JPWO2019193910A1 - 量子ドットを含有するマスターバッチ - Google Patents
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Abstract
本発明は、ペロブスカイト型量子ドット、半導体系量子ドット、カーボン量子ドットおよびグラフェン量子ドットなどの炭素系量子ドット、窒化物系量子ドット、シリコン量子ドットなどの発光性量子ドットを樹脂に混練した量子ドット含有マスターバッチを提供する。これを用いれば、様々な分野に適用可能な透明性の高い蛍光性樹脂構造体を製造することができる。
Description
本発明は量子ドットを含有するマスターバッチに関する。より詳しくは、本発明のマスターバッチは、ペロブスカイト型量子ドット、半導体系量子ドット、カーボン量子ドット、グラフェン量子ドットなどの炭素系量子ドット、窒化物系量子ドット、シリコン量子ドットなどのあらゆる発光性量子ドットのいずれかを含有する、樹脂組成物である。
量子ドットとは、量子化学、量子力学に従う光学特性を持つ、通常1〜10nm程度のナノスケールのコロイド状半導体ナノ結晶であり、10〜1000個の分子数の超微細構造を有する人工原子である。量子ドットに紫外線を照射すると、ナノ結晶のサイズに応じて、近紫外から近赤外にわたり広範囲の発光波長の蛍光を発することが知られている。
このような量子ドットは、発光スペクトルが狭く、かつ、広い吸収スペクトルを有するため、様々な分野への応用が研究されている。なかでも、バイオイメージングへの適用が進んでいる。また、半導体レーザーへの適用も試みられておいる。さらに、スプレー法やプリント法により、安価で大面積の半導体薄膜を形成できることから、有機ELディスプレイを置き換える技術として、量子ドットディスプレイの開発が現在進められている。
特許文献1は、カルコゲン化亜鉛で合金された、InP等の光ルミネッセンスIII−V族量子ドットの合成が開示されている。このような量子ドットは、クラスタとナノ粒子の中間のサイズを有し、可視スペクトルの青色領域での放射を達成する。
非特許文献1では、環境フレンドリーな原料を用い、簡便な操作によるコロイド状半導体量子ドットの大量生産に向いた合成法が検討されている。
Colloidal Synthesis of Semiconductor Quantum Dots toward Large-Scale Production: A Review, Ind. Eng. Chem. Res. 57, 6, 1790-1802
有機蛍光色素を含有した樹脂組成物は多数公開されているが、モル吸光係数が高く、かつ、蛍光量子効率も高い蛍光色素としては、特定の化合物に限定されるので(例えば、特許文献2)、発光色や、混合できる樹脂の種類も限定されてしまう。また、有機蛍光色素を樹脂に混合する場合、その発光強度を増強するためには色素の含有量を高める必要がある。そうすると、樹脂組成物の透明性が損なわれてしまう。
本発明者らは、すでに、カーボン量子ドットおよびグラフェン量子ドットなどの炭素系量子ドットや、ペロブスカイト型量子ドットを大量生産する技術を開発している。ペロブスカイト型量子ドットは他の量子ドットよりも発光スペクトルの半値幅が狭く、より鮮明な色を出せるので、今までにない領域への量子ドットの適用が期待される。本発明者らは、同様に、ZnS(硫化亜鉛)、InP(リン化インジウム)/ZnS、CdS(硫化カドニウム)、CdSe(セレン化カドニウム)、CuInS2(二硫化銅インジウム)など、さまざまな組成の量子ドットも開発している。
本発明者らが開発したペロブスカイト型量子ドットは、代表的には、CH3NH3PbX3 (X=Cl, Br, I)(緑色)、CsPbX3 (X=Cl, Br, I)(青色または赤色)の組成を有し、その量子収率は約50%〜80%で、半値幅は18 nm〜39 nmであり、発光波長が調整可能である(図1)。炭素系量子ドットは、生体の相溶性が良く、安価で安全な蛍光体材料である。したがって、量子ドットは、ディスプレイ、太陽電池、量子コンピュータ、量子ドットレーザー、量子ドットトランジスタ、二次電池材料などのエレクトロニクス分野;光触媒、人工光合成などの物理化学分野;バイオイメージング、タンパク質分析、細胞トラッキングなどの生物医学的分野など多岐にわたる様々な分野に適用することができる。
