、特にシランのための欠点を有しない、外部の分野の応用又は勾配形成方法の使用によって十分に高いRI勾配を築くことができる材料を開発することが、それゆえ本発明の目的である。
この目的は固体又は粘性のマトリックスを形成し、そしてある金属錯化合物がシランの必要性なしに分散又は溶解するポリマーによって達成され得ることが今や驚くべきことに発見された。
それゆえに本発明は、a)可溶性有機ポリマー、b)少なくとも1個の光化学的又は熱的に重合可能な官能基を含む少なくとも1個の配位子を有する単又は多核金属錯体、及びc)表面修飾ナノ粒子を含む有機−無機ハイブリッド材料を提供する。
本発明は更に、a)本発明の有機−無機ハイブリッド材料は基材(substrate)に塗布され又は金型(mould)の中または表面上に配置され、b)固体又は粘性になるように所望されるならハイブリッド材料は乾燥される、c)固体又は粘性のハイブリッド材料はハイブリッド材料中で屈折率勾配を生じるためにパターン様式で熱せられ又は好ましくはパターン様式で照射される、d)その後にハイブリッド材料は熱的及び/又は光化学的に十分に硬化され、それによって屈折率勾配を固定することを特徴とする、光学部品を製造する方法を提供する。
可溶性有機ポリマー、ナノ粒子及び金属錯体の他に、本発明のハイブリッド材料は更に溶媒、有機モノマー又はオリゴマー、可塑剤及び/又は他の添加剤を含み得る。
有機−無機ハイブリッド材料はそれゆえに、総乾燥重量に基づいて、好ましくは以下のものを含む:
a) 重量で4.9%から95.9%、好ましくは10%から80%、特に20%から40%の可溶性ポリマー、
b) 重量で0.5%から50%の少なくとも1個の光化学的又は熱的に重合可能な官能基を含む少なくとも1個の配位子を有する単又は多核金属錯体、
c) 重量で0.1%から30%、好ましくは1%から40%、特に5%から30%の酸化物、硫化物、セレン化物、テルル化物、ハロゲン化物、炭化物、ヒ化物、アンチモン化物、窒化物、リン化物、カルボネート、カルボキシレート、ホスフェート、スルフェート、シリケート、チタネート、ジルコネート、スズ酸塩、鉛酸塩、アルミン酸塩及び対応する混合酸化物の群、及び金属の群からの表面修飾ナノスケール粒子、
d) 重量で0から50%、好ましくは0.1%から30%、より好ましくは1%から20%の商業的に通常の可塑剤、
e) 重量で0から5%、好ましくは重量で0.01%から1%の好ましくは熱的又は光化学的な重合又は架橋開始剤、増感剤、湿潤助剤、定着剤、酸化防止剤、フロー制御剤、安定剤、染料、フォトクロミック又はサーモクロミック化合物から選択される1種以上の添加剤、及び
f) 重量で0から4.9%の有機モノマー及び/又は重量で0から50%の有機オリゴマー。
a) 重量で4.9%から95.9%、好ましくは10%から80%、特に20%から40%の可溶性ポリマー、
b) 重量で0.5%から50%の少なくとも1個の光化学的又は熱的に重合可能な官能基を含む少なくとも1個の配位子を有する単又は多核金属錯体、
c) 重量で0.1%から30%、好ましくは1%から40%、特に5%から30%の酸化物、硫化物、セレン化物、テルル化物、ハロゲン化物、炭化物、ヒ化物、アンチモン化物、窒化物、リン化物、カルボネート、カルボキシレート、ホスフェート、スルフェート、シリケート、チタネート、ジルコネート、スズ酸塩、鉛酸塩、アルミン酸塩及び対応する混合酸化物の群、及び金属の群からの表面修飾ナノスケール粒子、
d) 重量で0から50%、好ましくは0.1%から30%、より好ましくは1%から20%の商業的に通常の可塑剤、
e) 重量で0から5%、好ましくは重量で0.01%から1%の好ましくは熱的又は光化学的な重合又は架橋開始剤、増感剤、湿潤助剤、定着剤、酸化防止剤、フロー制御剤、安定剤、染料、フォトクロミック又はサーモクロミック化合物から選択される1種以上の添加剤、及び
f) 重量で0から4.9%の有機モノマー及び/又は重量で0から50%の有機オリゴマー。
総乾燥重量は溶媒のないハイブリッド材料の総重量を指す。成分a)からf)は好ましくは総乾燥重量の重量で100%になる; 言い換えると、これらの成分及び任意の溶媒以外に、ハイブリッド材料は好ましくは更なる成分を全く含まない。ハイブリッド材料にとって加水分解性又は加水分解されたシランを全く含まないこと、またその縮合産物(部分的に及び完全に縮合したシラン)を全く含まないことは特に好ましい。これらの縮合物はまたSiO2を含む。
