JP5605668B1 - 絶縁材料用樹脂組成物、絶縁インキ、絶縁膜及びそれを用いた有機電界効果トランジスタ - Google Patents

絶縁材料用樹脂組成物、絶縁インキ、絶縁膜及びそれを用いた有機電界効果トランジスタ Download PDF

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Abstract

有機電界効果トランジスタの性能を向上させるため、高度な絶縁破壊強度とリーク電流密度の低さを兼ね備えつつ、印刷法に適した早い硬化速度と耐溶剤性を兼ね備えた絶縁材料及び該絶縁材料を有する絶縁膜並びにトランジスタを提供する。ビニル系重合体を含有する絶縁材料用樹脂組成物であって、該ビニル系重合体の酸価が20mgKOH/g以下であり、かつ、(メタ)アクリロイル基当量が220〜1600g/eqであり、該ビニル系重合体がフェニル基と(メタ)アクリロイル基とを有する。

Description

本発明は、絶縁材料用樹脂組成物、絶縁インキ、絶縁膜及びそれを用いた有機電界効果トランジスタに関する。
ポリシリコンやアモルファスシリコンなどの無機材料を用いた電界効果トランジスタは、半導体層の成膜工程で化学気相成長法や酸化法を用いるため、真空装置などの大規模な設備が必要で、かつ複雑で多数の工程が必要である。また、半導体層の結晶化工程で300〜1000℃の加熱を必要とするため、基板に耐熱性が求められる。
一方、有機材料を半導体層に用いた電界効果トランジスタは、半導体層の成膜工程で有機材料を含む溶液の塗布や印刷法により成膜でき、大画面の素子を低コストで生産することが可能である。また、無機材料を用いた半導体層に比べ、200℃以下の低温プロセスで製造できるため、基板としてフレキシブルなプラスチックを使用できる。
有機材料を半導体層に用いた電界効果トランジスタの素子構成の一つであるボトムゲート型では、有機半導体層がゲート絶縁層に重ねて形成される。ゲート電極に印加した電圧がゲート絶縁膜を介して、半導体層に作用することでドレイン電流のON/OFFを制御する。ゲート絶縁膜の要求特性は、素子の信頼性を得るため、高度な絶縁破壊強度、リーク電流密度の低さ、また、素子が層構造を形成するため、耐溶剤性が求められる。
現在、業界では、ポリシルセスキオキサンなどシロキサン結合を有する有機無機ハイブリッド材料などが使用されており、特許文献1にはシルセスキオキサン系の硬化材料が開示されている。優れた電気絶縁性を有し、耐溶剤性にも優れた材料であるという。しかしながら、当該硬化材料は硬化時間が長いため、短時間に印刷成膜できず、生産コストの増大になる。
一方、特許文献2では、その上に半導体材料を湿式塗布しても溶出し難いゲート絶縁層を得ることができるとして、重合性モノマー、重合開始剤及び架橋性基としてアリル基及び/又は(メタ)アクリロイル基を有する樹脂を含み、該重合性モノマーがエチレン性不飽和結合を2個以上有し、該架橋性基を有する樹脂の架橋性基当量が800g/eq以下であることを特徴とする電界効果トランジスタのゲート絶縁層用組成物が開示されている。しかし、従来技術の樹脂はカルボン酸などのアルカリ可溶性基を多く含有し、有機電界効果トランジスタ素子とした場合には、硬化薄膜表面のカルボン酸などのアルカリ可溶性基が上層の半導体の電子・キャリアをトラップすることになる。その結果、素子のリーク電流密度が高く、また、トランジスタ特性が経時劣化するため素子の信頼性が低くなる場合がある。
特開2009―059651号公報 特開2012―195580号公報
有機電界効果トランジスタの性能を向上させるため、高度な絶縁破壊強度とリーク電流密度の低さを兼ね備えつつ、印刷法に適した早い硬化速度と耐溶剤性を兼ね備えた、絶縁材料用樹脂組成物を提供すること、及び該絶縁材料用樹脂組成物を有する絶縁膜及び信頼性の良好なトランジスタを提供することにある。
すなわち、本発明に係る絶縁材料用樹脂組成物、絶縁インキ、絶縁膜及びそれを用いた有機電界効果トランジスタは、下記〔1〕〜〔9〕である。
〔1〕ビニル系重合体を含有する絶縁材料用樹脂組成物であって、該ビニル系重合体の酸価が20mgKOH/g以下であり、かつ、(メタ)アクリロイル基当量が220〜1600g/eqであり、該ビニル系重合体がフェニル基と(メタ)アクリロイル基とを有することを特徴とする絶縁材料用樹脂組成物。
〔2〕前記ビニル系重合体が、フェニル基を有するビニルモノマー(I)とエポキシ基を有するビニルモノマー(II)との共重合体のエポキシ基に、(メタ)アクリロイル基及びカルボキシル基を有する単量体(III)を反応させて得られるものである〔1〕に記載の絶縁材料用樹脂組成物。
〔3〕前記ビニル系重合体の重量平均分子量が3000〜20万である〔1〕又は〔2〕に記載の絶縁材料用樹脂組成物。
〔4〕ビニル系重合体を含有する絶縁材料用樹脂組成物の製造方法であって、フェニル基を有するビニルモノマー(I)とエポキシ基を有するビニルモノマー(II)とを共重合させて共重合体を得る工程と、得られた該共重合体のエポキシ基に(メタ)アクリル酸を反応させる工程とを有することを特徴とする絶縁材料用樹脂組成物の製造方法。
〔5〕〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の絶縁材料用樹脂組成物を含有することを特徴とする絶縁性インキ。
〔6〕〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の絶縁材料用樹脂組成物を硬化してなることを特徴とする硬化物。
〔7〕〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の絶縁材料用樹脂組成物を硬化してなることを特徴とする有機電界効果トランジスタ用の絶縁膜。
〔8〕前記絶縁膜がゲート絶縁膜である〔7〕に記載の絶縁膜。
〔9〕〔7〕に記載の絶縁膜を有することを特徴とする有機電界効果トランジスタ。
本発明によって、高度な絶縁破壊強度とリーク電流密度の低さを兼ね備えつつ、印刷法に適した早い硬化速度と耐溶剤性を兼ね備えた、絶縁材料用樹脂組成物を提供することができる。また、該絶縁材料用樹脂組成物を有する絶縁膜及び良好な信頼性を有するトランジスタを提供することができる。
トランジスタの一例である。 トランジスタの一例である。
(ビニル系重合体)
本発明の絶縁材料用樹脂組成物に使用するビニル系重合体は、酸価が20mgKOH/g以下であって、(メタ)アクリロイル基当量が220〜1600g/eqである少なくとも一つのフェニル基と、少なくとも一つの、(メタ)アクリロイル基とを有するビニル系重合体を含有することを特徴とする絶縁材料用樹脂組成物を提供すること、を特徴とする。(1)酸価が20mgKOH/g以下と低く、有機トランジスタとした際に、半導体の電子・キャリアのトラップの影響が小さく、トランジスタ特性としては信頼性をもつ良好な素子が得られる。(2)(メタ)アクリロイル基を有するため、活性エネルギー線で硬化することが可能であり、架橋反応により、高い耐溶剤性塗膜を得やすい。(3)側鎖にフェニル基を有する為、ベンゼン環により優れた絶縁破壊強度や低リーク電流密度などの電気特性に優れる。
酸価が20mgKOH/g以下である場合、親水性官能基が少なく、硬化後の薄膜表面について疎水性となるため、電界効果トランジスタとした際には半導体の電子・キャリアのトラップの影響がなく、トランジスタ特性としては良好な素子が得られ、耐溶剤性に優れるため、素子形成方法に好適である。特に、トランジスタ特性を向上させる観点から、好ましくは酸価10以下であり、さらに好ましくは5以下である。
酸価とは、試料1g中に存在する酸分を、中和するのに必要な水酸化カリウムのmg数である。具体的には、秤量した試料を体積比でトルエン/メタノール=70/30の溶媒に溶かし、1%フェノールフタレインアルコール溶液を数滴滴下しておき、そこに0.1mol/Lの水酸化カリウムアルコール溶液を滴下して、変色点を確認する方法により測定することができ、下記の計算式で求めることができる。
酸価(mgKOH/g)=(V×F×5.611)/S
V:0.1mol/L水酸化カリウムアルコール溶液の使用量(mL)
F:0.1mol/L水酸化カリウムアルコール溶液の力価
S:試料の採取量(g)
5.611:0.1mol/L水酸化カリウムアルコール溶液1mL中の水酸化カリウム相当量(mg)
本発明のビニル系重合体は、公知慣用の方法で製造することが可能であるが、フェニル基を有するビニルモノマー(I)と、エポキシ基を有するビニルモノマー(II)とを共重合させる工程と、得られた共重合体のエポキシ基に、(メタ)アクリロイル基及びカルボキシル基を有する単量体(III)を反応させる工程とを経ることで好適に製造することができる。
一般的に、ビニルモノマー(I)とエポキシ基を有するビニルモノマー(II)との共重合体は、反応性基としてエポキシ基を有するため、酸無水物との熱硬化や、光酸発生剤による光硬化により架橋膜を得ることができる。しかしながら、これらの架橋膜は、電子・キャリアをトラップするカルボン酸などの酸を含むため、電界効果トランジスタ素子の絶縁膜として使用すると、素子の特性・信頼性を低下する可能性がある。これに対し、上記共重合体のエポキシ基に、(メタ)アクリロイル基およびカルボキシル基を有する単量体(III)を反応させ得られた重合体は、反応性基として(メタ)アクリロイル基を有するため、架橋に酸を必要とせず、良好なトランジスタ特性を与えることができる。
