JP7458799B2 - 発光用材料及びその製造方法、並びに透明樹脂組成物 - Google Patents
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Description
ここで、透明で、蛍光体が含まれている樹脂組成物としては蛍光染料を溶解させたものや蛍光顔料を分散させたものが一般的である。しかしながら、蛍光染料では、耐熱性や耐久性が低いことや、樹脂によっては溶解性が悪いといった課題があり、蛍光顔料では、透明樹脂材料中へのナノメートルオーダーからサブマイクロメートルオーダーでの分散性が充分で無い場合が多かった。
耐熱性や耐久性があって分散性に優れた透明材料としては、ガラス粉末及び無機ナノ蛍光体粒子を含有する混合物を、金型を用いて加熱プレスすることにより焼結することを特徴とする波長変換部材の製造方法が開示されている(特許文献1)。しかしながら、この方法では透明樹脂材料に適用することができず応用対象が限られている。
前記内部の組成をもつコア粒子を液体分散媒中に分散させて分散液とする分散工程と、
前記分散液に前記表面の組成の前駆体を溶解させた後、前記前駆体から前記表面の組成に変換して前記コア粒子を被覆して被覆粒子とする被覆工程と、
前記被覆粒子を加熱して脱水縮合することで粒子間を結合・融着して凝集体とする凝集工程と、
を有する。
前記発光用材料を分散する透明樹脂材料と、
を有する。
本実施形態の発光用材料は、無機物からなる一次粒子から構成される粒子材料と、発光物質とを有する。
粒子材料は、一次粒子が脱水縮合により結合・融着して凝集した凝集体である。なお、一次粒子の内の一部が発光物質にて置換されることがあるが、発光物質による置換については発光物質についての説明にて詳細に説明を行うため本欄での説明は省略する。凝集体の粒径は特に限定しない。一次粒子の間が結合・融着されていることから一次粒子間が強固に結合され、粒子材料の機械的強度が向上できる。粒径が大きいほど強度を向上することができるため、透明樹脂材料中に混合できる限度で粒径を大きくすることが好ましい。例えば薄膜などのように物理的に粒子材料が侵入できない可能性があるような形態に適用する場合には、適用する部分の形態に物理的に侵入できるように、粒子材料の適正な粒度分布が決定される。
発光物質は、外部からのエネルギー(光線など)を加えることにより発光する物質であり、いわゆる蛍光性、燐光性などの性質をもつ物質であれば採用可能である。発光物質は、上述の粒子材料を構成する構成一次粒子の一部を置換して凝集体の一部になっていたり、粒子材料の表面に付着させたりできる。表面に付着させる場合には、膜状(前述の被覆層)にすることができる。被覆層に含有させる場合には、被覆層を高分子材料から構成することができる。高分子材料は、有機、無機、及びそれらの複合物の何れであっても良い。
発光物質の種類は特に限定しない。無機発光物質、希土類金属錯体、有機発光物質やそれらの混合物、複合物などである。
無機発光物質としては特に限定しないが、例えば、Y2O2S:ユウロピウム(Eu),Mg,Ti, Tb(テルビウム)、Er3+イオンを含有した酸化フッ化物系結晶化ガラス、酸化ストロンチウムと酸化アルミニウムからなる化合物に希土類元素のEuとジスプロシウム(Dy)を添加したSrAl2O4:Eu,Dyや、Sr4Al14O25:Eu,Dyや、CaAl2O4:Eu,Dyや、ZnS:Cu等を挙げることができる。
希土類金属錯体を構成する金属としては、発光効率の観点から、Euおよびサマリウムの少なくとも一方であることが好ましく、Euであることがより好ましい。また、Si-Al-O-N を主な構成元素とする蛍光体(いわゆるサイアロン蛍光体)を採用することができる。
有機発光物質としては、例えば、シアニン、メロシアニン等のシアニン系色素、ピリジ