好適な可溶性ポリマーは通常の可溶性の有機ポリマーのすべてを含み、可溶性ポリマーの混合物は同様に使用され得る。有機溶媒中で、例えば、エタノール、イソプロパノール又はブタノールのようなアルコール、アセトンのようなケトン、酢酸エチルのようなエステル、テトラヒドロフランのようなエーテル及びエチレングリコールのようなグリコール、及びヘキサン、ベンゼン、トルエン及びクロロホルムのような脂肪族、芳香族及びハロゲン化炭化水素中で、可溶性であるポリマーは特に好ましい。そのような可溶性ポリマーの例はポリアクリレート、ポリメタクリレートのような、アクリレート、ポリエポキシド、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラール及びポリアクリルアミドである。可溶性ポリマーとして、例えば、使用された溶媒中で20℃で少なくとも20 g/lの溶解度を有するそのようなポリマーが使用され得る。
本発明に従って使用される単又は多核金属錯体は１個以上の中心金属原子を有する、金属の錯体である。錯体についての例は元素の周期表の主族2から6、好ましくは2から5又は元素の周期表の遷移族1から8からの金属、又はランタノイド及びアクチノイドを含む、遷移金属である、いずれかの金属を使用可能である。Zn, Ti, Zr, Ce, Sn, La, Fe, Ta, Hf, Nb, Al, Cu, V, M, W, Ag及びCuが優先され、Ti, Zr, Ta及びNbが特に優先される。Si, B又はAsのような半金属は金属ではない。
光化学的又は熱的に重合可能な基を含む配位子(単数又は複数)のほかにも、錯体は錯体配位子として更なる典型的な基を好ましくは含み得る。これらの錯体配位子は当業者に知られている。そのような更なる配位子の例はアルコキシド、好ましくはC1-6アルコキシド、フェノキシ、ハロゲン化物(F, Cl, Br, I)、オキソ及びアミンである。有機配位子の例はカルボン酸、アセトアセテート又はアセチルアセトナートのようなβ-ジケトン、CH-酸性化合物、EDTA又はen(エチレンジアミン) 、アミノ酸、ペプチド及びタンパク質のような例えば1個以上のアミノ、オキソ及び/又は水酸基を有するキレート配位子、又はこれらの化合物の対応する塩基である。カルボン酸の対応する塩基は、例えば、アセテートアニオンのような、カルボキシレート化合物である。配位子の更なる例は例えばHolleman, Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, vol. 91-100, deGruyter, 1985, p. 970で与えられる。
熱的又は光化学的に重合可能な官能基を含む配位子は有機配位子、特に、付加的に少なくとも1個の光化学的又は熱的に重合可能な官能基を含む、有機配位子の上で与えられた例の一つである。これらの配位子は、金属に結合するための官能基、及び重合可能な基を有する、一般に二官能性の化合物である。重合可能な基は光化学的又は熱的に開始可能な結合反応を、それ自身で又は他の基と共に始めることができる反応基である。ここで及び次での重合及び重合可能はまた重縮合及び重縮合可能、そして重付加及び重付加可能を含み、そして同様に架橋反応及び硬化反応を含む。重合可能な基は当業者に知られている。
重合可能な基の例は、この結合の形成は光化学的又は熱的に開始されることは可能である、C=C二重結合、OH基、エポキシ基、アミノ基又は化学的に互いに結合できる他の基である。含まれる結合は互いに異なる基のものであるかもしれない。その場合に、結合を確保するために、異なる基を含む錯体が、金属錯体として、各場合で使用される。(メタ)アクリロイル、アリル、ビニル又はエポキシ基を有する熱的又は光化学的に重合可能な基を優先し、(メタ)アクリロイル基及びエポキシ基を特に優先する。アミノ基はまた好適であり、例えばエポキシド基、OH基又は酸塩化物と縮合を始めることができる。第一級モノアミノ基がこの文脈で特に優先される。光化学的に重合可能な基は好ましい。