フェニル基を有するビニルモノマーとしては、以下のビニルモノマーが挙げられる。
(1)スチレン、α−メチルスチレン、α―エチルスチレン、α―ブチルスチレンまたは、4−メチルスチレン、クロロスチレンなどのスチレンおよびスチレン誘導体
(2)(メタ)アクリル酸ベンゾイルオキシエチル、(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、(メタ)アクリル酸フェノキシエチル、(メタ)アクリル酸フェノキシジエチルグリコール、(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシ―3―フェノキシプロピル等の芳香環を有する(メタ)アクリル酸エステル類;これらは、単独で用いても良いし、2種以上を併用しても良い。これらの中でも、スチレンおよびスチレン誘導体はリーク電流密度が低くなるため好ましい。
エポキシ基を有するビニルモノマーとは、グリシジル基またはエポキシ基を有するビニルモノマーであり、ビニルモノマーとはビニル基、(メタ)アクリロイル基、マレイミド基、スチリル基等の重合性不飽和基を有するモノマーである。エポキシ基を有するビニルモノマーとして、具体的には、(メタ)アクリル酸グリシジル、α―エチル(メタ)アクリル酸グリシジル、α―n−プロピル(メタ)アクリル酸グリシジル、α―n−ブチル(メタ)グリシジル、(メタ)アクリル酸―6,7−エポキシペンチル、β―メチルグリシジル(メタ)アクリレート、(メタ)アクリル酸−3,4−エポキシシクロヘキシル、ラクトン変性(メタ)アクリル酸―3,4―エポキシシクロヘキシル、ビニルシクロヘキセンオキシド等が挙げられる。これらは、単独で用いても良いし、2種以上を併用しても良い。これらの中でも、グリシジル基および(メタ)アクリロイル基を有するモノマーが硬化速度の点から好ましい。
上記のフェニル基を有するビニルモノマーと、エポキシ基を有するビニルモノマーの重合体を調製するにあたり、フェニル基を有するビニルモノマーの使用量は通常10〜90重量部、好ましくは30〜85重量部である。エポキシ基を有するビニルモノマーの使用量は通常10〜90重量部、好ましくは15〜70重量部である。
また、フェニル基を有するビニルモノマーとエポキシ基を有するビニルモノマーのほかにこれらモノマーと共重合可能なビニルモノマーも併用でき、その使用量は、通常0〜50重量部、好ましくは0〜30重量部である。このようなビニルモノマーとしては、以下のビニルモノマーが挙げられる。
(1)(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―n―ブチル、(メタ)アクリル酸―t―ブチル、(メタ)アクリル酸ヘキシル、(メタ)アクリル酸ヘプチル、(メタ)アクリル酸オクチル、(メタ)アクリル酸ノニル、(メタ)アクリル酸デシル、(メタ)アクリル酸ドデシル、(メタ)アクリル酸テトラデシル、(メタ)アクリル酸ヘキサデシル、(メタ)アクリル酸オクタデシル、(メタ)アクリル酸ドコシル等の炭素数1〜22のアルキル鎖を持つ(メタ)アクリル酸エステル類;
(2)(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸イソボニル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンタニル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンタニルオキシエチル等の脂環式のアルキル基を有する(メタ)アクリル酸エステル類;
(3)(メタ)アクリル酸ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸ヒドロキシプロピル、(メタ)アクリル酸ヒドロキシブチル、(メタ)アクリル酸グリセロール;ラクトン変性(メタ)アクリル酸ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸ポリエチレングリコール、(メタ)アクリル酸ポリプロピレングリコールなどのポリアルキレングリコール基を有する(メタ)アクリル酸エステル等のヒドロキシアルキル基を有するアクリル酸エステル類;
(4)フマル酸ジメチル、フマル酸ジエチル、フマル酸ジブチル、イタコン酸ジメチル、イタコン酸ジブチル、フマル酸メチルエチル、フマル酸メチルブチル、イタコン酸メチルエチルなどの不飽和ジカルボン酸エステル類;
(5)ブタジエン、イソプレン、ピペリレン、ジメチルブタジエンなどのジエン系化合物類;
(6)塩化ビニル、臭化ビニルなどのハロゲン系ビニルやハロゲン化ビニリデン類;
(7)メチルビニルケトン、ブチルビニルケトンなどの不飽和ケトン類;
(8)酢酸ビニル、酪酸ビニルなどのビニルエステル類;
(9)メチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテルなどのビニルエーテル類;
(10)アクリロニトリル、メタクリロニトリル、シアン化ビニリデンなどのシアン化ビニル類;
(11)N−フェニルマレイミド、N−シクロヘキシルマレイミドなどのN−置換マレイミド類;
(12)フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ブロモトリフルオロエチレン、ペンタフルオロプロピレン若しくはヘキサフルオロプロピオレンの如き負フッ素含有α−オレフィン類;またはトリフルオロメチルトリフルオロビニルエーテル、ペンタフルオロエチルトリフルオロビニルエーテル若しくはヘプタフルオロプロピルトリフルオロビニルエーテルの如き(パー)フルオロアルキル基の炭素数が1から18なる(パー)フルオロアルキル・パーフルオロビニルエーテル類;2,2,2−トリフルオロエチル(メタ)アクリレート、2,2,3,3、−テトラフルオロプロピル(メタ)アクリレート、1H,1H,5H−オクタフルオロペンチル(メタ)アクリレート、1H,1H,2H,2H−ヘプタデカフルオロデシル(メタ)アクリレート、若しくはパーフルオロエチルオキシエチル(メタ)アクリレートの如き(パー)フルオロアルキル基の炭素数が1から18なる(パー)フルオロアルキル(メタ)アクリレート類等のフッ素含有エチレン性不飽和モノマー類;
(13)γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン等のシリル基含有(メタ)アクリレート類;
(14)N,N−ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N−ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート若しくはN,N−ジエチルアミノプロピル(メタ)アクリレート等のN,N−ジアルキルアミノアルキル(メタ)アクリレート等が挙げられる。
(15)アクリルアミドなどのアミド基を有するアクリル酸エステル類;
これらのフェニル基を有するビニルモノマーと、エポキシ基を有するビニルモノマーの重合体を調製する際に用いる他のビニルモノマーは、単独で用いても良いし、2種以上を併用しても良い。
前記フェニル基を有するビニルモノマーと、エポキシ基を有するビニルモノマーの重合体を得るには、公知慣用の方法を用いて重合(共重合)させれば良く、その重合形態は特に制限されない。触媒(重合開始剤)の存在下に、付加重合により製造することができ、ランダム共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体等のいずれでもよい。また共重合方法も塊状重合法、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法等の公知の重合法が使用できる。
ここで、溶液重合等に用いることができる溶媒として代表的なものを挙げれば、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチル−n−プロピルケトン、メチルイソプロピルケトン、メチル−n−ブチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−n−アミルケトン、メチル−n−ヘキシルケトン、ジエチルケトン、エチル−n−ブチルケトン、ジ−n−プロピルケトン、ジイソブチルケトン、シクロヘキサノン、ホロン等のケトン系溶媒;
エチルエーテル、イソプロピルエーテル、n−ブチルエーテル、ジイソアミルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、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ジメチルエーテル、ジエチレングリコール、ジオキサン、テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒;
