KR20010041354A - 편광 재료, 이의 액체 현탁액 및 필름과, 이들을 함유하는 광 밸브 - Google Patents

편광 재료, 이의 액체 현탁액 및 필름과, 이들을 함유하는 광 밸브 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적절한 액체내에서 (i) 원소 분자 요오드, (ii) 무기 할라이드와 (iii) 거의 강성인 다환 전구체 화합물을 반응시키는 단계를 포함하는 공정으로 제조된 폴리할라이드 편광 입자에 관한 것으로서,
a. 다환 전구체 화합물은 방향족기 또는 헤테로방향족기를 통해 함께 결합된 2개의 환구조를 갖고,
b. 다환 전구체 화합물의 3차 구조는 2개의 환 구조로 한정되는 공동(空洞)과, 공동내로 열린 단 하나의 개구를 갖으며,
c. 극성기는 다환 전구체 화합물의 외부에 제공되고,
d. 하나 이상의 킬레이트기(들)는 수소 또는 금속 이온을 킬레이트시키는 전구체기의 공동내에 제공되는 것이 특징이다.

Description

편광 재료, 이의 액체 현탁액 및 필름과, 이를 혼입한 광 밸브{LIGHT-POLARIZING MATERIALS, LIQUID SUSPENSIONS AND FILMS THEREOF, AND LIGHT VALVES INCORPORATING SAME}
빛을 조절하는 광 밸브는 60년 동안 알려져 왔다. 본원에서 사용한 광 밸브는 단거리로 이격된 2개의 벽으로 형성된 셀을 의미하는 것으로서, 하나 이상의 벽은 투명하고, 일반적으로 투명한 전도성 코팅물의 형태로 벽 위에 전극을 보유한다. 셀은 액체 현탁액의 소적이 분포되고 캡슐화된 플라스틱 필름 또는 액체 현탁액일 수 있는 활성 가능한 재료를 포함한다. 액체 현탁액(때로는 본원에서 액체 광 밸브 현탁액이라고도 함)은 액체 현탁매에 현탁된 작은 입자를 포함한다. 적용된 전기장의 부재하에 액체 현탁액 중 입자는 무작위성 브라운 운동을 나타내고, 따라서 셀내로 통과하는 광선은 셀 구조, 입자의 특성 및 농도와 빛의 에너지 함량에 따라 반사, 투과 또는 흡수된다. 전기장을 광 밸브내 광 밸브 현탁액을 통해 적용하는 경우, 입자는 정렬되어, 다수의 현탁액에 대하여 대부분의 빛이 셀을 통과할 수 있다. 광 밸브는 여러 용도, 예컨대 영숫자 디스플레이, 텔레비젼 디스플레이, 윈도우, 선루프, 차광판, 거울, 안경 등에 사용하여 이를 통과하는 빛의 양을 제어하는 용도로 제안되었다. 본원에 개시된 유형의 광 밸브는 "현탁된 입자 장치" 또는 "SPD"로서 알려져 있다.
여러 용도에 대하여, 활성화 가능한 재료는 액체 현탁액보다는 플라스틱 필름인 것이 바람직하다. 예를 들어, 가변성 광 투과 윈도우로서 사용되는 광 밸브의 경우, 액체 현탁액 소적을 분포시킨 플라스틱 필름은 단독의 액체 현탁액인 것이 바람직한데, 그 이유는 필름을 사용하여 수압 효과, 예컨대 액체 현탁액의 고 컬럼과 관련된 팽출을 피할 수 있고 가능한 누출 위험도 피할 수 있기 때문이다. 플라스틱 필름을 사용한 추가의 장점은 플라스틱 필름에서 입자는 일반적으로 매우 작은 소적내에만 존재하여, 필름이 전압으로 반복적으로 활성화될 때 두드러지게 덩이리를 형성하지 않는다는 점이다.
균질 용액으로부터 상분리시켜 제조한 광 밸브 필름 종류는 미국 특허 제5,409,734호에 개시되어 있다. 유화액을 가교시켜 제조한 광 밸브 필름은 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 제5,463,491호 및 제5,463,492호에 개시되어 있다. 이들 모든 특허 및 기타 인용 문헌은 참고로 인용된다.