本発明者は、概略、樹脂に量子ドットを含有する樹脂組成物(マスターバッチ)を開発した。本発明の第1の態様は、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂およびペロブスカイト型量子ドットを含有する樹脂組成物(マスターバッチ)に関する。マスターバッチは、トルエンやヘキサンを主体とする溶媒に懸濁するペロブスカイト型量子ドットの溶液をポリエチレン等の熱可塑性樹脂に混練することにより得ることができる。本発明の第2の態様は、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂および半導体系量子ドットを含有する樹脂組成物(マスターバッチ)に関する。マスターバッチは、トルエンやヘキサンを主体とする溶媒に懸濁する半導体系量子ドットの溶液をポリエチレン等の熱可塑性樹脂に混練することにより得ることができる。本発明の第3の態様は、ポリエチレングリコール等の低融点を有する親水性樹脂および炭素系量子ドットを含有する樹脂組成物(マスターバッチ)に関する。マスターバッチは、水を主体とする水性溶媒に懸濁する炭素系量子ドットの溶液をポリエチレングリコール等の親水性樹脂に混練することにより得ることができる。なお、上記態様は便宜上の分類であり、本発明は、これらの態様に限定されるものではない。
今まで、ディスプレイの薄膜化を目指して量子ドットディスプレイが開発された経緯から、基板の上に量子ドットを塗布して薄膜を形成するため、さらにバリアフィルムを形成する必要があった。また、通常の蛍光色素含有マスターバッチであれば、蛍光色素の粒子径が大きく光散乱が大きく、透明性の高い蛍光性樹脂構造体を構成することができなかった。
一方、本発明による量子ドット含有マスターバッチは、多種の量子ドットの中から適宜選択することにより所望する発光波長の蛍光を発光させることができ、混合する樹脂も限定されずに、透明性の高い3D構造を形成することができる。かくして、本発明による量子ドット含有マスターバッチは新たな技術分野への適用が可能である。
[第1の態様]
本発明の第1の態様として、有機溶媒系量子ドットであるペロブスカイト型量子ドットをポリエチレン等の熱可塑性樹脂に混練して量子ドット含有マスターバッチを製造する。ペロブスカイト型量子ドットとしては、CH3NH3PbX3 (X=Cl, Br, I)(緑色)およびCsPbX3 (X=Cl, Br, I)(青色または赤色)の組成を有するものが挙げられる。
本発明の第1の態様として、有機溶媒系量子ドットであるペロブスカイト型量子ドットをポリエチレン等の熱可塑性樹脂に混練して量子ドット含有マスターバッチを製造する。ペロブスカイト型量子ドットとしては、CH3NH3PbX3 (X=Cl, Br, I)(緑色)およびCsPbX3 (X=Cl, Br, I)(青色または赤色)の組成を有するものが挙げられる。
[第2の態様]
本発明の第2の態様として、有機溶媒系量子ドットである半導体系量子ドットをポリエチレン等の熱可塑性樹脂に混練して量子ドット含有マスターバッチを製造する。半導体系量子ドットとしては、CdS, CdSe, CsSe/ZnS, InP, InP/ZnS, CIS (CuInS2), CIS/ZnS, AgSやPbSなど半導体組成であれば他多数の組成を有するものが挙げられる。
本発明の第2の態様として、有機溶媒系量子ドットである半導体系量子ドットをポリエチレン等の熱可塑性樹脂に混練して量子ドット含有マスターバッチを製造する。半導体系量子ドットとしては、CdS, CdSe, CsSe/ZnS, InP, InP/ZnS, CIS (CuInS2), CIS/ZnS, AgSやPbSなど半導体組成であれば他多数の組成を有するものが挙げられる。
[第3の態様]
本発明の第3の態様として、水性溶媒系量子ドットである炭素系量子ドットをポリエチレングリコール等の低融点を有する親水性樹脂に混練して量子ドット含有マスターバッチを製造する。炭素系量子ドットとしては、カーボンまたはグラフェンの組成を有するものが挙げられる。
本発明の第3の態様として、水性溶媒系量子ドットである炭素系量子ドットをポリエチレングリコール等の低融点を有する親水性樹脂に混練して量子ドット含有マスターバッチを製造する。炭素系量子ドットとしては、カーボンまたはグラフェンの組成を有するものが挙げられる。
本発明において、ペロブスカイト型量子ドット、半導体系量子ドット、カーボン量子ドット、グラフェン量子ドットなどの炭素系量子ドット、窒化物系量子ドット、シリコン量子ドットなどのあらゆる発光性量子ドットを用いることができる。
本発明の第1および第2の態様において、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリカーボネート、アクリル、ポリ乳酸、生分解性芳香族脂肪族ポリエステル、アクリルニトリルブタジエンスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなど様々な樹脂群から選択される熱可塑性樹脂を用いることができる。