ギ酸エチル、ギ酸プロピル、ギ酸−n−ブチル、酢酸エチル、酢酸−n−プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸−nーブチル、酢酸−n−アミル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチル−3−エトキシプロピオネート等のエステル系溶媒;
メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、n−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、ジアセトンアルコール、3−メトキシ−1−プロパノール、3−メトキシ−1−ブタノール、3−メチル−3−メトキシブタノール等のアルコール系溶媒;
トルエン、キシレン、ソルベッソ100、ソルベッソ150、スワゾール1800、スワゾール310、アイソパーE、アイソパーG、エクソンナフサ5号、エクソンナフサ6号等の炭化水素系溶媒が挙げられる。これらは単独で用いても良いし、2種以上を併用しても良いが、二段目の反応となるエポキシ基を有するビニルモノマーとカルボキシル基を有する単量体の反応、またはカルボキシル基を有するビニルモノマーとエポキシ基を有する単量体の反応を効率的に行うためには100〜150℃の高温で行う方が好ましく、この観点から溶媒の沸点は100℃以上、好ましくは100〜150℃のものを用いるのが好ましい。
また、上述の触媒としては、ラジカル重合開始剤として一般的に知られるものが使用でき、例えば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)等のアゾ化合物;ベンゾイルペルオキシド、ラウロイルペルオキシド、t−ブチルペルオキシピバレート、t−ブチルパーオキシエチルヘキサノエイト、1,1’−ビス−(t−ブチルペルオキシ)シクロヘキサン、t−アミルペルオキシ−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等の有機過酸化物及び過酸化水素等が挙げられる。
触媒として過酸化物を用いる場合には、過酸化物を還元剤とともに用いてレドックス型開始剤としてもよい。
上記で得られるフェニル基を有するビニルモノマーとエポキシ基を有するビニルモノマーとの共重合体に対し、(メタ)アクリロイル基及びカルボキシル基を有する単量体を反応させることで本発明のビニル系重合体が得ることができる。(メタ)アクリロイル基及びカルボキシル基を有する単量体としては、例えば、(メタ)アクリル酸、β―カルボキシエチル(メタ)アクリレート、2−アクリロイルオキシエチルコハク酸、2−アクリロイルオキシエチルフタル酸、2−アクリロイルオキシエチルヘキサヒドロフタル酸及びこれらのラクトン変性物等エステル結合を有する不飽和モノカルボン酸等が挙げられる。また、無水コハク酸や無水マレイン酸等の無水酸をペンタエリスリトールトリアクリレート等の水酸基含有多官能(メタ)アクリレートモノマーと反応させた後、カルボキシル基含有多官能(メタ)アクリレートモノマーとしたものを用いても良い。これら(メタ)アクリロイル基及びカルボキシル基を有する単量体は、各々単独で用いても良いし、2種以上を併用しても良い。これらの中でも(メタ)アクリル酸は硬化膜の耐溶剤性の点から好ましい。
フェニル基を有するビニルモノマーとエポキシ基を有するビニルモノマーとの重合体と(メタ)アクリロイル基及びカルボキシル基を有する単量体との反応は、通常、両成分とトリフェニルフォスフィンや4級アンモニウム塩などの触媒を混合し、80〜120℃程度に加熱して行われる。重合体と単量体の使用量は、特に限定されないが、通常、エポキシ基1モルに対して、(メタ)アクリロイル基及びカルボキシル基を有する単量体中のカルボキシル基のモル数を0.4〜1.0モルとすることが好ましい。
本発明のビニル系重合体と多官能(メタ)アクリレートなどの反応性化合物を併用する場合は、高い耐溶剤性をもつ塗膜を得るために、本発明のビニル系重合体の(メタ)アクリロイル基当量が220〜1600gである必要がある。
また、本発明のビニル系重合体は、単独で用いる場合には、活性エネルギー線による架橋反応により、高い耐溶剤性の塗膜を得るため、(メタ)アクリロイル基当量が220〜600g/eqであることが好ましい。
本発明のビニル系重合体の重量平均分子量は、3,000〜20万が好ましい。3000以上であればレベリング性が優れかつ、薄膜化した際に平滑な膜が得られ、20万以下であれば有機溶媒に対する溶解性が優れまた安定性にも優れるからである。このような観点から、5,000〜10万であることがさらに好ましい。
前述のとおり、本発明のビニル系重合体は、
1.フェニル基を有するビニルモノマー(I)とエポキシ基を有するビニルモノマー(II)とを溶液重合法にて共重合させ共重合体を得る工程、
2.得られた共重合体のエポキシ基に、(メタ)アクリロイル基及びカルボキシル基を有する単量体(III)を加えて反応させる工程により得ることができる。この方法は、加える(メタ)アクリロイル基及びカルボキシル基を有する単量体(III)の添加量で、ビニル系重合体の酸価を調整しやすいため好ましい。
また、本発明のビニル系重合体は、酸価が20mgKOH/g以下であれば、他の合成方法によっても得ることができ、例えば、
3.フェニル基を有するビニルモノマー(I)とカルボキシル基を有するビニルモノマー(III’)とを溶液重合法にて共重合させ共重合体を得る工程、
4.得られた共重合体のカルボキシル基に、(メタ)アクリロイル基及びエポキシ基を有する単量体(II’)を加えて反応させる工程により得ても構わない。
また、本発明のビニル系重合体は、エポキシ基とカルボン酸基が反応して生成する水酸基をアセチル化、ウレタン化により封止しても良い。これにより、(メタ)アクリロイル当量を適宜調製することが可能であり、ビニル系重合体の水酸基量を減らし、極性を低下できるので、トランジスタ特性を向上させることができる。
アセチル化を行う単量体としては、塩化アセチルや無水酢酸などのアセチル化化合物が挙げられる。
本発明のビニル系重合体の水酸基をアセチル化反応させる方法は、特に限定されず、公知の方法を採用することができる。具体的には、例えば、本発明のビニル系重合体にアセチル化試薬を滴下しながら加え50〜120℃に加熱し反応させれば良い。なお、ビニル系重合体とアセチル化試薬の使用量は、限定されないが、通常、ビニル系重合体の水酸基(モル):アセチル化試薬(モル)=1:0.1〜1:1.1である。
また、ウレタン化を行う一つのイソシアネートを有する単量体としては、以下の化合物が挙げられる。
脂肪族モノイソシアネートとしては、イソシアン酸フェニル、イソシアン酸―p−トイル、イソシアン酸―1−ナフチルが挙げられる。脂肪族モノイソシアネートとしては、イソシアン酸―t−ブチル、イソシアン酸エチル、イソシアン酸プロピル、イソシアン酸ヘキシルなどが挙げられる。また、一つのイソシアネートと(メタ)アクリロイル基を有する単量体がある。具体的には、例えば、カレンズ(登録商標)AOI、カレンズMOI、カレンズBEI(商品名、昭和電工(株)製)の他、ジイソシアネート化合物とヒドロキシアクリレートとの反応付加物等が例示できる。
本発明のビニル系重合体に一つのイソシアネートを有する単量体とを反応させる方法は、特に限定されず、公知の方法を採用することができる。具体的には、例えば、本発明のビニル系重合体に一つのイソシアネートを有する単量体を滴下しながら加え50〜120℃に加熱し反応させれば良い。なお、ビニル系重合体と一つのイソシアネートを有する単量体の使用量は、限定されないが、通常、ビニル系重合体の水酸基(モル):一つのイソシアネートを有する単量体のイソシアネート基(モル)=1:0.1〜1:1.1である。
〔絶縁材料用樹脂組成物〕
本発明の絶縁材料用樹脂組成物は、上記ビニル系重合体を含有する。本発明の絶縁材料用樹脂組成物は、重合開始剤を含有することが好ましい。重合開始剤としては、硬化方法に合わせて光重合開始剤と、熱重合開始剤が挙げられる。
(光重合開始剤)
光重合開始剤としては光硬化性樹脂組成物において公知のものを使用すればよく、例えば、アセトフェノン類、オキシムエステル類、アシルホスフィンオキサイド類、ベンジルケタール類、ベンゾフェノン類からなる群から選ばれる一種以上を好ましく用いることができる。前記アセトフェノン類としては、ジエトキシアセトフェノン、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン、1−(4−イソプロピルフェニル)−2−ヒドロキシ−2−メチルプロパン−1−オン、4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル−(2−ヒドロキシ−2−プロピル)ケトン、1−ヒドロキシシクロヘキシル−フェニルケトン、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等が挙げられる。前記アシルホスフィンオキサイド類としては、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、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等が挙げられる。前記オキシムエステル類としては、2−(ベンゾイルオキシイミノ)−1−[4−(フェニルチオ)フェニル]−1−オクタノン等が挙げられる。前記ベンジルケタール類としては、例えば、2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン、ベンジルジメチルケタール等が挙げられる。前記ベンゾフェノン類としては、例えば、ベンゾフェノン、o−ベンゾイル安息香酸メチル等が挙げられる。前記ベンゾイン類等としては、例えば、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル等が挙げられる。光重合開始剤は単独で使用しても良いし、2種以上を併用してもよい。