ン系色素、ピラニン、ペリレン、ローダミン系色素、ウンベリフェロン、スチルベン、ジアミノスチルベンジスルホン酸、ビス(トリアジニルアミド)スチルベンジスルホン酸、ビススチリルビフェニル誘導体、クマリン誘導体、ピラゾリン誘導体等、臭化エチジウム、ナイルブルー、ルシフェリン、ルマジンタンパク質、フルオレセイン、サイバーグリーンなどが挙げられる。
リン系化合物が好ましい。
本実施形態の発光用材料の製造方法は、上述の本実施形態の発光用材料のうち、構成一次粒子としてコアシェル構造をもつものを好適に製造することができる方法である。コアシェル構造を有する発光用材料以外については、構成一次粒子に対して以下に記載の凝集工程を適用することにより発光用材料を製造することができる。
発光用材料の製造方法は、分散工程と被覆工程と必要に応じて選択できるその他の工程とを有する。その他の工程としては、凝集工程、改質工程、粒度分布調整工程などが挙げられる。
本実施形態の透明樹脂組成物は、上述した発光用材料と、その発光用材料を分散する透明樹脂材料とを有する。本実施形態の透明樹脂組成物は、光透過率が80%以上であり、特に85%以上、90%以上にすることが好ましい。光透過率は、厚み2mmの試験試料を用いて波長400nmの光線を用いて測定を行う。発光用材料と透明樹脂材料との混合比は、上述の光透過率が達成できる範囲内で決定し、発光用材料の割合を多くすることが機械的特性向上の観点からは好ましい。
川研ファインケミカル株式会社製のアルミゾル10A(Al2O3を10質量%含有:短径×長径は10nm×50nm:コア粒子に相当)100質量部にイソプロパノール(IPA)40質量部を加えて、テトラエトキシシラン(TEOS:表面の組成であるシリカの前駆体)10質量部を添加した。この混合比を採用することで最終的に得られる粒子材料中のベーマイトとシリカとの質量比は理論上78:22である。
実施例1-2の粒子材料(160℃で乾燥後850℃で焼結)を表3に示した配合量でミキサーに入れたのち、表3に示す有機物配合量(シラン化合物の量)に相当するシラン化合物溶液を撹拌しながら投入して表面処理を行った。シラン化合物溶液は、シラン化合物としてのビニルトリメトキシシラン(信越化学製KBM-1003)、IPA、水の等量混合液とした。
実施例1-0の粒子材料(160℃で乾燥のみ)を表4に示した配合量でミキサーに入れたのち、表4に示す有機物配合量(シラン化合物の量)に相当するシラン化合物溶液を撹拌しながら投入して表面処理を行った。シラン化合物溶液は、シラン化合物としてのビニルトリメトキシシラン(信越化学製KBM-1003)、IPA、水の等量混合液とした。
TEOSの添加量を表5に記載の量に変更した以外は、上述した実施例1-2と同様の方法にて実施例4-1、4-2、及び4-3の粒子材料を製造した。
TEOSを添加しないこと以外は、試験1の実施例1-0~1-7と同様の方法で粒子材料を製造し、それぞれ比較例1-0~1-7の粒子材料とした。比較例の粒子材料は、全体がベーマイトまたはベーマイトが加熱により変化したγアルミナから形成されている。
実施例4-1の粒子材料を製造する際にTEOSと共にコロイダルシリカを表8に示す量だけ添加して実施例5-1~5-4を製造した。比較例5-1として、実施例4-1の粒子材料を製造する際にTEOSを除き、コロイダルシリカを表8に示す量だけ添加して製造した。
(熱で導入した例)
発光物質としての有機希土類錯体ルミシスE320(赤色:セントラルテクノ製)を多官能アクリルモノマーA-DPH(新中村化学製)及び硬化剤としてのアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)をメチルエチルケトン中にそれぞれ、2.1質量%、214質量%、1.1質量%の濃度で溶解した。