重合可能な基を含まない好ましい配位子はアルコキシドである。それゆえ、金属錯体は好ましくは光化学的又は熱的に重合可能な官能基を含む配位子及び、所望であるなら、更なる配位子との典型的な金属アルコキシドの反応から得られる。金属錯体は好ましくは更なる反応によって、カルコゲニド、硫化物、ハロゲン化物又は金属を形成できる。例えば、金属錯体はカルコゲニド又はハロゲン化物に加水分解又は酸分解によって変換されるかもしれない。金属錯体は好ましくは錯体形成金属の中心の原子と知られた結合基(例えば錯体結合を形成する基)を介して結合する二重結合又は他の光化学的又は熱的に架橋可能な有機基を有する配位子との錯体である。金属錯体は好ましくは配位子としてのシランを含まない。
ナノ粒子は総乾燥重量に基づいて、重量で30%までの濃度で加えられる。それらはまた透明な色の効果を生み出すかもしれない。無機のナノ粒子が優先され、特に酸化物、硫化物、セレン化物、テルル化物、ハロゲン化物、炭化物、砒化物、アンチモン化物、窒化物、リン化物、カルボネート、カルボキシレート、ホスフェート、スルフェート、シリケート、チタネート、ジルコネート、スズ酸塩、鉛酸塩、アルミン酸塩及び対応する混合酸化物の群、及び金属の群からのものが優先される。
表面修飾ナノ粒子は好ましくは酸化物ZnO, TiO2, ZrO2, CeO2, SnO2, La2O3, Fe2O3, Ta2O5, Hf2O5, Nb2O5, Cu2O, V2O5, MO3及びWO3, 並びにハロゲン化物AgCl, AgBr, AgI, CuI及びCuBrを含む。しかしながら、硫化物、不溶性の硫化物又は乏しい可溶性の他の塩、及び例えば貴金属やCuの群からの金属コロイドもまた使用することができる。混合酸化物又は複合酸化物もまた同様に使用され得る。その例はPZT、バリウムチタネート及び同種の化合物である。
ナノ粒子は表面修飾されており、即ち粒子の表面に結合した基、好ましくは有機基又は分子がある。これらの基はナノ粒子の表面に固定されていてもよく又は錯体配位子の部分を形成していてもよい; その場合に架橋のために使用される基はモノマーの形態で使用され、その逆も同様である。ナノスケール粒子の表面に存在する有機基は好ましくは付加重合可能及び重縮合可能な基を有し、それらは好ましくは300以下、特に200以下の分子量を有する。
表面修飾ナノ粒子を製造するのに好適な方法は、例えばDE-A-19719948に記載されているように、すべて一般的な方法である。ナノ粒子は様々な方法でシステムに導入され得る: 一方で、適切な相溶化又は表面改質に従う、商業的に利用できるナノ粒子は(ハイブリッド材料の溶媒と混和できる)溶媒中でのコロイド懸濁液として使用され得る。
表面修飾は表面改質剤とナノ粒子の反応によって得られ得る。使用され得る表面改質剤はナノ粒子上の表面基との相互作用でき、好ましくは共有結合を形成できる反応基を有する有機基である。これらの有機化合物の例はアミン又はアルコールであり、特に成分b)と関連して配置される有機配位子である。表面改質剤は、所望されるなら、官能基であり好ましくは下で論じられる付加重合可能及び/又は重縮合可能な基である。この種の付加重合可能な基を含む表面改質剤の例は不飽和カルボン酸、特にメタクリル酸及びアクリル酸、及び/又は不飽和β−ジケトンである。他方で、ナノ粒子はまた表面改質剤の存在下で公知の前駆体からin situで調製され得る。
述べられた表面基は好ましくはフリーラジカル、カチオン又はアニオン、熱的又は光化学的な付加重合又は熱的又は光化学的重縮合を受けやすい有機付加重合性及び/又は重縮合性の基を有する。例えば、マイケル付加の原理に従う、同様に付加反応もまた好適である。好ましい表面基は(メタ)アクリロイル、アリル、ビニル又はエポキシ基を有するものであり、(メタ)アクリロイル及びエポキシ基を有するのが特に好ましい。アミノ基はまた好適であり、例えば、エポキシド基、OH基又は酸塩化物と縮合を始める。第一級モノアミノ基がこの文脈で特に優先される。同様に、ポリウレタンに変換され得る基は使用されることができ、例はOH基と組み合わせたイソシアナート基である; この場合にジオールが特に優先される。
ナノ粒子は好ましくは100 nm以下、特に50 nm以下の直径を有する。理論的な理由でこの下限は一般的に0.5 nmであり、実施上の理由で特に2から3 nm、頻繁に4から10 nmであるけれども、下限に関しては特に制限はない。
ここでの直径によって容積平均と関連する、平均粒子直径が意味され、そしてUPA(ultrafine particle analyzer, Leeds Northrup(laser-optical; dynamic laser light scattering))が測定のために使用され得る。非常に小さい粒子を測定するために、電子顕微鏡法を使用することもまた可能である(例えば、HR-TEMを介して)。
