JPWO2015186521A1 - 半導体ナノ粒子含有硬化性組成物、硬化物、光学材料および電子材料 - Google Patents

半導体ナノ粒子含有硬化性組成物、硬化物、光学材料および電子材料 Download PDF

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Abstract

下記一般式(1)で示されるアルキル(メタ)アクリレート化合物(a)と、下記一般式(2)で示される(メタ)アクリルアミド化合物(b)と、重合開始剤(c)と、発光体である半導体ナノ粒子(d)とを含む半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。(式(1)中、R1はメチル基または水素原子であり、R2は炭素数8〜22の直鎖・分鎖のアルキル基を示す。)(式(2)中、R3はメチル基または水素原子であり、R4は炭素数1〜6の直鎖のアルキレン基を表す。)【化1】【化2】

Description

本発明は、半導体ナノ粒子含有硬化性組成物、硬化物、光学材料および電子材料に関する。さらに詳しくは、本発明は、半導体ナノ粒子含有硬化性組成物、この半導体ナノ粒子含有硬化性組成物を硬化させて得られる硬化物、およびその硬化物からなる光学材料・電子材料に関する。
本出願は、2014年6月2日に日本に出願された特願2014−113937に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
光学レンズ、光学素子、光導波路およびLED(Light Emitting Diode)封止材などの光学部品・電子部品に用いられる光学材料・電子材料として、樹脂材料がある。
従来、LED封止材に使用される樹脂材料として、シリカ微粒子と、蛍光体と、液状媒体とを含有する蛍光体含有組成物がある(例えば、特許文献1〜特許文献4参照)。
また、LED封止材等に利用できる硬化性組成物として、シリカ微粒子と、2以上のエチレン性不飽和基を有し且つ環構造を有しない(メタ)アクリレートと、エチレン性不飽和基を有し且つ脂環式構造を有する(メタ)アクリレートと、重合開始剤とを含み、シリカ微粒子が、シラン化合物で表面処理されているものがある(例えば、特許文献5参照)。
近年、ナノサイズの半導体粒子として、量子閉じ込め(quantum confinement)効果を示す量子ドットが注目されている。また、このような量子ドットをLED封止材の蛍光体として利用することが検討されている。例えば、特許文献6には、無機蛍光体及び当該無機蛍光体に配位した炭化水素基から構成されるナノ粒子蛍光体を含む液状硬化性樹脂組成物が記載されている。
特開2009−102514号公報 特開2009−096947号公報 特開2008−260930号公報 特開2008−050593号公報 国際公開第2010/001875号 特開2010−126596号公報
しかしながら、従来のナノサイズの半導体粒子を含む組成物は、半導体ナノ粒子の分散性が悪い、ハンドリング性が不十分などの問題点があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、発光体である半導体ナノ粒子を含み、優れたハンドリング性および分散性を有する硬化性組成物、これを硬化させて得られる硬化物、およびその硬化物からなる光学材料・電子材料を提供することを課題とする。
本発明者らは、上記課題を解決するべく、鋭意検討した。その結果、特定のアルキル(メタ)アクリレート化合物と、特定の(メタ)アクリルアミド化合物と、重合開始剤と、発光体である半導体ナノ粒子とを含む硬化性組成物を形成することで、優れたハンドリング性と分散性が得られることを見出し、本発明を想到した。
本発明は以下の構成を採用する。
[1] 下記一般式(1)で示されるアルキル(メタ)アクリレート化合物(a)と、下記一般式(2)で示される(メタ)アクリルアミド化合物(b)と、重合開始剤(c)と、発光体である半導体ナノ粒子(d)と、を含むことを特徴とする半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
Figure 2015186521
(式(1)中、Rはメチル基または水素原子であり、R2は炭素数8〜22の直鎖または分鎖のアルキル基を示す。)
Figure 2015186521
(式(2)中、Rはメチル基または水素原子であり、Rは炭素数1〜6の直鎖のアルキレン基を表す。)
[2] さらに、前記アルキル(メタ)アクリレート化合物(a)および前記(メタ)アクリルアミド化合物(b)に溶解するエチレン性不飽和基含有化合物(e)を含むことを特徴とする[1]に記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
[3] 前記エチレン性不飽和基含有化合物(e)が、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、N−ビニルピロリドン、N−ビニル−εカプロラクタム、γ−ブチロラクトン(メタ)アクリレート、N−アクリロイルモルホリン、N,N−ジメチルアクリルアミド、N,N−ジエチルアクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミド、N−[3−(ジメチルアミノ)プロピル]アクリルアミド、N−ビニルホルムアミド、N−ビニルアセトアミド、メチル−2−アリルオキシメチルアクリレート、テトラヒドラフルフリルアクリレート、エチレンオキシド付加物ジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAエチレンオキシド付加物ジ(メタ)アクリレート、エチレングリコールジアクリレート、から選択されるいずれか一種以上であることを特徴とする[2]に記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
[4] 前記半導体ナノ粒子(d)が、周期表の第3族〜第16族からなる群から選択される少なくとも一種の元素のイオンを含むナノ粒子コアを有することを特徴とする[1]〜[3]のいずれかに記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