上記の光重合開始剤の商品名を例示すると例えば、イルガキュア651、イルガキュア184、イルガキュア819、イルガキュア907、イルガキュア1870、イルガキュア500、イルガキュア369、ダロキュア1173、イルガキュア2959、イルガキュア4265、イルガキュア4263、ルシリンTPO、イルガキュアOXE01等(BASF株式会社製)が挙げられる。
前記光重合開始剤の使用量は、前記ビニル系重合体100重量%に対して、1〜15重量%が好ましく、2〜10重量%がより好ましい。
また、前記光重合開始剤と組合せて増感色素を併用することにより、感光性を大幅に向上させることができる。増感色素の具体例としては、チオキサンテン系、キサンテン系、ケトン系、チオピリリウム塩系、ベーススチリル系、メロシアニン系、3−置換クマリン系、シアニン系、アクリジン系、チアジン系などの色素類が挙げられる。
(熱重合開始剤)
熱重合開始剤としては、ラジカル重合開始剤として一般的に知られるものが使用でき、例えば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)等のアゾ化合物、ベンゾイルペルオキシド、ラウロイルペルオキシド、t−ブチルペルオキシピバレート、1,1’−ビス−(t−ブチルペルオキシ)シクロヘキサン、t−アミルペルオキシ−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等の有機過酸化物が挙げられる。また、これらの重合開始剤は単独、または2種以上を組み合わせて用いることができる。
(反応性化合物)
本発明における絶縁材料用樹脂組成物には、ビニル系重合体のほかに反応性化合物を含有しても良い。
反応性化合物としては、ビニル系重合体との硬化反応に直接寄与する反応性基を有するポリマーまたはモノマーを使用することができる。特に、活性エネルギー線硬化性モノマーといった、反応性希釈剤が特に好ましい。
また、前記反応性化合物として活性エネルギー線硬化性モノマーを使用する場合は、必要に応じて多官能(メタ)アクリレートまたは単官能(メタ)アクリレートを含有することができる。
多官能(メタ)アクリレートとしては、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,2−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(メタ)アクリレート、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、ジプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、トリス(2−(メタ)アクリロキシエチル)イソシアヌレート、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(トリメチロールプロパン)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、トリシクロデカンジメタノールジ(メタ)アクリレート、エチレンオキサイド付加ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、エチレンオキサイド付加ビスフェノールFジ(メタ)アクリレート、プロピレンオキサイド付加ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、プロピレンオキサイド付加ビスフェノールFジ(メタ)アクリレート、9、9ビスフェニルフルオレン骨格を有するジ(メタ)アクリレート、等の1分子中に2個以上の重合性2重結合を有する多官能(メタ)アクリレート等が挙げられる。
単官能(メタ)アクリレートとしては、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、カプロラクトン変性ヒドロキシ(メタ)アクリレート(例えばダイセル化学工業(株)製商品名「プラクセル」)、フタル酸とプロピレングリコールとから得られるポリエステルジオールのモノ(メタ)アクリレート、コハク酸とプロピレングリコールとから得られるポリエステルジオールのモノ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールモノ(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシ−3−(メタ)アクリロイルオキシプロピル(メタ)アクリレート、各種エポキシエステルの(メタ)アクリル酸付加物、等の水酸基含有(メタ)アクリル酸エステル;(メタ)アクリル酸、クロトン酸、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸、などのカルボキシル基含有ビニル単量体;ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、スルホエチル(メタ)アクリレートなどのスルホン酸基含有ビニル単量体;2−(メタ)アクリロイルオキシエチルアシッドホスフェート、2−(メタ)アクリロイルオキシプロピルアシッドホスフェート、2−(メタ)アクリロイルオキシ−3−クロロ−プロピルアシッドホスフェート、2−メタクリロイルオキシエチルフェニルりん酸などの酸性りん酸エステル系ビニル単量体;N−メチロール(メタ)アクリルアミドなどのメチロール基を有するビニル単量体、ジルアクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、フェニルベンジル(メタ)アクリレート、フェノキシベンジル(メタ)アクリレート、フェノールEO変性(メタ)アクリレート、o−フェニルフェノールEO変性(メタ)アクリレート、パラクミルフェノールEO変性(メタ)アクリレート、ノニルフェノールEO変性(メタ)アクリレート、フタル酸モノヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシ−3−フェノキシプロピル(メタ)アクリレート、2−(フェニルチオ)エチル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニル(メタ)アクリレート、イソボロニル(メタ)アクリレート、アダマンチル(メタ)アクリレート等を挙げることができる。これらは1種又は2種以上を用いることができる。
前記多官能および単官能アクリレートを用いる場合の使用量としては、本発明の絶縁材料用樹脂組成物の全固形分量に対して0〜80重量%が好ましく、レベリング性の観点から0〜50重量%がより好ましい。前記多官能アクリレートおよび単官能を前記範囲内で使用することによって、塗膜硬度や耐溶剤性などを調整することができる。
[絶縁インキ]
本発明の絶縁材料用樹脂組成物は、塗布法や印刷法に適用するために、溶剤やフィラー、レオロジー調整剤などを添加して、インキの粘度や印刷適正を調整することで絶縁インキとすることができる。
本発明の絶縁インキに用いる有機溶剤としては、絶縁材料用樹脂組成物を溶解するものであれば任意の溶剤を使用することができ、例えば、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、ドデカン、イソペンタン、イソヘキサン、イソオクタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、シクロペンタンなどの脂肪族炭化水素系有機溶剤、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、エチルベンゼン、メシチレン、テトラリン、ジクロロベンゼン、クロロナフタレン、シクロヘキシルベンゼン、ジエチルベンゼンなどの芳香族炭化水素系溶剤、蟻酸メチル、蟻酸エチル、蟻酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸イソプロピル、酢酸n−プロピル、酢酸イソブチル、酢酸n−ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどのエステル系溶剤、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、sec−ブタノール、tert−ブタノール、シクロヘキサノール、α−テルピネオールなどのアルコール系溶剤、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