好適な可塑剤は、例えばDIN 55945(December 1998)に従う、原則的にすべて商業的に通常の化合物を含む。例はアジピン酸ジ-n-オクチル、アジピン酸ビス(2-エチルヘキシル)、アジピン酸ジイソデシルのようなアジピン酸のエステル、セバシン酸ジブチル、セバシン酸ジオクチル及びセバシン酸ビス(2-エチルヘキシル)である、非環式脂肪族ジカルボン酸エステル; 例はトリエチレングリコールビス(n-ヘプタノエート)、トリエチレングリコールビス(2-エチルヘキサノエート)及びトリエチレングリコールビス(イソノナノエート)である、ポリアルキレングリコールとC6-C12ジカルボン酸のエステル; 例はトリエチレングリコールビス(2-エチルブチレート)である、ポリアルキレングリコールとC6-C12カルボン酸のエステル; 例はテトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレートである、ポリプロピレングリコールジアクリレート又はジメタクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート又はジメタクリレートのような、(メタ)アクリル酸とポリアルキレングリコールのジエステルの群から選択される可塑剤が優先される。
ハイブリッド材料は好ましくは熱的又は光化学的な架橋開始剤、増感剤、湿潤助剤、定着剤、酸化防止剤、フロー制御剤、安定剤、染料、フォトクロミック又はサーモクロミック化合物又はその組合せから選択される、他の添加剤(成分e))を含む。
ハイブリッド材料は熱的及び/又は光化学的に架橋及び硬化を誘導することができる(重付加触媒及び/又は重縮合触媒を含む)重合触媒を有利に含む(“重合又は架橋開始剤”)。使用され得る光開始剤の例は商業的に利用できる開始剤である。これらの例はIrgacure（登録商標）184(1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン)、Irgacure（登録商標） 500(1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン, ベンゾフェノン)及びIrgacure（登録商標）タイプの他の光開始剤; Darocur（登録商標）1173, 1116, 1398, 1174及び1020、2-クロロチオキサントン、2-メチルチオキサントン、2-イソプロピルチオキサントン、ベンゾイン、4,4’-ジメトキシベンゾイン、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンジルジメチルケタール、1,1,1-トリクロロアセトフェノン、ジエトキシアセトフェノン及びジベンゾスベロンである。例えば、可視光によって励起される光開始剤及び補完的な増感剤をまた使用できる。
好適な熱的な開始剤は好ましくはジアシルペルオキシド、ペルオキシジカーボネート、アルキルペルエステル、ジアルキルペルオキシド、ペルケタール、ケトンペルオキシド及びアルキルヒドロペルオキシドの形態の有機ペルオキシドを含む。この種の熱的な開始剤の例はジベンゾイルペルオキシド、tert-ブチルペルベンゾエート及びアゾビスイソブチロニトリルである。カチオン性熱開始剤の一つの例は1-メチルイミダゾールである。フロー制御剤の例はByk 306（登録商標）のような、ポリエーテル修飾ジメチルポリシロキサンである。増感剤の例はCrodamers（登録商標）のような、アミン修飾オリゴエーテルアクリレートである。
使用される有機モノマー及び/又はオリゴマーは、特に使用される溶媒に可溶性であるものである。好適なモノマー又はオリゴマーは特にb)の中で特定された重合可能又は架橋可能な官能基を有するすべての有機化合物を含む。光化学的に重合可能又は架橋可能な基を有するモノマー及び/又はオリゴマーを使用することが優先される。これらは成分e)と関連して特定された光化学的又は熱的な開始剤の補助で重合又は架橋され得る。総乾燥重量に基づいた量は例えば重量で0から54.9%の有機モノマー及び/又はオリゴマーであり、重量で0から4.9%のモノマー及び/又は重量で0から50%のオリゴマーが優先される。