[5] 前記ナノ粒子コアが、ZnS,ZnSe,ZnTe,InP,InAs,InSb,AlS,AlAs,AlSb,GaN,GaP,GaAs,GaSb,PdS,PbSe,Si,Ge,MgSe,MgTeからなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする[4]に記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
[6] 前記半導体ナノ粒子(d)が、ナノ粒子コアと、前記ナノ粒子コアの表面に配位した保護基を有するキャッピング層とを含み、前記ナノ粒子コアの表面が、無機材料からなる少なくとも一層のシェルにより被覆されていることを特徴とする[1]〜[5]のいずれかに記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
[7] 前記半導体ナノ粒子含有硬化性組成物中の前記アルキル(メタ)アクリレート化合物(a)の含有量が5〜40質量%、前記(メタ)アクリルアミド化合物(b)の含有量が30〜90質量%、前記半導体ナノ粒子(d)の含有量が0.1〜20質量%であり、前記半導体ナノ粒子含有硬化性組成物中のモノマーと前記半導体ナノ粒子(d)との合計質量に対する重合開始剤(c)の含有量が、0.01〜10質量%であることを特徴とする[1]〜[6]のいずれかに記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
[8] さらに、分子内に2以上の(メタ)アクリレート基を有する(メタ)アクリレート化合物(f)を含む、[1]〜[7]のいずれかに記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
[9] 前記(メタ)アクリレート(f)が、トリメチロールプロパントリ(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、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)アクリレートおよびトリメチロールプロパントリオキシエチル(メタ)アクリレート、から選択されるいずれか一種以上であることを特徴とする[8]に記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
[10] [1]〜[9]のいずれかに記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物を硬化させて得られることを特徴とする硬化物。
[11] [10]に記載の硬化物からなることを特徴とする光学材料。
[12] [10]に記載の硬化物からなることを特徴とする電子材料。
本発明の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物は、特定のアルキル(メタ)アクリレート化合物と、特定の(メタ)アクリルアミド化合物と、重合開始剤と、発光体である半導体ナノ粒子とを含む。このことによって、本発明の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物は、半導体ナノ粒子を含有することによる光波長変換作用を利用でき、かつ優れたハンドリング性と分散性を有するものとなる。
また、本発明の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物を硬化させることで、光学材料・電子材料に好適に使用できる硬化物が得られる。
以下、本発明の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物(以下「ナノ粒子含有硬化性組成物」と略記する場合がある。)、ナノ粒子含有硬化性組成物を硬化させて得られる硬化物、およびその硬化物からなる光学材料・電子材料について詳細に説明する。なお、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であり、本発明はそれらに限定されるものではない。本発明は、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施できる。
[半導体ナノ粒子含有硬化性組成物]
本発明のナノ粒子含有硬化性組成物は、上記一般式(1)で示されるアルキル(メタ)アクリレート化合物(a)(以下「(メタ)アクリレート(a)」ともいう)と、上記一般式(2)で示される(メタ)アクリルアミド化合物(b)(以下「(メタ)アクリルアミド(b)」ともいう)と、重合開始剤(c)と、発光体である半導体ナノ粒子(d)とを含む。
本発明のナノ粒子含有硬化性組成物は、発光体である半導体ナノ粒子(d)を含むものであるので、半導体ナノ粒子による光波長変換作用が得られる。したがって、本発明のナノ粒子含有硬化性組成物は、光学レンズ、光学素子、光導波路およびLED封止材などの光学部品・電子部品に好ましく使用できる。
本明細書において、「(メタ)アクリレート化合物」とは、アクリレート化合物および/またはメタクリレート化合物を意味する。また、「(メタ)アクリルアミド化合物」とは、アクリルアミド化合物および/またはメタクリルアミド化合物を意味する。
以下、本発明のナノ粒子含有硬化性組成物の各含有成分について説明する。
<(メタ)アクリレート(a)>
(メタ)アクリレート(a)は、下記一般式(1)で表される化合物である。
Figure 2015186521
式(1)中、Rはメチル基または水素原子であり、Rは炭素数8〜22の直鎖または分岐鎖のアルキル基を示す。Rが水素原子であると、硬化速度の速いナノ粒子含有硬化性組成物となり、好ましい。Rは、半導体ナノ粒子の分散性をより一層向上させるために炭素数8〜15が好ましく、炭素数8〜13がより好ましい。またRは、半導体ナノ粒子の分散性をより一層向上させることができるため、直鎖であることが好ましい。ナノ粒子含有硬化性組成物中に(メタ)アクリレート(a)が含まれていることにより、半導体ナノ粒子の分散性の優れた硬化物の得られるものとなる。