、2−ヘキサノン、2−ヘプタノン、2−オクタノンなどのケトン系溶剤、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールプロピルエーテルアセテート、ジエチレングリコールイソプロピルエーテルアセテート、ジエチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコール−t−ブチルエーテルアセテート、トリエチレングリコールメチルエーテルアセテート、トリエチレングリコールエチルエーテルアセテート、トリエチレングリコールプロピルエーテルアセテート、トリエチレングリコールイソプロピルエーテルアセテート、トリエチレングリコールブチルエーテルアセテート、トリエチレングリコール−t−ブチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノブチルエーテルなどのアルキレングリコール系溶剤、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、アニソール、ブチルフェニルエーテル、ペンチルフェニルエーテル、メトキシトルエン、ベンジルエチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジベンジルエーテル、ジオキサン、フラン、テトラヒドロフランなどのエーテル系溶剤、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセタミド、N−メチルピロリドンなどのアミド系溶媒などがあるが、特に限定するものではない。また、これらは単独または二種類以上を併用してもよい。
(配合材料)
本発明絶縁インキは、発明の効果を損ねない範囲であれば、他の配合材料を添加してもよく、粘度調製、保存安定性、表面張力調整などの観点から、ポリマー微粒子などの有機フィラー、シリカ無機酸化物粒子などの無機フィラー、顔料、酸化防止剤、重合禁止剤、界面活性剤、レオロジー調整剤等を適時使用してかまわない。
[絶縁膜]
本発明の絶縁材料用樹脂組成物または絶縁インキを硬化することで硬化物を得、これを絶縁膜とすることができる。例えば、本発明の絶縁材料用樹脂組成物を基板上に展開し、硬化させることで、絶縁膜を得ることができる。絶縁膜を形成するには、形成したい基板上に直接本発明の絶縁材料用樹脂組成物を塗布、塗工、印刷等の方法で展開し、硬化させて得ることができる。また、別の基板上や型へと成膜し、硬化させてから、絶縁膜として各種電子部材へと使用してもよく、絶縁材料用樹脂組成物を押し出し成形等の公知の成形方法でフィルム上に成膜したうえで、硬化させて得られる絶縁膜であってもかまわない。
本発明の絶縁膜は、本発明のビニル系重合体からなり、絶縁膜内にカルボン酸などの官能基を多く含まないため、電界効果トランジスタとした際には半導体の電子・キャリアのトラップの影響がなく、トランジスタ特性としては良好な素子が得られ、耐溶剤性に優れるため、素子形成方法に好適である。
(基板への成膜)
本発明の絶縁材料用樹脂組成物を、基板上へと展開する方法は、公知慣用の方法を用いればよく、例えば塗布方法としては、スプレー法、スピンコート法、ディップ法、ロールコート法、ブレードコート法、ドクターロール法、ドクターブレード法、カーテンコート法、スリットコート法、スクリーン印刷法、凸版反転印刷法、グラビア印刷法、フレキソ印刷法等を挙げることができる。
(基板)
絶縁材料用樹脂組成物を基板上で形成する場合、本発明の絶縁材料用樹脂組成物が展開できれば特に材質に制限はないが、例えば、石英、サファイア、ガラス、光学フィルム、セラミック材料、蒸着膜、磁性膜、反射膜、Al、Ni、Cu、Cr、Fe、ステンレス等の金属基材、スクリーンメッシュ、紙、木材、シリコン等の合成樹脂、SOG(Spin On Glass)、ポリエステルフイルム、ポリカーボネートフィルム、ポリイミドフィルム等のポリマー基材、TFTアレイ基材、サファイアやGaN等の発光ダイオード(LED)基材、ガラスや透明プラスチック基材、インジウム錫オキサイド(ITO)や金属等の導電性基材、絶縁性基材、シリコン、窒化シリコン、ポリシリコン、酸化シリコン、アモルファスシリコン等の半導体作製基材等が挙げられる。これらのものは光透過性でも非光透過性であってもよい。
(絶縁膜の形成)
基板上へと絶縁膜を成膜した後、公知慣用の方法で硬化させることで、絶縁膜を得ることができる。硬化の方法は、硬化の方法は、光硬化でも、熱硬化でもかまわないが、硬化スピードの観点から、光硬化するほうが好ましい。光照射に用いる光としては、光重合開始剤が反応する光であればよく、中でも、光重合開始剤が容易に反応し、より低温で硬化させることができる面から、450nm以下の波長の光(紫外線、電子線、X線、γ線等の活性エネルギー線)が好ましい。操作性の面から200から450nmの波長の光が特に好ましい。熱硬化の場合は、基板の熱による劣化や変形を防ぐ観点から、300℃以下が好ましく、200℃以下がさらに好ましい。また、赤外ランプなどを使用しても良い。絶縁膜の形成は、目的とする電子部材上の基板で直接行ってもよいし、転写などにより別の基板上で形成したのち、目的の電子部材に導入してもかまわない。
[有機電界効果トランジスタ]
本発明の絶縁膜は、各種電子部材に使用することができる。特に有機電界効果トランジスタ用途として使用でき、中でもゲート絶縁膜として好適に使用できる。本発明の有機電界効果トランジスタは、前述の絶縁膜を用いたものであればその構成は特に制限されず、ボトムゲートトップコンタクト型、ボトムゲートボトムコンタクト型、トップゲートトップコンタクト型、トップゲートボトムコンタクト型などの公知慣用の型のトランジスタに適用できる。一例として、図1乃至図2に本発明のゲート絶縁膜を用いた有機電界効果トランジスタの構成例を示す。
図1乃至図2の例では、本発明の有機電界効果トランジスタは、基板1上にゲート電極2が形成されており、ゲート電極2は、本発明のゲート絶縁膜3で覆われている。図1のボトムゲートボトムコンタクト型の例では、ゲート絶縁膜3の上にソース電極4とドレイン電極4とが設置されており、これらを覆うように半導体層5が形成されている。一方、図2のボトムゲートトップコンタクト型の例では、ゲート絶縁膜3の上に半導体層5が形成され、その上にソース電極4とドレイン電極4とが設置されている。
本発明の有機電界効果トランジスタに用いられる電極材料(ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極)としては、例えば、金、銀、胴、アルミニウム、カルシウム、クロム、ニッケル、チタン、鉄、パラジウム、亜鉛、錫、鉛、インジウムなどの金属や、これら金属の合金または酸化物や、カーボンブラック、フラーレン類、カーボンナノチューブなどの無機材料、さらには、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリフルオレンおよびこれらの誘導体などの有機π共役ポリマーなどが挙げられる。
これらの電極材料は1種類で用いてもよいが、有機電界効果トランジスタの移動度、オン/オフ比の向上を目的として、もしくは閾値電圧の制御を目的として、複数の材料を組み合わせて用いてもよい。又、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極のそれぞれにおいて異なる電極材料を用いてもよい。
電極の形成方法としては、真空蒸着、スパッタなどをもちいるのが一般的であるが、製造方法の簡略化のため、スプレーコート法、印刷法、インクジェット法などの塗布法による電極の形成方法が提案されている。また近年では紫外線照射によってゲート絶縁膜の表面エネルギーを一部変化させ高精細な電極パターンを形成する塗布方法も提案されている。塗布可能な電極材料としては、ナノ金属微粒子や有機π共役ポリマーなどがある。
塗布法による電極形成の際、ナノ金属インクや有機π共役ポリマーの溶媒としては、本発明のゲート絶縁膜へのダメージ(インターミキシング)が少ないことから、水や各種アルコール類が好ましい。また、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、2−ピロリドン、N−メチル−2−ピロリドン、n−エチル−2−ピロリドン、n−ビニル−2−ピロリドン、N−メチルカプロラクム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素などの極性溶媒も電極材料の溶解性に優れる観点から好ましいが、これらは、本発明のゲート絶縁膜へのダメージが少ない範囲において使用することが好ましい。
本発明の有機電界効果トランジスタに含まれる半導体層に用いられる材料は、本発明のゲート絶縁膜上、上記の電極上、及び上記のプラスチック基板上に形成可能であれば特に限定されないが、具体例として、ペンタセン、オリゴチオフェン誘導体、[1]ベンゾチエノ[3,2−b][1]ベンゾチオフェン(BTBT)などのカルコゲン縮合型化合物の誘導体、フタロシアニン誘導体などの有機低分子材料、ポリチオフェン誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリフルオレン誘導体などのπ共役ポリマー、InGaZnO系、InGaO系、ZnGaO系、InZnO系、ZnO、SnO2等の酸化物半導体などが挙げられる。