本発明の第3の態様において、ポリエチレングリコールなど低融点を有する樹脂群から選択される親水性樹脂を用いることができる。
[実施例1]
CH3NH3PbX3 (X=Cl, Br, I)の組成を有するペロブスカイト型量子ドット(トルエン溶液)50 mlを100 gのポリエチレンとアクリル系分散剤など他の添加剤とを混練して、量子ドット含有マスターバッチを得た。なお、120℃にて二軸スクリュー押出機を用いて3-4 Nmのトルク、100 rpmにて混練を行った。得られた量子ドット含有マスターバッチを図2に示す。
CH3NH3PbX3 (X=Cl, Br, I)の組成を有するペロブスカイト型量子ドット(トルエン溶液)50 mlを100 gのポリエチレンとアクリル系分散剤など他の添加剤とを混練して、量子ドット含有マスターバッチを得た。なお、120℃にて二軸スクリュー押出機を用いて3-4 Nmのトルク、100 rpmにて混練を行った。得られた量子ドット含有マスターバッチを図2に示す。
励起波長420 nm下の前記量子ドット含有マスターバッチを図3に示し、その発光スペクトルを図4に示す。この実施例で得られた量子ドットマスターバッチの発光スペクトル半値幅は25 nmと非常に狭く、混練前の量子ドットと同様に鮮明な緑色の光を発光した。
[実施例2]
InP/ZnSの組成を有するコアシェル半導体型量子ドット(トルエン溶液)50 mlを100 gのポリエチレンと他の添加剤とを混練して、量子ドット含有マスターバッチを得た。なお、120℃にて二軸スクリュー押出機を用いて3-4 Nmのトルク、100 rpmにて混練を行った。この実施例で得られた量子ドットマスターバッチは、混練前の量子ドットと同様に鮮明な緑色の光を発光した。
InP/ZnSの組成を有するコアシェル半導体型量子ドット(トルエン溶液)50 mlを100 gのポリエチレンと他の添加剤とを混練して、量子ドット含有マスターバッチを得た。なお、120℃にて二軸スクリュー押出機を用いて3-4 Nmのトルク、100 rpmにて混練を行った。この実施例で得られた量子ドットマスターバッチは、混練前の量子ドットと同様に鮮明な緑色の光を発光した。
[実施例3]
炭素量子ドット(水溶液)50 mlを100 gのポリエチレングリコールと他の添加剤とを混練して、量子ドット含有マスターバッチを得た。なお、120℃にて二軸スクリュー押出機を用いて3-4 Nmのトルク、100 rpmにて混練を行った。この実施例で得られた量子ドットマスターバッチは、混練前の量子ドットと同様に鮮明な青色の光を発光した。
炭素量子ドット(水溶液)50 mlを100 gのポリエチレングリコールと他の添加剤とを混練して、量子ドット含有マスターバッチを得た。なお、120℃にて二軸スクリュー押出機を用いて3-4 Nmのトルク、100 rpmにて混練を行った。この実施例で得られた量子ドットマスターバッチは、混練前の量子ドットと同様に鮮明な青色の光を発光した。
本発明の量子ドット含有マスターバッチは、可視光領域にて透明であり、かつ、紫外線照射により半値幅の非常に狭い蛍光を発光するので、従来にない、透明性の高い3D構造を形成することができるので、今後、様々な技術分野に応用することができる。
Claims (6)
- 量子ドットおよび樹脂を含むマスターバッチ。
- 前記量子ドットが、CH3NH3PbX3 (X=Cl, Br, I)およびCsPbX3 (X=Cl, Br, I)よりなる群から選択される組成を有するペロブスカイト型量子ドットである、請求項1に記載のマスターバッチ。
- 前記量子ドットが、CdS, CdSe, CsSe/ZnS, InP, InP/ZnS, CIS (CuInS2), CIS/ZnS, AgSおよびPbSよりなる群から選択される組成を有する半導体系量子ドットである、請求項1に記載のマスターバッチ。
- 樹脂が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリカーボネート、アクリル、ポリ乳酸、生分解性芳香族脂肪族ポリエステル、アクリルニトリルブタジエンスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなど様々な樹脂群から選択される熱可塑性樹脂である、請求項2または3に記載のマスターバッチ。
- 前記量子ドットが、カーボン量子ドットおよびグラフェン量子ドットよりなる群から選択される炭素系量子ドットである、請求項1に記載のマスターバッチ。
- 樹脂が、ポリエチレングリコールよりなる群から選択される親水性樹脂である、請求項5に記載のマスターバッチ。
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