(メタ)アクリレート(a)の具体例としては、n−オクチル(メタ)アクリレート、イソオクチル(メタ)アクリレート、イソノニル(メタ)アクリレート、イソデシル(メタ)アクリレート、イソトリデシル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート、イソステアリル(メタ)アクリレート等が挙げられる。
上記の(メタ)アクリレート(a)は単独で用いてもよく、二種類以上を併用してもよい。
ナノ粒子含有硬化性組成物中の(メタ)アクリレート(a)の含有量は、5〜40質量%であることが好ましく、10〜30質量%であることがより好ましい。(メタ)アクリレート(a)の含有量が5〜40質量%であると、(メタ)アクリレート(a)と(メタ)アクリルアミド(b)との含有量の割合が良好なナノ粒子含有硬化性組成物が得られやすく、半導体ナノ粒子の分散性がより一層優れたナノ粒子含有硬化性組成物が得られやすくなる。
<(メタ)アクリルアミド(b)>
(メタ)アクリルアミド(b)は、液状である。ナノ粒子含有硬化性組成物中に(メタ)アクリルアミド(b)が(メタ)アクリレート(a)とともに含まれていることにより、ナノ粒子含有硬化性組成物中での半導体ナノ粒子の分散性が向上し、半導体ナノ粒子の沈降を防止できる。このため、本実施形態のナノ粒子含有硬化性組成物は、半導体ナノ粒子を含有することによる光波長変換作用を効果的に利用できる。
(メタ)アクリルアミド(b)は、分子内にアクリルアミド基またはメタクリルアミド基と、水酸基とを有するものであり、下記一般式(2)で表される化合物である。
Figure 2015186521
式(2)中、Rはメチル基または水素原子であり、Rは炭素数1〜6のアルキレン基を表す。Rは、分散性に優れた組成物を形成できるように、炭素数1〜3であることが好ましく、炭素数2であることがより好ましい。Rが水素原子であると、硬化速度の速いナノ粒子含有硬化性組成物となり、好ましい。具体的な化合物としては、N−ヒドロキシエチルアクリルアミドが最も好ましい。
ナノ粒子含有硬化性組成物中の(メタ)アクリルアミド(b)の含有量は、30〜90質量%であることが好ましく、40〜80質量%であることがより好ましい。(メタ)アクリルアミド(b)の含有量が30〜90質量%であると、(メタ)アクリレート(a)と(メタ)アクリルアミド(b)との含有量の割合が良好なナノ粒子含有硬化性組成物が得られやすく、半導体ナノ粒子の分散性がより一層優れたナノ粒子含有硬化性組成物が得られやすくなる。
<重合開始剤(c)>
重合開始剤(c)は、ナノ粒子含有硬化性組成物の硬化に寄与する。重合開始剤(c)としては、ラジカルを発生する光重合開始剤や、熱重合開始剤が挙げられる。
光重合開始剤としては、例えばベンゾフェノン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインプロピルエーテル、ジエトキシアセトフェノン、1−ヒドロキシ−フェニルフェニルケトン、2,6−ジメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド、ジフェニル−(2,4,6−トリメチルベンゾイル)フォスフィンオキシドおよびビス(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シドが挙げられる。これらの光重合開始剤は2種以上を併用してもよい。
重合開始剤(c)のナノ粒子含有硬化性組成物中における含有量は、ナノ粒子含有硬化性組成物を適度に硬化させる量であればよい。半導体ナノ粒子含有硬化性組成物中のモノマーと半導体ナノ粒子(d)との合計質量に対する重合開始剤(c)の含有量は、0.01〜10質量%であることが好ましく、より好ましくは0.02〜5質量%であり、さらに好ましくは0.1〜2質量%である。重合開始剤の含有量が多すぎると、ナノ粒子含有硬化性組成物の保存安定性が低下したり、着色したりする場合がある。また、重合開始剤の含有量が多すぎると、硬化物を得る際の架橋が急激に進行して、割れ等の問題が発生する場合がある。また、重合開始剤の添加量が少なすぎると、ナノ粒子含有硬化性組成物が硬化しにくくなる。半導体ナノ粒子含有硬化性組成物中のモノマーとは、(メタ)アクリレート(a)、(メタ)アクリルアミド(b)、エチレン性不飽和基含有化合物(e)、(メタ)アクリレート(f)を意味する。
熱重合開始剤としては、例えば、ベンゾイルパーオキシド、ジイソプロピルパーオキシカーボネート、t−ブチルパーオキシ(2−エチルヘキサノエート)、t−ブチルパーオキシネオデカノエート、t−ヘキシルパーオキシピバレート、1,1,3,3−テトラメチルブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、t−ブチルパーオキシピバレート、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、t−ヘキシルパーオキシイソプロピルモノカルボネート、ジラウロイルパーオキサイド、ジイソプロピルパーオキシジカルボネート、ジ(4−t−ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカルボネート、2,2−ジ(4,4−ジ−(t−ブチルパーオキシ)シクロヘキシル)プロパンが挙げられる。これらの熱重合開始剤は単独で用いてもよく、二種類以上を併用してもよい。
<半導体ナノ粒子(d)>
半導体ナノ粒子(d)は、発光体である。半導体ナノ粒子(d)としては、数平均粒径が1nm〜1000nmであるものを用いることが好ましい。半導体ナノ粒子(d)の数平均粒径は、20nm未満であることがより好ましく、15nm未満であることがさらに好ましい。半導体ナノ粒子(d)の数平均粒径は、最も好ましくは2〜5nmである。半導体ナノ粒子(d)は、数平均粒径が2〜20nm未満のものである場合、半導体ナノ粒子(d)の電子を量子的に閉じ込める量子ドット効果を有する蛍光体となる。
半導体ナノ粒子(d)は、ナノ粒子コアと、ナノ粒子コアの表面に配位した保護基を有するキャッピング層とを含むものであることが好ましい。
保護基は、炭化水素基からなるものである。