これらのモノマー及び/又はオリゴマーの好ましい例はアクリレート、好ましくはメチルメタクリレートである。しかしながら、例えばジオールジアクリレート又はジオールジメタクリレートのようなジアクリレート、ヘキサンジオールジメタクリレート、ヘキサンジオールジアクリレート、ドデカンジオールジアクリレート又はドデカンジオールジメタクリレートを使用することも例えば、また可能である。
ハイブリッド材料は一般的に溶媒を使用して製造される。ハイブリッド材料に使用される溶媒の量は意図される用途に依存する。この方法でハイブリッド材料はコーティング組成物又は成形コンパウンドとして役に立つ。好適な溶媒は可溶性ポリマーが溶解され得るすべての典型的な溶媒を含む。有機溶媒及び水が優先される。溶媒の混合液は同様に使用され得る。有機溶媒の例はエタノール、イソプロパノール又はブタノールのようなアルコール、アセトンのようなケトン、酢酸エチルのようなエステル、テトラヒドロフランのようなエーテル及びエチレングリコールのようなグリコール、及びヘキサン、ベンゼン、トルエン及びクロロホルムのような脂肪族、芳香族及びハロゲン化炭化水素である。
ハイブリッド材料はマトリックス形成材料でありRI勾配を有する成形物又はコーティングを製造するのに顕著に好適である。従って本発明はまたRI勾配を有するそのような層及び成形物を製造する方法を、及び結果として得られる物品を提供する。下の本文中で、方法はコーティングに関して記載されている。成形品の製造のために、同じ説明は必要な変更を加えて(mutates mutandes)、典型的な成形プロセスによって別の方法で成形可能である成形品に対して適用可能である。: 例えば、金型(mould)への投入又は金型への塗布、及び硬化後の金型からの除去による。適切な方法はまたフィルムキャスティングを含む。
特に好ましい実施態様で、例えばポリマー材料でできた基材、好ましくは裏打ちフィルム(backing film)は下で説明されるようにハイブリッド材料でコートされ、そして硬化の後に、形成されたコーティングは基材から剥がされ(離層され)、RI勾配を有する光学部品として自己支持フィルム又はシートを与える。
RI勾配を有する層を製造する方法はハイブリッド材料の基材への塗布を含む。いずれの好適な基材も使用されることができ、好ましくはポリマーシート又はポリマーフィルムのようなポリマー基材又はガラスである。基材は好ましくは透明である。RI勾配の材料を製造するために重合可能なハイブリッド材料は好ましくは透明の基材に、より好ましくは透明のポリマーフィルムに、特にPET, PE, PP, TAC又はPCに塗布される。
ハイブリッド材料でのコーティングは浸漬(dipping)、フラッディング、ナイフコーティング、流し込み(pouring)、スピンコーティング、注入(injecting)、ブラッシング、スロットコーティング、メニスカスコーティング、フィルム流延、ローラー塗装、印刷、例えばフレキソ印刷、又は噴霧によるような、典型的な方法に従って行われ得る。必要とされる特定の粘度は使用される溶媒の量を介して、ポリマーのアイデンティティを介して、所望されるなら、モノマー及び/又はオリゴマーのアイデンティティと量を介して、調節される。(乾燥又は硬化した状態で)好ましい層の厚さは1から100 μmの間である。
ハイブリッド材料でのコーティングは浸漬(dipping)、フラッディング、ナイフコーティング、流し込み(pouring)、スピンコーティング、注入(injecting)、ブラッシング、スロットコーティング、メニスカスコーティング、フィルム流延、ローラー塗装、印刷、例えばフレキソ印刷、又は噴霧によるような、典型的な方法に従って行われ得る。必要とされる特定の粘度は使用される溶媒の量を介して、ポリマーのアイデンティティを介して、所望されるなら、モノマー及び/又はオリゴマーのアイデンティティと量を介して、調節される。(乾燥又は硬化した状態で)好ましい層の厚さは1から100 μmの間である。
RI(屈折率)勾配はハイブリッド材料中の無機材料の濃度勾配によって生じ、高い屈折率の無機的に濃縮された材料の領域によって引き起こされる。濃度勾配そしてそれ故RI勾配はいずれかの所望の勾配形成手段によって生じ得る。勾配形成手段は好ましくは固体又は粘性のハイブリッド材料で行われる。勾配形成手段のためにハイブリッド材料は、例えば、25℃で2から3500 Pas、好ましくは500から2000 Pasの粘性を有し得る。これは、例えば、完全又は部分的な溶媒の除去によって設定され得る。