재단하여 편광된 선글라스 렌즈로 성형하거나 또는 필터로 사용할 수 있는 편광 시이트(때로는 "시이트 편광자"로 불리움)와 같은 경화 현탁액에서 사용하기 위해서, 편광 입자는 적절한 필름 형성 재료, 예컨대 셀룰로스 아세테이트 또는 폴리비닐 알코올 등의 시이트를 통해 분산 또는 분포시킬 수 있다. 미국 특허 제2,178,996호 및 제2,041,138호 참조. 그러나, 이들 경화 조성물에서 입자는 부동성이다.
액체 광 밸브 현탁액
액체 광 밸브 현탁액은 당업계에 공지된 임의의 액체 광 밸브 현탁액일 수 있으며, 기존의 기법으로 제형화할 수 있다. "액체 광 밸브 현탁액" 이란 다수의 작은 입자가 분산된 "액체 현탁매"를 의미한다. "액체 현탁매"는 하나 이상의 비수성, 전기적 저항성이 있는 액체를 포함하는데, 이 액체는 입자가 응집되는 경향을 감소시키고 이들을 분산된 상태로 현탁액에서 유지하는 작용을 하는 1종 이상의 중합체 안정화제를 용해시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 액체 광 밸브 현탁액은 입자를 현탁시키는 광 밸브에 사용하기 위해서 이전에 제안된 임의의 액체 현탁매를 포함할 수 있다. 당업계에 공지된 액체 현탁매는 본 발명에서 유용하며, 이의 비제한적인 예로는 미국 특허 제4,247,175호 및 제4,407,565호에 개시된 액체 현탁매 등이 있다. 일반적으로 하나 또는 둘의 액체 현탁매 또는 그 내부에 용해된 중합체 안정화제를 선택하여 중력 평형으로 현탁된 입자를 유지시킨다.
중합체 안정화제가 사용되는 경우, 이는 입자의 표면에 결합하지만 비수성 액체 또는 액체 현탁매의 액체에 용해시키는 단일 유형의 고체 중합체일 수 있다. 대안적으로, 중합체 안정화계로서 작용하는 2종 이상의 고체 중합체 안정화제일 수 있다. 예를 들어, 입자는 니트로셀룰로스와 같은 제1형 고체 중합체 안정화제로 코팅될 수 있으며, 이는 실제로 제1형 고체 중합체 안정화제에 결합하거나 회합하고 입자의 분산 및 입체적 보호를 제공하는 액체 현탁매내에 용해시키는 2종 이상의 추가의 고체 중합체 안정화제와 입자용 평면 코팅을 제공한다. 또한, 액체 중합체 안정화제를 사용하면 미국 특허 제5,463,492호에 개시된 바와 같이 특히 SPD 광 밸브 필름에 유용할 수 있다.
공지된 바와 같이, 무기 및 유기 입자, 예컨대 운모, 금속, 흑연, 할로겐화금속, 알카로이드산염의 폴리할라이드(때로는 종래 기술에서 퍼할라이드(perhalides)라고 함) 등을 광 밸브 현탁액에 사용할 수 있다. 액체 현탁액내 입자는 편광 재료, 예컨대 할로겐 함유 편광 재료(예, 알카로이드산염의 폴라할라이드)일 수 있다. ("알카로이드"는 문헌[Hackh's Chemical Dictionary, Fourth Edition, McGraw-Hill Book Company, 뉴욕, 1969]에 개시된 바와 같이 유기 질소 발생 염기를 의미한다.) 알카로이드산염의 폴리할라이드를 사용하는 경우, 알카로이드 부분은, Hackh 등의 문헌[Chemical Dictionary, 상기 참조]에 개시된 바와 같이 퀴닌 알카로이드일 수 있으며, 미국 특허 제2,178,996호 및 제2,289,712호에서는 퀴닌 알카로이드산염의 폴리할라이드의 용도에 대하여 상세히 기재하고 있다. 입자는 흡광성 또는 반사성일 수 있다.
또한, 입자는 미국 특허 제4,131,334호에 개시된 바와 같이 디히드로신코니딘 설페이트 폴리요오다이드와 같은 퀴닌 알카로이드산염의 수소첨가된 폴리할라이드, 또는 예컨대 미국 특허 제1,956,867호에 개시된 바와 같이 브롬화제2구리 또는 프르푸레오코발트클로라이드 설페이트 폴리요오다이드와 같은 편광 금속 할라이드 또는 폴리할라이드의 입자일 수 있다.