半導体ナノ粒子(d)のナノ粒子コアは、イオンを含むものである。ナノ粒子コアに含まれるイオンとしては、特に限定されるものではなく、周期表の第3族〜第16族からなる群から選択される少なくとも一種の元素のイオンを含むことが好ましい。
また、ナノ粒子コアが二種以上の元素のイオンを含むものである場合、以下に示す第1イオンおよび第2イオンを含むことが好ましい。第1イオンは、周期表の第11族〜第14族からなる群から選択される少なくとも一種の元素のイオンである。また、第2イオンは、周期表の第14族〜第16族からなる群から選択される少なくとも一種の元素のイオンである。
ナノ粒子コアは、半導体材料を含むものである。ナノ粒子コアに用いられる半導体材料としては、ZnS、ZnSe、ZnTe、InP、InAs、InSb、AlS、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、PbS、PbSe、Si、Ge、MgSe、MgTe、CdS、CdSe、CdTe、CdO、AlP、MgS、ZnOからなる群から選択される少なくとも一種が挙げられる。これらの中でも、ナノ粒子コアに用いられる半導体材料として、ZnS,ZnSe,ZnTe,InP,InAs,InSb,AlS,AlAs,AlSb,GaN,GaP,GaAs,GaSb,PdS,PbSe,Si,Ge,MgSe,MgTeからなる群から選択される少なくとも一種を含むことが好ましい。
半導体ナノ粒子(d)は、ナノ粒子コアの表面が、無機材料からなるシェルにより被覆されているコア−シェル型であることが好ましい。シェルは、一層からなるものであってもよいし、二層以上からなる(コア−マルチシェル型)ものであってもよい。
コア−シェル型の半導体ナノ粒子(d)では、シェルによりナノ粒子コアと保護基との結合が促進されるので、優れた量子ドット効果が得られる。
また、半導体ナノ粒子(d)は、ドープされたナノ粒子または傾斜したナノ粒子であってもよい。
ナノ粒子含有硬化性組成物中の半導体ナノ粒子(d)の含有量は、0.1〜20質量%であることが好ましい。ナノ粒子含有硬化性組成物中の半導体ナノ粒子(d)の含有量が0.1質量%以上であると、半導体ナノ粒子(d)を含有することによる光波長変換作用が、より効果的に得られる。よって、ナノ粒子含有硬化性組成物の硬化物を、光学レンズ、光学素子、光導波路およびLED封止材などの光学部品・電子部品に好適に使用できる。また、半導体ナノ粒子(d)の配合量が20質量%以下であると、硬化物の強度が優れたものとなる。
また、半導体ナノ粒子(d)は、数平均粒径やナノ粒子コアの材料を変更することにより、半導体ナノ粒子(d)の発光波長を調整できるものである。したがって、例えば、半導体ナノ粒子(d)を含むナノ粒子含有硬化性組成物をLED表面に塗布し、硬化させることで、半導体ナノ粒子(d)の光波長変換の作用によって、白色光を発するLEDを製造できる。
<エチレン性不飽和基含有化合物(e)>
本発明のナノ粒子含有硬化性組成物は、(メタ)アクリレート(a)および(メタ)アクリルアミド(b)に溶解するエチレン性不飽和基含有化合物(e)(以下「エチレン性不飽和基含有化合物(e)」ともいう)をさらに含むことが好ましい。ただし、エチレン性不飽和基含有化合物(e)は、(メタ)アクリレート(a)、(メタ)アクリルアミド(b)、(メタ)アクリレート(f)を除く。
ここでいう「(メタ)アクリレート(a)に溶解する」は、以下のように定義する。質量比で(メタ)アクリレート(a)75に対して25に相当するエチレン性不飽和基含有化合物(e)を混合し、自転公転攪拌機により2000rpmにて60秒間攪拌し、24時間静置した時点において、(メタ)アクリレート(a)に溶解しているエチレン性不飽和基含有化合物(e)の体積量が、全エチレン性不飽和基含有化合物(e)の90%以上であること。
また「(メタ)アクリルアミド(b)に溶解する」は、「(メタ)アクリレート(a)に溶解する」と同様に、は、以下のように定義する。質量比で(メタ)アクリルアミド(b)75に対して25に相当するエチレン性不飽和基含有化合物(e)を混合し、自転公転攪拌機により2000rpmにて60秒間攪拌したあと24時間静置した時点において、(メタ)アクリルアミド(b)に溶解しているエチレン性不飽和基含有化合物(e)の体積量が、全エチレン性不飽和基含有化合物(e)の90%以上であること。
ナノ粒子含有硬化性組成物がエチレン性不飽和基含有化合物(e)を含むことにより、ナノ粒子含有硬化性組成物中での半導体ナノ粒子の分散性が向上し、長期にわたって半導体ナノ粒子の沈降を防止できる。また、ナノ粒子含有硬化性組成物中にエチレン性不飽和基含有化合物(e)が含まれていることにより、基板への密着に優れた硬化物が得られる。
エチレン性不飽和基含有化合物(e)としては、例えば、分子内に(メタ)アクリレート基、アクリルアミド基、ビニル基、エチレン結合を有するものなどが挙げられ、中でも(メタ)アクリレート基を有するものが好ましい。
エチレン性不飽和基含有化合物(e)としては、具体的には、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、N−ビニルピロリドン、N−ビニル−εカプロラクタム、N−ビニルホルムアミド、N−ビニルアセトアミド、N−アクリロイルモルホリン、N,N−ジメチルアクリルアミド、N,N−ジエチルアクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミド、N−[3−(ジメチルアミノ)プロピル]アクリルアミド、ジメチルアミノプロピルアクリルアミド、エチレンオキシド付加物ジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAエチレンオキシド付加物ジ(メタ)アクリレート、メチル−2−アリルオキシメチルアクリレート、γ−ブチロラクトン(メタ)アクリレート、テトラヒドラフルフリルアクリレート、エチレングリコールジアクリレートなどが挙げられる。
上記のエチレン性不飽和基含有化合物(e)は、単独で用いてもよく、二種類以上を併用してもよい。