これら半導体材料の成膜方法は、スパッタ法、真空蒸着法、インクジェット法、スプレー法などを用いることができる。特に、インクジェット法、スプレー法などの塗布法は簡便であり、製造コストを下げることができるので好ましい。
成膜の際、半導体層に用いられる材料の溶媒としては、これらを溶解または均一に分散させることができ、かつ本発明のゲート絶縁膜へのダメージ(インターミキシングなど)が少ないものであれば特に限定されず、オルトジクロロベンゼン、キシレン、トリクロロベンゼン、トリメチルベンゼンなどを例示することができる。
次に、本発明を、実施例及び比較例により具体的に説明をする。例中断りのない限り、「部」「%」は質量基準である。
本発明のビニル系重合体の酸価は、下記の合成例で得られた絶縁材料用樹脂組成物20gをメタノール1L中に滴下し、再沈殿を行い、ろ別し乾燥することで得られた固形物の酸価から求めた。具体的には、秤量した固形物を体積比でトルエン/メタノール=70/30の溶媒に溶かし、1%フェノールフタレインアルコール溶液を数滴滴下しておき、そこに0.1mol/Lの水酸化カリウムアルコール溶液を滴下して、変色点を確認する方法により測定し、下記の計算式で求めた。
ビニル系重合体の酸価(mgKOH/g)=(V×F×5.611)/S
V:0.1mol/L水酸化カリウムアルコール溶液の使用量(mL)
F:0.1mol/L水酸化カリウムアルコール溶液の力価
S:試料の採取量(g)
5.611:5.611:0.1mol/L水酸化カリウムアルコール溶液1mL中の水酸化カリウム相当量(mg)
合成例における不揮発分は、秤量した絶縁材料用樹脂組成物を、送風式乾燥機内で120℃、1時間乾燥させ、乾燥後の質量から下記の計算式で求めた。
不揮発分(%)=(W2/W1)×100
W1:乾燥前の試料の質量(g)
W2:120℃、1時間乾燥後の質量(g)
また、合成例における絶縁材料用樹脂組成物の不揮発分酸価は、次のように測定した。先ず、下記の合成例で得られた絶縁材料用樹脂組成物をフラスコに秤量後、トルエン/メタノール=70/30(体積比)の混合溶媒に溶解して測定溶液を調製した。次に、この溶液に指示薬として1%フェノールフタレインアルコール溶液を数滴滴下後、0.1mol/Lの水酸化カリウムアルコール溶液で滴定し、変色点を終点として下式より算出した。なお、不揮発分酸価は120℃1時間の条件で揮発しない成分の酸価を表し、これにはビニル系重合体の他に、合成時に使用した未反応の単量体、残存する重合開始剤や添加剤なども含まれる。
不揮発分酸価(mgKOH/g)=(A/N)×100
A:絶縁材料用樹脂組成物の酸価(mgKOH/g)
N:絶縁材料用樹脂組成物の不揮発分(%)
本発明で重量平均分子量と数平均分子量の測定は、ゲルパーミエーションクロマトグラフ(GPC)を用い、下記の条件により求めた。
ポンプ;Waters 600 controller
カラム;Shodex LF−804 4本連結
RI検出器;Waters 2414
データ処理;Waters Empower2
測定条件;カラム温度 40℃
溶媒 テトラヒドロフラン
流速 1.0ml/分
標準;ポリスチレン
試料;樹脂固形分換算で0.4重量%のテトラヒドロフラン溶液をマイクロフィルターでろ過したもの
[ビニル系重合体を含有した絶縁材料用樹脂組成物の合成]
(合成例1)
攪拌装置、冷却管、滴下ロート及び窒素導入管を備えた反応装置に、メチルイソブチルケトン(以下、MIBKという)110gを仕込み、攪拌しながら系内温度が100℃になるまで昇温し、次いで、スチレン72g、グリシジルメタクリレート(以下、GMAという)108g、及びt−ブチルパーオキシエチルヘキサノエイト(以下、P−Oという)7.2gからなる混合液を4時間かけて滴下ロートより滴下した後、100℃で6時間保持した。次いで、70℃まで降温した後、窒素導入管を空気導入管に付け替えて、メトキノン0.2gおよびアクリル酸を54.8g仕込んだ後、トリフェニルフォスフィンを1.1g添加後、空気バブリング下でさらに100℃まで昇温して8時間保持した。冷却して不揮発分が50%になるようMIBKを加え、絶縁材料用樹脂組成物(A)を得た。
・ビニル系重合体の仕込み:スチレン(I)72g、グリシジルメタクリレート(II)108g、アクリル酸54.8g(III)
・絶縁材料樹脂組成物中の不揮発分酸価:2.0mgKOH/g
・ビニル系重合体の酸価:0.4mgKOH/g
・仕込み比より計算したアクリロイル基当量:310g/eq
・重量平均分子量:28,000
(合成例2)
攪拌装置、冷却管、滴下ロート及び窒素導入管を備えた反応装置に、MIBK95gを仕込み、攪拌しながら系内温度が100℃になるまで昇温し、次いで、スチレン126g、GMA54g、及びP−O 3.6gからなる混合液を4時間かけて滴下ロートより滴下した後、100℃で6時間保持した。次いで、70℃まで降温した後、窒素導入管を空気導入管に付け替えて、メトキノン0.2gおよびアクリル酸を27.4g仕込んだ後、トリフェニルフォスフィンを1.1g添加後、空気バブリング下でさらに100℃まで昇温して8時間保持した。冷却して不揮発分が50%になるようMIBKを加え、絶縁材料用樹脂組成物(B)を得た。
・ビニル系重合体の仕込み:スチレン(I)126g、グリシジルメタクリレート(II)54g、アクリル酸27.4g(III)
・絶縁材料樹脂組成物中の不揮発分酸価:1.8mgKOH/g
・ビニル系重合体の酸価:0.6mgKOH/mg
・仕込み比より計算したアクリロイル基当量:550g/eq
・重量平均分子量:59,000
(合成例3)
攪拌装置、冷却管、滴下ロート及び窒素導入管を備えた反応装置に、MIBK95gを仕込み、攪拌しながら系内温度が100℃になるまで昇温し、次いで、スチレン108g、GMA72g、及びP−O3.6gからなる混合液を4時間かけて滴下ロートより滴下した後、100℃で6時間保持した。次いで、70℃まで降温した後、窒素導入管を空気導入管に付け替えて、メトキノン0.2gおよびアクリル酸を36.5g仕込んだ後、トリフェニルフォスフィンを1.1g添加後、空気バブリング下でさらに100℃まで昇温して8時間保持した。
その後、80℃まで冷却し、イソシアン酸フェニル54.3g、ジラウリル酸ノルマルブチル錫0.1gを添加し、6時間保持した。冷却して不揮発分が50%になるようMIBKを加え、絶縁材料用樹脂組成物(C)を得た。
・ビニル系重合体の仕込み:スチレン(I)108g、グリシジルメタクリレート(II)72g、アクリル酸36.5g(III)
・絶縁材料樹脂組成物中の不揮発分酸価:2.3mgKOH/g
・ビニル系重合体の酸価:0.3mgKOH/mg
・仕込み比より計算したアクリロイル基当量:540g/eq
・重量平均分子量:72,000
(合成例4)
攪拌装置、冷却管、滴下ロート及び窒素導入管を備えた反応装置に、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(以下、PGM−ACという)167gを仕込み、攪拌しながら系内温度が100℃になるまで昇温し、次いで、ベンジルメタアクリレート150g、GMA108g、及びP−O 5gからなる混合液を4時間かけて滴下ロートより滴下した後、100℃で6時間保持した。次いで、70℃まで降温した後、窒素導入管を空気導入管に付け替えて、メトキノン0.2gおよびアクリル酸を49.7g仕込んだ後、トリフェニルフォスフィンを1.5g添加後、空気バブリング下でさらに100℃まで昇温して11時間保持した。反応の進行は、酸価の減少から確認した。冷却して不揮発分が50%になるようPGM−ACを加え、絶縁材料用樹脂組成物(D)を得た。
・ビニル系重合体の仕込み:ベンジルアクリレート(I)150g、グリシジルメタクリレート(II)108g、アクリル酸49.7g(III)
・絶縁材料樹脂組成物中の不揮発分酸価:1.6mgKOH/g
・ビニル系重合体の酸価:0.2mgKOH/mg
・仕込み比より計算したアクリロイル基当量、430g/eq
・重量平均分子量:30,000
(合成例5)
攪拌装置、冷却管、滴下ロート及び窒素導入管を備えた反応装置に、PGM−AC182gを仕込み、攪拌しながら系内温度が100℃になるまで昇温し、次いで、スチレン224.1g、GMA45.9g、及びP−O 5.4gからなる混合液を4時間かけて滴下ロートより滴下した後、100℃で6時間保持した。次いで、70℃まで降温した後、窒素導入管を空気導入管に付け替えて、メトキノン0.2gおよびアクリル酸を22.6g仕込んだ後、トリフェニルフォスフィンを1.5g添加後、空気バブリング下でさらに100℃まで昇温して11時間保持した。冷却して不揮発分が50%になるようPGM−ACを加え、絶縁材料用樹脂組成物(E)を得た。
・ビニル系重合体の仕込み:スチレン(I)224.1g、グリシジルメタクリレート(II)45.9g、アクリル酸22.6g(III)
・絶縁材料樹脂組成物中の不揮発分酸価:1.7mgKOH/g
・ビニル系重合体の酸価:0.3mgKOH/mg