勾配形成手段によって、例えば、上で記載されたコルバーン−ヘインズ効果と同じ方法で、ポテンシャルの相違は(化合物又は化学基の濃度での)化学ポテンシャルの相違を介して重合可能な金属錯体の指向された拡散のための駆動力として発生する。
勾配形成手段は特に濃度勾配の形成に導く標的にされた局所的な光化学的又は熱的な重合の開始を生ずるためのハイブリッド層の局所的又はパターン様式の照射又は加熱である。勾配形成手段としてのホログラフィー、例えば2波混合、リソグラフィー又は局所的な照射又は露光が優先される。レーザー光、UV光又は可視光を使用することが好ましい。パターン様式の照射は所望されるなら30から90℃そして好ましくは50から70℃の上昇した温度で行われ得る。
勾配形成手段の影響下、例えば局所的な照射及び架橋開始剤の存在下で、自由に拡散する金属錯体は重合可能又は架橋可能な配位子の結合を介して架橋又は重合を経験しそれ故増加した屈折率を有する局所的な領域を形成する。例えば、酸化(oxidic)、硫化(sulphidic)又は金属結合のような、ここで新規の無機結合が形成されることも可能であり、それはRIを増加することに寄与し得る。この様に濃度勾配が生じる。
透明のポリマーフィルムに塗布され、そして例えばホログラフィー、リソグラフィー又は局所的な露光を介してRI勾配を有する光学構造を製造することができるハイブリッド材料を含むコーティング材料に、及び本発明のハイブリッド材料がウェットケミカルによって透明のポリマーフィルムに塗布され溶媒が実質的に乾燥によって、ハイブリッド材料の総重量に基づいて、例えば重量で0から20%、特に重量で0から10%に除去されたフィルムを製造する方法が優先される。この形態で、又は基材から離層され、フィルムは巻かれた物品として保存され得る。望まれない後の反応を防ぐために、光感受性の材料の場合に通常のように、フィルムは光保護様式でパッケージされ制御された条件(15から30℃)下で保持される。
ホログラフィー、リソグラフィー又は局所的な露光によるような、パターン様式の照射によって、屈折率の勾配はハイブリッド層で、記載されているように、生じる。架橋可能な結合を有する錯体分子の、熱拡散によって誘導される、輸送操作によって、これらの分子は局所的な露光の領域を通過し、そして互いに又は架橋可能なマトリックス成分とその点で架橋する。ここで高RIナノクラスター又はナノ粒子は錯体分子の局所的な蓄積のために形成することがまた可能である。組成物によって提供される相対的に高いRIの無機フラクションの結果として、成分は露光された点で相対的に高いRI部分を形成する。同じ方法で、重合可能又は架橋可能な基を有するナノ粒子はお互いに又は架橋可能なマトリックス成分と結合して同様に相対的に高いRI部分を形成する。これとは対照的に、低いRIを有する部分は露光されない隣接した領域にとどまる。更なる錯体分子は隣接した領域から露光される領域に拡散する。有向の拡散を有するこの操作は露光中に生じ、露光条件と温度に依存して一般的に約1から数秒と数分の間に続く。相対的に高いRIと低いRIの部分間のRIの違いは局所的なRI勾配を生じる。
驚くべきことに、ハイブリッド材料中の結合可能又は重合可能/架橋可能な錯体の移動はハイブリッド材料又はマトリックスが固体又は粘性であるときでさえ起こる。
この操作は今のところ架橋されていない基を有する成分をまだ含むハイブリッド材料(マトリックス)の完全な架橋を伴い、架橋は好ましくは面光重合及び/又は熱的に開始される重合によって起こり、形成された勾配の固定を伴う。まだ存在するいずれかの残留溶媒はこの操作(層の安定化)の間に除去される。UV光又は可視光での照射は完全なハイブリッド材料の硬化及び勾配の固定を伴うために好ましい。
RI勾配を含む層の記載された安定化は好ましくは面露光を介して達成され、相対的に高いRIの部分に拡散しなかったそれらの重合可能な基が互いに架橋し、それによって全体の層の範囲を安定化する。この過程の中で二重結合又は他の重合基は対応する単結合への変換を経験する。
変換度は錯体配位子に又はマトリックス(有機成分)に存在する反応基―例えば、C=C二重結合又はエポキシ基―の重合反応の程度を表す。例えば、95%の有機変換度はすべてのC=C二重結合又はエポキシ基の95%が反応を経験したことを意味する。変換度を測定するために、技術文献に様々な測定法があり、例は赤外線測定法である。重合は通常の開始剤によって、熱的に又はUV光によって開始され得る。この種の開始剤は上で特定された。