ナノ粒子含有硬化性組成物中のエチレン性不飽和基含有化合物(e)の含有量は、5〜40質量%であることが好ましく、10〜30質量%であることがより好ましい。エチレン性不飽和基含有化合物(e)の含有量が10質量%以上であると、エチレン性不飽和基含有化合物(e)を含有することによる効果が充分に得られ、半導体ナノ粒子の分散性がより高いものとなる。また、エチレン性不飽和基含有化合物(e)の含有量が30質量%以下であると、(メタ)アクリレート(a)および(メタ)アクリルアミド(b)の含有量を確保しやすくなり、半導体ナノ粒子の分散性がより一層優れたナノ粒子含有硬化性組成物が得られやすくなる。
<(メタ)アクリレート(f)>
本発明のナノ粒子含有硬化性組成物は、必要に応じて、さらに、分子内に2以上の(メタ)アクリレート基を有する(メタ)アクリレート化合物(f)(以下「(メタ)アクリレート(f)」ともいう)を含むことが好ましい。ただし、(メタ)アクリレート(f)は、(メタ)アクリレート(a)、(メタ)アクリルアミド(b)、エチレン性不飽和基含有化合物(e)を除く。
(メタ)アクリレート(f)は、これを含有するナノ粒子含有硬化性組成物を硬化させて得られる硬化物において、架橋度を増加させることができる。したがって、ナノ粒子含有硬化性組成物に(メタ)アクリレート(f)を含有させることで、硬化物の架橋度を調整できる。
(メタ)アクリレート(f)としては、分子内に3〜4の(メタ)アクリレート基を有するものが好ましく、分子内に3つの(メタ)アクリレート基を有するものがより好ましい。
(メタ)アクリレート(f)としては、具体的には、トリメチロールプロパントリ(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、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)アクリレートおよびトリメチロールプロパントリオキシエチル(メタ)アクリレートなどを用いることができる。(メタ)アクリレート(f)としては、特に、適度な架橋度を有する硬化物を製造できるものであって、原料の入手の容易であるため、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレートを用いることが好ましい。
ナノ粒子含有硬化性組成物中の(メタ)アクリレート(f)の含有量は、1〜30質量%であることが好ましく、1〜10質量%であることがより好ましい。(メタ)アクリレート(f)の含有量が1質量%以上であると、(メタ)アクリレート(f)による架橋が良好に進行する。また、(メタ)アクリレート(f)の含有量が30質量%以下であると、適度な架橋度を有する硬化物が得られやすくなる。
〈その他の成分〉
本発明のナノ粒子含有硬化性組成物は、上記成分の他に、必要に応じて、半導体ナノ粒子(d)の分散性、組成物の粘度、ならびに硬化物の透明性および耐熱性等の特性を損なわない範囲で、重合禁止剤、レベリング剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、赤外線吸収剤、光安定剤、密着増強剤、反応性希釈剤、半導体ナノ粒子(d)の分散助剤、その他改質剤等を含有してもよい。
なお、本発明のナノ粒子含有硬化性組成物は、実質的に有機溶媒および水を含有しないことが好ましい。ここでいう実質的とは、本発明のナノ粒子含有硬化性組成物を用いて実際に硬化物を得る際に、脱溶媒する工程を再度経る必要がないことを意味する。具体的には、実質的に有機溶媒および水を含有しないとは、ナノ粒子含有硬化性組成物中の有機溶媒および水のそれぞれの残存量が、好ましくは2質量%以下、より好ましくは1質量%以下であることを意味する。
重合禁止剤としては、例えば、ハイドロキノン、ハイドロキノンモノメチルエーテル、ベンゾキノン、p−t−ブチルカテコール、2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェノール等が挙げられる。これらは1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
レベリング剤としては、例えば、ポリエーテル変性ジメチルポリシロキサン共重合物、ポリエステル変性ジメチルポリシロキサン共重合物、ポリエーテル変性メチルアルキルポリシロキサン共重合物、アラルキル変性メチルアルキルポリシロキサン共重合物、ポリエーテル変性メチルアルキルポリシロキサン共重合物等が挙げられる。これらは1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
〈ナノ粒子含有硬化性組成物の製造方法〉
本発明のナノ粒子含有硬化性組成物は、例えば、以下に示す工程1と工程2とを順に行うことにより、製造できる。
(工程1)(メタ)アクリレート(a)と、半導体ナノ粒子(d)とを混合し、揮発分を留去(脱溶媒)してナノ粒子含有組成物を得る。
(工程2)工程1で得られたナノ粒子含有組成物と、(メタ)アクリルアミド(b)と、重合開始剤(c)と、必要に応じてエチレン性不飽和基含有化合物(e)とを混合して、ナノ粒子含有硬化性組成物を得る。
以下、各工程について説明する。
《工程1》
(メタ)アクリレート(a)に添加する半導体ナノ粒子(d)としては、ナノ粒子含有硬化性組成物中への分散性の点から、有機溶媒に半導体ナノ粒子(d)が分散してなる分散体を用いることが好ましい。半導体ナノ粒子(d)を分散させる有機溶媒としては、例えば、ベンゼン、キシレン、トルエンなどが挙げられる。
工程1においては、(メタ)アクリレート(a)に、半導体ナノ粒子(d)を添加して混合し、必要に応じて脱溶媒して、半導体ナノ粒子(d)を含むナノ粒子含有組成物を得る。
ナノ粒子含有組成物を製造する際には、(メタ)アクリレート(a)と半導体ナノ粒子(d)に加えて、必要に応じて(メタ)アクリレート(f)および/または分散助剤を添加してもよい。
ナノ粒子含有組成物を製造する際の混合方法としては、特に制限は無いが、例えば、室温でミキサー、ボールミルなどの混合機により前記各成分を混合する方法が挙げられる。
前記各成分を混合した後、半導体ナノ粒子(d)として、有機溶媒に半導体ナノ粒子(d)が分散してなる分散体を用いた場合には、脱溶媒を行う。