・仕込み比より計算したアクリロイル基当量:930g/eq
・重量平均分子量:43,000
(合成例6)
攪拌装置、冷却管、滴下ロート及び窒素導入管を備えた反応装置に、MIBK167gを仕込み、攪拌しながら系内温度が100℃になるまで昇温し、次いで、スチレン150g、GMA108g、及びP−O 5gからなる混合液を4時間かけて滴下ロートより滴下した後、100℃で6時間保持した。次いで、70℃まで降温した後、窒素導入管を空気導入管に付け替えて、メトキノン0.2gおよびアクリル酸を49.7g仕込んだ後、トリフェニルフォスフィンを1.5g添加後、空気バブリング下でさらに100℃まで昇温して11時間保持した。冷却して不揮発分が50%になるようを加え、樹脂の溶液を得た。その後、攪拌装置、冷却管、滴下ロート及び空気導入管を備えた反応装置に、得られた不揮発分50%の樹脂の溶液50gに、パラトルエンスルホン酸0.13g、無水酢酸12gを加え、80℃になるまで昇温し、8時間保持した。冷却後、メタノール2Lへ反応溶液を滴下し、白色スラリーを得た。そして、遠心分離でを行い、上澄みを除去し、PGM−ACを添加し、エバポレーターを用い溶媒置換を行い、不揮発分が40%の絶縁材料用樹脂組成物(F)を得た。
・ビニル系重合体の仕込み、スチレン(I)150g、グリシジルメタクリレート(II)108g、アクリル酸49.7g(III)
・絶縁材料樹脂組成物中の不揮発分酸価:0.7mgKOH/mg
・ビニル系重合体の酸価:0.7mgKOH/mg
・仕込み比より計算したアクリロイル基当量:480g/eq
・重量平均分子量:49,000
(比較合成例1)
攪拌装置、冷却管、滴下ロート及び窒素導入管を備えた反応装置に、プロピレングリコールモノメチルエーテル95gを仕込み、攪拌しながら系内温度が100℃になるまで昇温し、次いで、スチレン136.8g、アクリル酸43.2g、及び、P−O6.8gからなる混合液を4時間かけて滴下ロートより滴下した後、100℃で6時間保持した。次いで、70℃まで降温した後、窒素導入管を空気導入管に付け替えて、メトキノン0.2gおよびGMAを71.0g仕込んだ後、トリフェニルフォスフィンを1.1g添加後、空気バブリング下でさらに100℃まで昇温して8時間保持した。冷却して不揮発分が50%になるようプロピレングリコールモノメチルエーテルを加え、樹脂組成物(G)を得た。
・ビニル系重合体の仕込み、スチレン(I)136.8g、グリシジルメタクリレート(II’)71.0g、アクリル酸43.2g(III’)
・絶縁材料樹脂組成物中の不揮発分酸価:28mg/KOH
・ビニル系重合体の酸価、26mgKOH/mg
・仕込みより計算したアクリロイル基当量、500g/eq
・重量平均分子量:59,000
(実施例1)
(絶縁インキの調製)
合成例1で得られた絶縁材料用樹脂組成物(A)を固形分濃度が20wt%になるようシクロヘキサノンで希釈し、開始剤としてイルガキュア(登録商標)907を固形分に対して2部添加し、絶縁インキ(A−1)を得た。
[絶縁膜の作製] 絶縁インキ(A−1)をガラス基板(5cm角、厚み0.7mm)に、0.2μm孔フィルタを付けたシリンジで滴下し、スピンコート法により塗布した。その後オーブンで、80℃、10分間加熱処理した。次いで、コンベア式UV照射装置(アイグラフィック社製UB044−5AM−4)を用いて、窒素雰囲気下、120kW高圧水銀ランプ、コンベアスピード約5m/分で2回UV照射して膜厚約700nmの樹脂付きガラス基板を得た。この時のUV照射量は1,000mJ/cmで照射時間は約30秒であった。
(耐溶剤性評価)
得られた樹脂つきガラス基板に、o−ジクロロベンゼンをスポイドで数滴たらし、大気中室温で30分放置し、その後、オーブンで80℃30分熱処理した。そして、得られた樹脂つきガラス基板を目視により耐溶剤性を評価した。結果を表1に示す。樹脂表面の変化がなく、o−ジクロロベンゼンに対して高い耐溶剤性を示したことから、印刷法でのトランジスタモジュール製造に適している。
(絶縁性評価)
絶縁インキ(A−1)をクロム付きガラス基板(2.5cm角、厚み1mm)に、0.2μm孔フィルタを付けたシリンジで滴下し、スピンコート法により塗布した。その後オーブンで、80℃、10分間加熱処理し、有機溶媒を揮発させた。その後、耐溶剤性評価と同様の条件でUV照射を行って硬化し、厚み約700nmの樹脂塗布ガラス基板を得た。次に、表面を金蒸着することで、ガラス/クロム/樹脂/金で構成された積層板を得た。そして、得られた基板の電流―電圧測定を行った。詳細には、金−クロム間の電圧を0から400Vまで、2Vステップで変化させ、電流が十分安定するまで1秒間電圧を保持した後の電流値を測定した。リーク電流密度は、1MV/cmと2MV/cmの電流密度を評価した。また、絶縁破壊電圧は、リーク電流密度が急激に上昇した電圧を評価した。なお、測定には、半導体パラメータアナライザー Keithley社製、製品名SCS4200を用いた。結果を表1に示す。印加電圧1MV/cm、2MV/cmのリーク電流密度が1×10−8A/cm以下となり、また、絶縁破壊電圧が3MV/cm以上と高く、良好な絶縁性を示した。
[トランジスタ特性評価1]
絶縁インキ(A−1)をゲート電極としてクロムを用いたパターン処理ガラス基板(5cm角、厚み0.7mm)に、0.2μm孔フィルタを付けたシリンジで滴下し、スピンコート法により塗布した。その後オーブンで、80℃、10分間加熱処理した。その後、耐溶剤性評価と同様の条件でUV照射を行って硬化し、厚さ約700nmのゲート絶縁膜を得た。ゲート絶縁膜の硬化を約30秒で行えることから、印刷法に適した硬化速度といえる。
次に、上記ゲート絶縁膜上に金を約40nm積層し、チャネル長Lが100μm、チャネル幅Wが2mmのソース・ドレイン電極を形成した。
さらに、ポリ(3−ヘキシル)チオフェン(メルク社製、重量平均分子量約5万、以下、P3HTと称す)を0.5質量%の濃度でo―ジクロロベンゼンに溶解し、P3HTの塗布溶液を調製し、該塗布液を前述のゲート絶縁膜およびソースドレイン電極上にディスペンサーにより塗布した。その後、溶媒および水分を完全に揮発させるため、オーブンで窒素雰囲気か150℃、15分間加熱処理し、半導体層とし、有機トランジスタを完成させた。なお、図1に示した有機薄膜トランジスタの断面図は、実施例1の有機トランジスタに相当する。
上述より、得られた有機トランジスタの電気特性のドレイン電流とゲート電圧 を評価した。詳細には、ソース・ドレイン電圧(VD)を−40Vとして、ゲート電圧(VG)を+40Vから−80Vまで、2Vステップで変化させ、電流が十分安定するまで1秒間電圧を保持した後の値をドレイン電流の測定値として記録した。なお、測定には、半導体パラメータアナライザー Keithley社製、製品名SCS4200を用いた。
一般に、飽和状態におけるドレイン電流IDは下記式で表すことができる。つまり、有機半導体の移動度μは、ドレイン電流IDの絶対値の平方根を縦軸に、ゲート電圧VGを横軸にプロットしたときのグラフの傾きから求めることができる。
ID=W×C×μ×(VG−VT)/2L
上記式において、W:トランジスタのチャネル幅、L:トランジスタのチャネル長、C:ゲート絶縁膜の静電容量、VT:トランジスタの閾値電圧、μ:移動度である。P3HTの移動度μをこの式を元に計算したところ、2×10−3cm/Vsとなった。また閾値電圧は+9V、オン状態とオフ状態の比(オン/オフ比)は10のオーダーであった。結果を表2に示す。なお、ヒステリシスはみられなかった。なお、有機トランジスタの評価は窒素雰囲気中で行った。すなわち、絶縁インキ(A−1)から得られたゲート絶縁膜は有機トランジスタ用ゲート絶縁膜として適用可能であることが示された。
[トランジスタ特性評価2]
トランジスタ特性1と同様の方法で、ソースドレイン電極まで形成した。さらに、WO2008/047896号国際公開パンフレット記載の方法で得た下記構造を有するBTBT誘導体を、0.5質量%の濃度でo―ジクロロベンゼンに溶解し塗布溶液を調製し、該塗布液を前述のゲート絶縁膜およびソースドレイン電極上にディスペンサーにより塗布した。その後、溶媒および水分を完全に揮発させるため、オーブンで窒素雰囲気か150℃、15分間加熱処理し、半導体層とし、有機トランジスタを完成させた。
Figure 0005605668
上述より、得られた有機トランジスタの電気特性のドレイン電流とゲート電圧を評価した。詳細には、ソース・ドレイン電圧(VD)を−40Vとして、ゲート電圧(VG)を+40Vから−80Vまで、2Vステップで変化させ、電流が十分安定するまで1秒間電圧を保持した後の値をドレイン電流の測定値として記録した。なお、測定には、半導体パラメータアナライザー Keithley社製、製品名SCS4200を用いたトランジスタ特性評価1と同様の手法で計算した移動度は、3×10−2cm/Vsとなった。また閾値電圧は―3V、オン状態とオフ状態の比(オン/オフ比)は10のオーダーであった。なお、有機トランジスタの評価は大気雰囲気中で行った。また、1ヶ月間大気下に放置し、移動度を測定した結果、2×10−2cm/Vsとなった。結果を表3に示す。すなわち、組成物Aから得られたゲート絶縁膜は信頼性のある有機トランジスタ用ゲート絶縁膜として適用可能であることが示された。