本発明の方法によって製造されたRI勾配を有するコートされた基材及び成形物は屈折率勾配を有する透明又は半透明の層のために、特にホログラフィー及びフォトリソグラフィーで製造される屈折率勾配レンズ、ホログラフィー像、ライトガイド部品及び結像光学系の部品のために使用され得る。
本発明のRI勾配材料は例えば、ディスプレイのための受動導波管素子及び照明素子を製造するために、光学データ記憶メディア、セキュリティーホログラム、ホログラム像、情報記憶のためのディジタルホログラムのために、光波面を処理する部品を有するシステムのために、平面導波管(光学導波管)としての適用のために、光の偏光の影響に関する適用のために、ビームスプリッターとして及びレンズとしての適用のために、使用され得る。
Claims (26)
- 溶媒、
a)使用された溶媒中で、20℃で少なくとも20g/lの溶解度を有する可溶性有機ポリマー、
b)少なくとも1個の、互いに結合できる、光化学的又は熱的に重合可能な官能基を含む少なくとも1個の配位子を有する単又は多核金属錯体、及び
c)表面修飾ナノスケール粒子を含み、
加水分解性シラン、加水分解されたシラン及びそれらの縮合産物を含まない、有機−無機ハイブリッド材料であって、
光化学的又は熱的に重合可能な官能基が、C=C二重結合、ヒドロキシル、エポキシ又はアミノであり、
表面修飾ナノスケール粒子が、 (メタ)アクリロイル、アリル、ビニル、エポキシ、ヒドロキシル、カルボキシル及びアミノ基からなる群から選択される重合性表面基を有する、有機−無機ハイブリッド材料。 - 有機モノマー又はオリゴマー、可塑剤及び他の添加剤から選択される少なくとも1種の成分を含む、請求項１に記載の有機−無機ハイブリッド材料。
- a) 重量で4.9%から95.9%の可溶性有機ポリマー、
b) 重量で0.5%から50%の少なくとも1個の光化学的又は熱的に重合可能な官能基を含む少なくとも1個の配位子を有する単又は多核金属錯体、
c) 重量で0.1%から30%の酸化物、硫化物、セレン化物、テルル化物、ハロゲン化物、炭化物、ヒ化物、アンチモン化物、窒化物、リン化物、カルボネート、カルボキシレート、ホスフェート、スルフェート、シリケート、チタネート、ジルコネート酸塩、スズ酸塩、鉛酸塩、アルミン酸塩及び対応する混合酸化物の群、及び金属の群からの表面修飾ナノスケール粒子、
d) 重量で0から50%の可塑剤、
e) 重量で0から5%の熱的又は光化学的な重合又は架橋開始剤、増感剤、湿潤助剤、定着剤、酸化防止剤、フロー制御剤、安定剤、染料、フォトクロミック及びサーモクロミック化合物から選択された添加剤、及び
f) 重量で0から4.9%の有機モノマー及び/又は重量で0から50%の有機オリゴマー
を総乾燥重量に基づいて含むことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の有機−無機ハイブリッド材料。 - 固体又は粘性であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の有機−無機ハイブリッド材料。
- 成分f)がアクリレート、及び/又はそのオリゴマーであることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の有機−無機ハイブリッド材料。
- 可溶性ポリマーがポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリエポキシド、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラール又はポリアクリルアミドであることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の有機−無機ハイブリッド材料。
- 単又は多核金属錯体が中心金属原子(単数または複数)に少なくとも１個のアルコキシド基を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の有機−無機ハイブリッド材料。