脱溶媒の際の(メタ)アクリレート(a)と半導体ナノ粒子(d)とを含む混合液の温度は、20〜100℃に保つことが好ましい。ナノ粒子含有硬化性組成物の凝集ゲル化防止と脱溶媒スピードとのバランスの点から、脱溶媒の際の(メタ)アクリレート(a)と半導体ナノ粒子(d)とを含む混合液の温度は、より好ましくは30〜70℃、更に好ましくは30〜50℃である。また、前記混合液の温度は、混合液中に含まれている(メタ)アクリレート類の沸点以下の温度に設定することが好ましい。(メタ)アクリレート(a)と半導体ナノ粒子(d)との混合液の温度が高すぎると、ナノ粒子含有硬化性組成物の流動性が極端に低下したり、ゲル状になってしまったりすることがある。
脱溶媒後のナノ粒子含有組成物は、実質的に有機溶媒および水を含有しないことが好ましい。ここでいう実質的とは、本発明のナノ粒子含有硬化性組成物を用いて実際に硬化物を得る際に、脱溶媒する工程を再度経る必要がないことを意味する。具体的には、実質的に有機溶媒および水を含有しないとは、ナノ粒子含有組成物中の有機溶媒および水のそれぞれの残存量が、好ましくは2質量%以下、より好ましくは1質量%以下であることを意味する。
《工程2》
工程2では、工程1で得られたナノ粒子含有組成物と、(メタ)アクリルアミド(b)と、重合開始剤(c)と、必要に応じてエチレン性不飽和基含有化合物(e)と、その他の成分とを混合する。
混合方法としては、特に制限は無いが、例えば、室温または加熱条件下でミキサー、ボールミル、自転公転攪拌などの混合機により前記各成分を混合する方法が挙げられる。この方法により、ナノ粒子含有硬化性組成物が形成される。
工程2で得られたナノ粒子含有硬化性組成物に対して、必要に応じて濾過を行ってもよい。この濾過は、ナノ粒子含有硬化性組成物中のゴミ等、外来の異物を除去するために行う。濾過方法には、特に制限は無いが、孔径10μmのメンブレンタイプ、カートリッジタイプ等のフィルターを使用し、加圧濾過する方法を用いることが好ましい。
以上の各工程を経ることにより、本発明のナノ粒子含有硬化性組成物を製造できる。
本発明のナノ粒子含有硬化性組成物は、半導体ナノ粒子(d)を含有することによる光波長変換作用を利用できる。また、ナノ粒子含有硬化性組成物は、溶媒を含有していなくとも低粘度であり、優れた分散性および良好なハンドリング性を有する。これは、本発明のナノ粒子含有硬化性組成物が、発光体である半導体ナノ粒子(d)と、(メタ)アクリレート(a)および(メタ)アクリルアミド(b)とを含み、これらの混合物を混合・攪拌することにより半導体ナノ粒子(d)を容易に分散できることに起因する。さらに、本発明のナノ粒子含有硬化性組成物が、エチレン性不飽和基含有化合物(e)を含む場合には、長期にわたって半導体ナノ粒子の沈降を防止できる。
[硬化物]
本発明の硬化物は、本発明のナノ粒子含有硬化性組成物を硬化させることにより得られる。
したがって、本発明の硬化物は、半導体ナノ粒子(d)を含有することによる光波長変換作用を利用でき、光学レンズ、光ディスク基板、液晶表示素子用プラスチック基板、カラーフィルター用基板、有機EL表示素子用プラスチック基板、太陽電池基板、タッチパネル、光学素子、光導波路、LED封止材等の光学材料・電子材料として好適に用いることができる。
〔硬化物の製造方法〕
本発明の硬化物の製造方法は、本発明のナノ粒子含有硬化性組成物を硬化させる工程を有する。
硬化の方法としては、例えば、活性エネルギー線の照射により(メタ)アクリロイルオキシ基を架橋させる方法、熱処理を行うことにより(メタ)アクリロイルオキシ基を熱重合させる方法があり、これらを併用することもできる。
ナノ粒子含有硬化性組成物に紫外線等の活性エネルギー線を照射して硬化させる場合は、上記の工程2において、ナノ粒子含有硬化性組成物中に重合開始剤(c)として光重合開始剤を含有させる。ナノ粒子含有硬化性組成物を熱処理により硬化させる場合は、上記の工程2において、ナノ粒子含有硬化性組成物中に重合開始剤(c)として熱重合開始剤を含有させる。
本発明の硬化物を形成するには、例えば、本発明のナノ粒子含有硬化性組成物をガラス板、プラスチック板、金属板またはシリコンウエハ等の基板上に塗布して塗膜を形成する。その後、当該塗膜に活性エネルギー線を照射する、および/または当該塗膜を加熱して硬化させることによって得られる。
ナノ粒子含有硬化性組成物の塗布方法としては、例えば、バーコーター、アプリケーター、ダイコーター、スピンコーター、スプレーコーター、カーテンコーターまたはロールコーターなどによる塗布、スクリーン印刷などによる塗布、ならびにディッピングなどによる塗布が挙げられる。
本発明のナノ粒子含有硬化性組成物の基板上への塗布量は、特に限定されず、目的に応じて適宜調整することができる。ナノ粒子含有硬化性組成物の基板上への塗布量は、活性エネルギー線照射および/または加熱での硬化処理後に得られる塗膜の膜厚が、1μm〜10mmとなる量が好ましく、10〜1000μmとなる量がより好ましい。
ナノ粒子含有硬化性組成物を硬化させるために使用される活性エネルギー線としては、電子線、または紫外から赤外の波長範囲の光が好ましい。光源としては、例えば、紫外線であれば超高圧水銀光源またはメタルハライド光源、可視光線であればメタルハライド光源またはハロゲン光源、赤外線であればハロゲン光源が使用できる。この他にもレーザー、LEDなどの光源が使用できる。
活性エネルギー線の照射量は、光源の種類、塗膜の膜厚などに応じて適宜設定される。
また、活性エネルギー線を照射して硬化させた後、必要に応じて、加熱処理(アニール処理)をしてナノ粒子含有硬化性組成物の硬化を更に進行させてもよい。その際の加熱温度は50〜150℃の範囲にあることが好ましく、加熱時間は、5分〜60分の範囲にあることが好ましい。
ナノ粒子含有硬化性組成物を加熱して熱重合により硬化させる場合、加熱温度は、好ましくは40〜200℃の範囲であり、より好ましくは50〜150℃の範囲である。加熱温度が前記範囲を下回ると、加熱時間を長くする必要があり経済性に欠ける傾向にある。加熱温度が前記範囲を上回ると、エネルギーコストがかかるうえに、加熱昇温時間および降温時間がかかるため経済性に欠ける傾向にある。加熱時間は、加熱温度、塗膜の膜厚などに応じて適宜設定される。