この溶液を上述の実施例5-3(屈折率1.52)の粒子材料に質量比で1:1となるように混合し、80℃、13時間加熱して粒子材料の表面に発光物質を含むアクリル薄膜を形成した発光用材料が得られた。有機希土類錯体ルミシスE320は、A-DPHに対して1質量%、AIBNはA-DPHに対して0.5質量%になるように添加した。A-DPHの量は、粒子材料の表面に被膜を形成したときに3nm程度の厚さになるように計算した量とした。MEKの量は、A-DPHと合わせて粒子材料の吸油量となるようにした。つまり、MEKとA-DPHを合わせた量が、粒子材料を構成する粒子の間隙を充填できる必要十分な量になるようにMEKの量を調節した。
この発光用材料は粉末状であった。この粉末をイソプロピルアルコール(IPA)で洗浄し、洗浄に用いたIPAが発光しなくなるまで繰り返した。IPAが除去されるまで60℃で乾燥して本実施例の発光用材料とした(実施例7-1)。本実施例の発光用材料について、365nmのUVを照射したところ、この粉末は均一に強く赤色発光した。
発光物質としての有機希土類錯体ルミシスE320(赤色:セントラルテクノ製)、後述のメタクリルモノマーA及び光重合開始剤としてIrgacure651(BASF製)をメチルエチルケトン中にそれぞれ、2.1質量%、214質量%、2.1質量%の濃度で溶解して溶液化した。
メタクリルモノマーAは硬化後の屈折率が1.52となるように配合しており、具体的にはトリエチレングリコールジメタクリレート(3G 新中村化学)とエトキシ化ビスフェノールAジメタクリレート(BPE-200 新中村化学)を69:31で配合したものである。
この溶液と上述の実施例5-3の粒子材料とを質量比で1:1となるように混合し、MEKが除去されるまで60℃で乾燥した。なお、この比率も形成される被膜の厚みが3nm程度になるように算出したものである。
その後、365nmのLED-UVランプを照射して重合させることで粒子材料の表面に発光物質を含むアクリル薄膜を形成した。この発光用材料は粉末状であった。この粉末をイソプロピルアルコール(IPA)で洗浄し、洗浄に用いたIPAが発光しなくなるまで繰り返した。IPAが除去されるまで60℃で乾燥して本実施例の発光用材料とした(実施例7-2)。本実施例の発光用材料について、365nmのUVを照射したところ、この粉末は均一に強く赤色発光した。
発光物質としての有機希土類錯体ルミシスE320(赤色:セントラルテクノ製)、脂環式エポキシ セロキサイド2021P(ダイセル製)、及び硬化剤として酸無水物を当量比で配合、硬化促進剤(4級ホスホニウム塩)をセロキサイドに対して1質量%添加し、これをメチルエチルケトンに214質量%の濃度で溶解した。
この溶液を上述の実施例5-3の粒子材料に質量比で1:1となるように混合し、120℃1時間、150℃2時間加熱して粒子材料の表面に発光物質を含むエポキシ薄膜を形成した。なお、この比率も形成される被膜の厚みが3nm程度になるように算出したものである。その後、この発光用材料は粉末状であった。この粉末をイソプロピルアルコール(IPA)で洗浄し、洗浄に用いたIPAが発光しなくなるまで繰り返した。IPAが除去されるまで60℃で乾燥して本実施例の発光用材料とした(実施例7-3)。本実施例の発光用材料について、365nmのUVを照射したところ、この粉末は均一に強く赤色発光した。
MEKに有機希土類錯体ルミシスE320(赤色:セントラルテクノ製)を2.1質量%の濃度で溶解した。この溶液を上述の実施例5-3の粒子材料に質量比で1:1となるように混合し、MEKが除去されるまで60℃で乾燥した。その後、プラズマ照射して粒子表面に発光物質を結合させた。なお、プラズマ照射によりラジカルによる架橋が進行して粒子材料の表面に発光物質が結合している。
実施例7-1~7-3の発光用材料(屈折率1.52)を、メタクリルモノマーA(屈折率1.52)に30質量%で配合し、光重合開始剤としてIrgacure651(BASF製)を加えて混合、PETフィルム上に塗布して365nmのUVを照射しアクリルの硬化フィルムを得た。このフィルムは硬化後も赤色に強く発光した。