(実施例2)
合成例2で得られた絶縁材料用樹脂組成物(B)とジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(東亞合成(株)製 アロニックス(登録商標)M−402)を樹脂Bに対して5部添加し、固形分濃度が20wt%になるようシクロヘキサノンで希釈し、開始剤としてイルガキュア907を固形分に対して2部添加し、絶縁インキ(B−1)を得た。
得られた絶縁インキ(B−1)を用いて、実施例1と同様に、耐溶剤性試験、絶縁性評価、トランジスタ評価1、トランジスタ評価2を行った。結果は、表1、2、3に示す。実施例1同様、良好な耐溶剤性、絶縁性を示した。また、トランジスタ評価においてヒステリシスは見られず、良好な移動度、保存安定性を示した。
(実施例3)
合成例3で得られた絶縁材料用樹脂組成物(C)の溶液とジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(東亞合成(株)製 アロニックス(登録商標)M−402)を樹脂Cに対して10部添加し、固形分濃度が20wt%になるようシクロヘキサノンで希釈し、開始剤としてイルガキュア907を固形分に対して2部添加し、絶縁インキ(C−1)を得た。
得られた絶縁インキC−1を用いて、実施例1と同様に、耐溶剤性試験、絶縁性評価、トランジスタ評価1、トランジスタ評価2を行った。結果は、表1、2、3に示す。
実施例1同様、良好な耐溶剤性、絶縁性を示した。また、トランジスタ評価においてヒステリシスは見られず、良好な移動度、安定性を示した。
(実施例4)
合成例4で得られた絶縁材料用樹脂組成物(D)を固形分濃度が12wt%になるようPGM−ACで希釈し、開始剤としてイルガキュア2959を固形分に対して2部添加し、絶縁インキ(D−1)を得た。
得られた絶縁インキ(D−1)を用いて、実施例1と同様に、耐溶剤性試験、絶縁性評価、トランジスタ評価2を行った。結果は、表1、3に示す。実施例1同様、良好な耐溶剤性、絶縁性を示した。また、トランジスタ評価においてヒステリシスは見られず、良好な移動度、安定性を示した。
(実施例5)
合成例5で得られた絶縁材料用樹脂組成物(E)とペンタエリスリトールテトラアクリレート(東亞合成(株)製 アロニックス(登録商標)M−305)をビニル系重合体(E)に対して50部添加し、固形分濃度が10wt%になるようPGM−ACで希釈し、開始剤としてイルガキュア907を固形分に対して2部添加し、絶縁インキ(E−1)を得た。
得られた絶縁インキ(E−1)を用いて、実施例1と同様に、耐溶剤性試験、絶縁性評価、トランジスタ評価2を行った。結果は、表1、表3に示す。実施例1と同様、トランジスタ評価においてヒステリシスは見られなかった。
(実施例6)
合成例6で得られた絶縁材料用樹脂組成物(F)とイソシアヌル酸EO変性トリアクリレート(東亞合成(株)製 アロニックス(登録商標)M−315)をビニル系重合体(F)に対して20部添加し、固形分濃度が11wt%になるようPGM−ACで希釈し、開始剤としてイルガキュア907を固形分に対して2部添加し、絶縁インキ(F−1)を得た。
得られた絶縁インキ(F−1)を用いて、実施例1と同様に、耐用財政試験、絶縁性評価、トランジスタ評価2を行った。結果は、表1、表3に示す。実施例1同様、良好な耐溶剤性、絶縁性を示した。また、トランジスタ評価においてヒステリシスは見られず、良好な移動度、保存安定性を示した
(比較例1)
比較合成例1で得られた絶縁材料用樹脂組成物(G)を固形分濃度が20wt%になるようシクロヘキサノンで希釈し、開始剤としてイルガキュア907を固形分に対して2部添加し、絶縁インキ(G−1)を得た。
絶縁インキG−1を用いて、実施例1と同様に、耐溶剤性試験、絶縁性評価を行った。結果は、表1に示す。絶縁性は良好であったが、耐溶剤試験の結果、o−ジクロロベンゼンに対して耐溶剤性を示さなかったことから、印刷法でのトランジスタモジュール製造には適さないことが分かった。
(比較例2)
アクリル樹脂(DIC(株)製 アクリディック(登録商標)198)を固形分13wt%になるようトルエンで希釈し、絶縁インキ(H−1)を得た。
(耐溶剤性試験)
絶縁インキ(H−1)を用いて、塗膜の作成条件を80℃、60分間加熱処理し、有機溶媒を揮発させた以外は、実施例1と同様に、耐溶剤性試験、絶縁性評価を行った。結果は、表1に示す。耐溶剤性評価の結果、耐溶剤性を示さなかったことから、印刷法でのトランジスタモジュール製造には適さないことが分かった。
(絶縁性評価)
絶縁インキ(G−1)をクロム付きガラス基板(2.5cm角、厚み1mm)に、0.2μm孔フィルタを付けたシリンジで滴下し、スピンコート法により塗布した。その後オーブンで、80℃、60分間加熱処理し、有機溶媒を揮発させた厚み約700nmの樹脂塗布ガラス基板を得た。次に、表面を金蒸着することで、ガラス/クロム/樹脂/金で構成された積層板を得た。そして、得られた基板の電流―電圧測定を行った。結果を表1に示す。
(比較例3)
合成例3で得られた樹脂組成物(G)とジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(東亞合成(株)製アロニックス(登録商標)M−402)をビニル系重合体(G)に対して20部添加し、固形分濃度が20wt%になるようシクロヘキサノンで希釈し、開始剤としてイルガキュア907を固形分に対して2部添加し、絶縁インキ(G−2)を得た。
得られた絶縁インキ(G−2)を用いて、実施例1と同様に、耐溶剤性試験、絶縁性評価、トランジスタ評価1、トランジスタ評価2を行った。結果は、表1、2,3に示す。実施例1同様、トランジスタ評価においてヒステリシスは見られなかった。トランジスタ特性評価1、2の結果、移動度が低く、また、1ヵ月後の移動度の低下が大きく、信頼性が実施例1、2、3、4、5、6と比較して十分でなかった。
Figure 0005605668
表1より、実施例1〜6の本発明の絶縁インキから得られた絶縁膜は、比較例1及び2と比較して、高い耐溶剤性を示し、高い絶縁性を有することがわかる。
Figure 0005605668
表2より、実施例1〜3の本発明の絶縁インキから得られたトランジスタは、比較例3と比較して移動度が高く、閾値電圧が小さくなることから、優れたトランジスタ特性を与えるゲート絶縁膜であることがわかる。
Figure 0005605668
表3より、実施例1〜6の本発明の絶縁インキから得られたトランジスタは、比較例3と比較して、移動度が高く、1ヵ月後の移動度の低下も小さいことから、信頼性に優れるトランジスタを与えるゲート絶縁膜であることがわかる。
本発明の絶縁材料用樹脂組成物及び絶縁膜は、薄膜トランジスタ用ゲート絶縁膜、半導体用層間絶縁膜をはじめとした各種電子部材に好適に利用可能である。
1 支持体(基板)
2 ゲート電極
3 絶縁層(ゲート絶縁膜)
4 ソース、ドレイン電極
5 有機半導体膜(層)

Claims (11)

  1. ビニル系重合体を含有する絶縁材料用樹脂組成物であって、
    該ビニル系重合体の酸価が5mgKOH/g以下であり、かつ、(メタ)アクリロイル基当量が220〜1600g/eqであり、
    該ビニル系重合体がフェニル基と(メタ)アクリロイル基とを有すること
    を特徴とする絶縁材料用樹脂組成物。
  2. 前記ビニル系重合体が、
    フェニル基を有するビニルモノマー(I)とエポキシ基を有するビニルモノマー(II)との共重合体のエポキシ基に、(メタ)アクリロイル基及びカルボキシル基を有する単量体(III)を反応させて得られるものである
    請求項1に記載の絶縁材料用樹脂組成物。
  3. 前記ビニル系重合体の重量平均分子量が3000〜20万である請求項1又は2に記載の絶縁材料用樹脂組成物。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の絶縁材料用樹脂組成物を含有することを特徴とする絶縁性インキ。
  5. 請求項1〜3のいずれかに記載の絶縁材料用樹脂組成物を硬化してなることを特徴とする硬化物。
  6. 請求項1〜3のいずれかに記載の絶縁材料用樹脂組成物を硬化してなることを特徴とする有機電界効果トランジスタ用の絶縁膜。
  7. 前記絶縁膜がゲート絶縁膜である請求項6に記載の絶縁膜。
  8. 請求項6に記載の絶縁膜を有することを特徴とする有機電界効果トランジスタ。
  9. ビニル系重合体を含有する絶縁材料用樹脂組成物を硬化してなる有機電界効果トランジスタ用の絶縁膜であって、
    該ビニル系重合体の酸価が20mgKOH/g以下であり、かつ、(メタ)アクリロイル基当量が220〜1600g/eqであり、
    該ビニル系重合体がフェニル基と(メタ)アクリロイル基とを有すること
    を特徴とする有機電界効果トランジスタ用の絶縁膜。
  10. 前記絶縁膜がゲート絶縁膜である請求項9に記載の絶縁膜。
  11. 請求項9に記載の絶縁膜を有することを特徴とする有機電界効果トランジスタ。
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