熱重合によりナノ粒子含有硬化性組成物を硬化させた後、必要に応じて、加熱処理(アニール処理)を行ってナノ粒子含有硬化性組成物の硬化をさらに進行させてもよい。その際の加熱温度は、50〜150℃の範囲にあることが好ましい。加熱時間は、5分〜60分の範囲にあることが好ましい。
以下、本発明を実施例に基づいて更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。以下に示す実施例および比較例においては、表1および表2、以下に示す材料を用いた。
「(メタ)アクリレート(a)」
LA:ラウリルアクリレート(大阪有機化学工業(株)製)
「(メタ)アクリルアミド(b)」
HEAA:2−ヒドロキシエチルアクリルアミド(興人フィルム&ケミカルズ(株)製)
「重合開始剤(c)」
Irgacure184(BASF社製)、Irgacure819(BASF社製)
「半導体ナノ粒子(d)」
RED−CFQD−G2−604(NANOCO TECHNOLOGIES製、半導体ナノ粒子含有量10質量%のトルエン溶液、ナノ粒子コア(InP)シェル(ZnS)、数平均粒径3〜4nm)
GREEN−CFQD−G3−525(NANOCO TECHNOLOGIES製、半導体ナノ粒子含有量10質量%のトルエン溶液、ナノ粒子コア(InP)シェル(ZnS)、数平均粒径2〜3nm)
「エチレン性不飽和基含有化合物(e)」
HEA:2−ヒドロキシエチルアクリレート(大阪有機化学工業(株)製)
HPA:2−ヒドロキシプロピルアクリレート(大阪有機化学工業(株)製)
4HBA:4−ヒドロキシブチルアクリレート(大阪有機化学工業(株)製)
NVP:N−ビニルピロリドン(東京化成工業(株)製)
NVC:N−ビニルカプロラクタム(東京化成工業(株)製)
GBLMA:γ−ブチロラクトンメタクリレート(大阪有機化学工業(株)製)
ACMO:N−アクリロイルモルホリン(興人フィルム&ケミカルズ(株)製)
DEAA:N−ジエチルアクリルアミド(興人フィルム&ケミカルズ(株)製)
MeAMA:メチル−2−アリルオキシメチルアクリレート(日本触媒(株)製)
V#150:テトラヒドラフルフリルアクリレート(大阪有機化学工業(株)製)
M260:エチレングリコールジアクリレート(東亜合成(株)製)
「(メタ)アクリレート(f)」
TMPTA:トリメチロールプロパントリアクリレート(日本化薬(株)製)
「その他(メタ)アクリレート」
APG700:プロピレングリコールジアクリレート(新中村化学工業(株)製)
V#360:トリメチロールプロパンエチレンオキシド付加物トリアクリレート(大阪有機化学工業(株)製)
A9300−1CL:カプロラクタム変性トリス(アクリロキシエチル)イソシアヌレート(新中村化学工業(株)製)
MA:アクリル酸メチル(三菱化学(株)製)
[実施例1]
<ナノ粒子含有硬化性組成物の調製>
フラスコにLA18.75gとTMPTA3.75gとを入れ、半導体ナノ粒子(d)であるRED−CFQD−G2−604(10質量%トルエン分散液)を1.3gと、GREEN−CFQD−G3−525(10質量%トルエン分散液)を23.7gとを添加し、混合して半導体ナノ粒子(d)を含むナノ粒子含有組成物を得た。その後、半導体ナノ粒子(d)を含むナノ粒子含有組成物を攪拌しながら40℃、100kPaにて減圧加熱して、揮発分を除去した。
揮発分を除去した半導体ナノ粒子(d)を含むナノ粒子含有組成物に、HEAA56.25gとHEA18.75gと、光重合開始剤としてIrgacure184を0.5gとIrgacure819を0.1gとを添加し、自転公転攪拌機により2000rpm、60秒間攪拌し、実施例1のナノ粒子含有硬化性組成物を得た。
[実施例2〜12、比較例1〜3]
表1および表2に記載のとおりHEAAの使用量を56.25gに減らし、その分を他の(メタ)アクリレートまたはエチレン性不飽和基含有化合物(e)に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2〜12、比較例1〜3のナノ粒子含有硬化性組成物を得た。
[比較例4]
表2に記載のとおりHEAAをHEAに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、比較例4のナノ粒子含有硬化性組成物を得た。
[比較例5]
表2に記載のとおりLAをMAに変更したこと以外は、実施例1と同様にして、比較例5のナノ粒子含有硬化性組成物を得た。
[ナノ粒子含有硬化性組成物評価]
実施例1〜12、比較例1〜5のナノ粒子含有硬化性組成物について、以下に示す方法により分散性を評価した。
<分散性>
ナノ粒子含有硬化性組成物の状態を、攪拌直後、組成物を放置して24時間後および48時間後に、目視にて確認した。そして、ナノ粒子含有硬化性組成物が、良好に分散した状態であって、透明で半導体ナノ粒子の沈殿が生じていない場合を「良好」と評価した。また、半導体ナノ粒子の凝集・沈降が生じている場合を「粒子沈殿」、濁りなど分散不良が生じている場合を「分散不良」と評価した。
Figure 2015186521
Figure 2015186521
※表1および表2中の数値は質量(g)を表す。
※表1および表2中の半導体ナノ粒子(d)として用いたRed−CFQDとGreen−CFQDの数値は、半導体ナノ粒子(d)の実質的な質量(分散媒であるトルエンを除いた質量)を表す。
表1に示すように、実施例1〜12のナノ粒子含有硬化性組成物は、分散性が良好であった。
特に、エチレン性不飽和基含有化合物(e)を加えた実施例2〜12では、48時間静置後でも、液が1層の状態に保たれており、より良い分散性を呈していた。
一方で、表2に示すように、エチレン性不飽和基含有化合物(e)の代わりにその他の(メタ)アクリレートを含む比較例1〜3では、組成物中に粒子の沈降が生じている状態であった。
また、(メタ)アクリルアミド(b)に代えてHEAを用いた比較例4では、粒子の沈殿が生じた。
また、(メタ)アクリレート(a)に代えてMAを用いた比較例5では、粘度の高い相と低い相に分離し、ゴム状の沈殿が生じた。
表2に示すように、(メタ)アクリレート(a)と(メタ)アクリルアミド(b)の何れか一方を含まない比較例4および比較例5では、分散不良が起こった。