比較のため、上記と同濃度になるように発光物質をメタクリルモノマーに配合した以外は同様の組成でフィルムを得た。このフィルムも赤色に強く発光したが、ルミシスのメタクリルモノマーへの溶解性が悪く、発光にはムラがあった。
以下に本実施形態の発光用材料及び透明樹脂組成物についての応用例を記載する。なお、以下の記載において透明樹脂組成物における透明樹脂材料を限定するような記載は、好ましい樹脂を例示するためのものであり、その樹脂材料だけが利用できるとの限定を行う意図で記載されたものでは無い。
Claims (12)
- 外部に連通する表面を基準とする比表面積直径が0.1nm以上80nm以下、表面の組成と内部の組成とが異なる無機物からなる一次粒子から構成され、
脱水縮合により粒子間が結合・融着した凝集体である粒子材料と、
前記一次粒子の一部を置換するか、及び/又は、前記粒子材料の表面を被覆する発光物質と、
を有し、
前記発光物質は、
無機発光物質、希土類金属錯体、有機発光物質やそれらの混合物、複合物であり、且つ
粒径が0.1nm~80nmの大きさの粒子状であるか、又は、厚みが20nm以下の膜状であり、
前記 前記一次粒子は、
前記内部がベーマイト、前記表面がシリカから構成されるか、又は、前記内部がγアルミナ、前記表面がシリカから構成される、
発光用材料。 - 前記発光物質と前記無機物との間は、共有結合又はイオン結合により結合しているか、前記発光物質が高分子化されているか、及び、前記発光物質が高分子材料中に分散されているかのうちの何れかである請求項1に記載の発光用材料。
- 前記発光物質は、有機希土類錯体である請求項1又は2に記載の発光用材料。
- 前記一次粒子の表面を被覆する有機物からなる被覆層を有し、
前記被覆層は、前記一次粒子の表面に対して、共有結合するか又は分子間力結合するかにより結合している請求項1~3のうちの何れか1項に記載の発光用材料。 - 前記有機物は、シラン化合物の縮合物である請求項4に記載の発光用材料。
- 前記凝集体の体積平均粒径は0.1μm以上500μm以下である請求項1~5のうちの何れか1項に記載の発光用材料。
- X線回折での2θが、
45°~49°と64°~67°とにそれぞれ存在するピークの半値幅が0.5°以上であるか、
37°~39°と71°~73°とにそれぞれ存在するピークの半値幅が2.5°以下であるか、又は、
45°~49°と64°~67°とにそれぞれ存在するピークの半値幅が2.5°以下である、
請求項1~6のうちの何れか1項に記載の発光用材料。 - 前記凝集体は、原子番号38以上の元素の酸化物からなる第2粒子を含む請求項1~7のうちの何れか1項に記載の発光用材料。
- 請求項4、又は、請求項4を直接若しくは間接的に引用する請求項5~8のうちの何れか1項に記載の発光用材料を製造する製造方法であって、
前記内部の組成をもつコア粒子を液体分散媒中に分散させて分散液とする分散工程と、
前記分散液に前記表面の組成の前駆体を溶解させた後、前記前駆体から前記表面の組成に変換して前記コア粒子を被覆して被覆粒子とする被覆工程と、
前記被覆粒子を加熱して脱水縮合することで粒子間を結合・融着して凝集体とする凝集工程と、
を有する発光用材料の製造方法。 - 前記被覆工程後にシラン化合物を前記被覆粒子の表面に接触させて改質する改質工程を有する請求項9に記載の発光用材料の製造方法。
- 請求項1~8のうちの何れか1項に記載の発光用材料と、
前記発光用材料を分散する透明樹脂材料と、
を有する透明樹脂組成物。 - 光透過率(400nm/2mm)が80%以上である請求項11に記載の透明樹脂組成物。
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