- 単又は多核金属錯体の少なくとも1個の光化学的又は熱的に重合可能な官能基を含む配位子が、各々が少なくとも1個の光化学的又は熱的に重合可能な基を含むカルボン酸、β-ジケトン、CH-酸性化合物、キレート配位子、アミノ酸、ペプチド及びタンパク質又はその対応する塩基から選択されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の有機−無機ハイブリッド材料。
- ハイブリッド材料は、総乾燥重量に基づいて、重量で10%から80%の可溶性ポリマーを含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の有機−無機ハイブリッド材料。
- 配位子が少なくとも1個の光化学的に重合可能な官能基を含むことを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の有機−無機ハイブリッド材料。
- ハイブリッド材料が、総乾燥重量に基づいて、重量で0.1%から30%の可塑剤を含むことを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の有機−無機ハイブリッド材料。
- ハイブリッド材料が、総乾燥重量に基づいて、重量で0から5%の熱的及び/又は光化学的重合又は架橋開始剤を含むことを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の有機−無機ハイブリッド材料。
- 表面修飾ナノ粒子がTiO2、ZrO2、Nb2O5及びTa2O5から構成されることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載の有機−無機ハイブリッド材料。
- a)請求項１から１３のいずれか１項に記載の有機−無機ハイブリッド材料は基材(substrate)に塗布され又は金型(mould)の中または表面上に配置される、
b)固体又は粘性になるように所望されるならハイブリッド材料は乾燥される、
c)固体又は粘性のハイブリッド材料はハイブリッド材料中で屈折率勾配を生じるためにパターン様式で熱せられ又は照射される、
d)ハイブリッド材料は熱的及び/又は光化学的に十分に硬化され、屈折率勾配が固定する
ことを特徴とする、光学部品を製造する方法。 - 工程c)でのパターン様式の照射が30から90℃の上昇した温度で行われることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
- ハイブリッド材料が透明のポリマーフィルムに塗布されること及び所望されるなら透明のライナーフィルムが乾燥していない又は乾燥したハイブリッド層に貼り合わされることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の方法。
- パターン様式の照射がホログラフィー、リソグラフィー又は局所的な照射によって行われることを特徴とする、請求項１４から１６のいずれか１項に記載の方法。
- ハイブリッド層での屈折率勾配が照射の方向に垂直に生じることを特徴とする、請求項１４から１７のいずれか１項に記載の方法。
- 有機−無機ハイブリッド材料での局所的な照射が、高方位分解能(high lateral resolution)を有する、照射の方向に垂直に屈折率勾配を生じさせることを特徴とする、請求項１４から１８のいずれか１項に記載の方法。
- 結果として生じたハイブリッド層がフィルム又はシートの形態でハイブリッド層を与えるために基材から離層されることを特徴とする、請求項１４から１９のいずれか１項に記載の方法。
- 請求項１４から２０のいずれか１項に記載の方法によって得られ得る光学部品。
- コートされた基材又は成形物(moulding)であることを特徴とする、請求項２１に記載の光学部品。
- 屈折率勾配を有する透明又は半透明のハイブリッド層を有することを特徴とする、請求項２１又は請求項２２に記載の光学部品。
- 屈折率勾配フィルムであることを特徴とする、請求項２１から２３のいずれか１項に記載の光学部品。
- 屈折率勾配フィルムが屈折率勾配があるハイブリッド材料でコートされた1以上の透明のポリマーフィルムを含む又は実質上それからなることを特徴とする、請求項２４に記載の光学部品。
- イメージング光学部品中に、ライトガイド光学部品のための又はホログラフィーデータ記憶装置のために請求項２１から２５のいずれか１項に記載の光学部品の使用。
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