<硬化膜の作製>
実施例1〜12、比較例1〜5のナノ粒子含有硬化性組成物を、それぞれガラス基板(50mm×50mm)上に、硬化膜の厚みが100μmになるように塗布し、塗膜を形成した。その後、塗膜を、超高圧水銀ランプを組み込んだ露光装置で6J/cmの条件で露光して塗膜を硬化させた。得られた硬化膜の状態について、目視及び顕微鏡観察を行った。
そして、分散性が良好で全体の色味が一様である場合を「○」と評価した。また、分散不良によって全体の色味が一様でない場合を「×」と評価した。

Claims (12)

  1. 下記一般式(1)で示されるアルキル(メタ)アクリレート化合物(a)と、
    下記一般式(2)で示される(メタ)アクリルアミド化合物(b)と、
    重合開始剤(c)と、
    発光体である半導体ナノ粒子(d)と、
    を含むことを特徴とする半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
    Figure 2015186521
    (式(1)中、Rはメチル基または水素原子であり、R2は炭素数8〜22の直鎖または分鎖のアルキル基を示す。)
    Figure 2015186521
    (式(2)中、Rはメチル基または水素原子であり、Rは炭素数1〜6の直鎖のアルキレン基を表す。)
  2. さらに、前記アルキル(メタ)アクリレート化合物(a)および前記(メタ)アクリルアミド化合物(b)に溶解するエチレン性不飽和基含有化合物(e)を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
  3. 前記エチレン性不飽和基含有化合物(e)が、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、N−ビニルピロリドン、N−ビニル−εカプロラクタム、γ−ブチロラクトン(メタ)アクリレート、N−アクリロイルモルホリン、N,N−ジメチルアクリルアミド、N,N−ジエチルアクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミド、N−[3−(ジメチルアミノ)プロピル]アクリルアミド、N−ビニルホルムアミド、N−ビニルアセトアミド、メチル−2−アリルオキシメチルアクリレート、テトラヒドラフルフリルアクリレート、エチレンオキシド付加物ジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAエチレンオキシド付加物ジ(メタ)アクリレート、エチレングリコールジアクリレート、から選択されるいずれか一種以上であることを特徴とする請求項2に記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
  4. 前記半導体ナノ粒子(d)が、周期表の第3族〜第16族からなる群から選択される少なくとも一種の元素のイオンを含むナノ粒子コアを有することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
  5. 前記ナノ粒子コアが、ZnS,ZnSe,ZnTe,InP,InAs,InSb,AlS,AlAs,AlSb,GaN,GaP,GaAs,GaSb,PdS,PbSe,Si,Ge,MgSe,MgTeからなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項4に記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
  6. 前記半導体ナノ粒子(d)が、ナノ粒子コアと、前記ナノ粒子コアの表面に配位した保護基を有するキャッピング層とを含み、前記ナノ粒子コアの表面が、無機材料からなる少なくとも一層のシェルにより被覆されていることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
  7. 前記半導体ナノ粒子含有硬化性組成物中の前記アルキル(メタ)アクリレート化合物(a)の含有量が5〜40質量%、前記(メタ)アクリルアミド化合物(b)の含有量が30〜90質量%、前記半導体ナノ粒子(d)の含有量が0.1〜20質量%であり、前記半導体ナノ粒子含有硬化性組成物中のモノマーと前記半導体ナノ粒子(d)との合計質量に対する重合開始剤(c)の含有量が、0.01〜10質量%であることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
  8. さらに、分子内に2以上の(メタ)アクリレート基を有する(メタ)アクリレート化合物(f)を含む、請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
  9. 前記(メタ)アクリレート(f)が、トリメチロールプロパントリ(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、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)アクリレートおよびトリメチロールプロパントリオキシエチル(メタ)アクリレート、から選択されるいずれか一種以上であることを特徴とする請求項8に記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物。
  10. 請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の半導体ナノ粒子含有硬化性組成物を、硬化させて得られることを特徴とする硬化物。
  11. 請求項10に記載の硬化物からなることを特徴とする光学材料。
  12. 請求項10に記載の硬化物からなることを特徴とする電子材料。
JP2016525761A 2014-06-02 2015-05-20 半導体ナノ粒子含有硬化性組成物、硬化物、光学材料および電子材料 Pending JPWO2015186521A1 (ja)

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