유용한 특성을 갖는 기타 편광 폴리할라이드 입자는 미국 특허 제4,877,313호, 제5,002,701호 및 제5,093,041호에 개시되어 있다.
본원에 개시된 "폴리요오다이드"는 기존의 의미와, "과요오다이드"이 수 많은 종래 광 밸브 특허[예컨대 "Colloidal Suspensions and the Process of Making Same"이라는 명칭의 미국 특허 제1,951,664호(Land)의 컬럼 1]에서 사용된 것과 동일한 의미로 사용되어 전구체 화합물의 반응 생성물인 물질을 나타내는데, 이는 요오드 또는 요오다이드와 헤테로고리 질소발생 염기의 황산염(또는 미국 특허 제4,270,841호에 기재된 일부 기타 염)일 수 있다. 이러한 반응 생성물을 종종 폴리요오다이드 화합물이라고 부른다. 이러한 종류의 입자는 D.A.Godina 및 G.P.Faerman 등의 문헌[The Journal of General Chemistry, U.S.S.R. Vol. 20. p1005-1016, (1950), "The Optical Properties and Structure of Polyiodides"]에 상세하게 논의되어 있다. 헤라파타이트(herapathite)는, 예컨대 퀴논 비설페이트 폴리요오다이드가며, 화학식은 머크 인덱스 제10판(미국 뉴저지주 래웨이에 소재하는 머크 앤드 캄파니 인코포레이티드)에서 4C20H24N2O2·3H2SO4·2HI·I4·6H2O로서 "퀴닌 요오도설페이트"라는 표제하에 제공되어 있다. 기타 유형의 폴리요오다이드의 경우, 전구체 화합물은 염일 필요는 없다. 미국 특허 제4,877,313호 및 제5,002,701호 참조. 이들 폴리요오다이드 화합물에서, 요오드는 사슬를 형성하는 것으로 보이며 화합물은 강력한 편광자이다. "폴리할라이드"은 폴리요오다이드와 같은 화합물을 의미하는 것으로 본 발명에 사용되지만, 요오다이드내 적어도 일부 요오드를 또 다른 할로겐 원소로 치환할 수 있다.
이론적으로, 목적하는 파장의 가시 광선을 반사, 흡수 및/또는 투과시킬 수 있는 임의 종류의 입자를, 입자가 전기장 또는 자기장에 의해 배향될 수 있는 액체 광 밸브 현탁에에 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명의 목적을 위해서, 실질적인 양의 가시광선을 반사하는 입자는 불만족스러운 광 산란을 유발하여 일반적으로 바람직하지 못하다. 효과적으로 빛을 흡수하는 입자가 바람직하다.
광 밸브 현탁액에 사용된 입자의 형상은 바람직하게는 "비등축"이어야 한다. 즉 입자의 형상 또는 구조는 한 방향에서 입자가 또 다른 방향에서 보다 더 많은 광선을 차단하도록 되어야 한다. 침상, 간상, 래드상 또는 얇은 플레이크 형태의 입자가 적절하다. 편광 결정은 시각적으로 보기 좋은 외관을 산출하기 때문에 특히 유용하지만, 바람직하게는 광 산란을 거의 나타내지 않은 임의 종류의 흡광 입자를 사용할 수 있다.
입자는 콜로이드 크기가 바람직하다. 즉, 입자는 평균 약 1 미크론 이하의 거대 치수를 갖는다. 대부분의 입자는 청색 광선 파장의 1/2 미만의 거대 치수, 즉 2000 Å 이하의 크기여서 광선 산란을 극도록 작게 유지하는 것이 바람직하다.
시판용으로서, 액체 광 밸브 현탁액에 사용된 입자는, 필름내로 도입 여부와 상관 없이 우수한 화학적 및 환경적 안정성을 갖고 있어야 한다.
역사적으로, 초기 액체 광 밸브 현탁액은 상기 언급한 헤라파타이트의 입자를 포함하였다. 그러나, 헤라파타이트 및 밀접하게 관련된 화합물은 여러 화학 물질에 대한 안정성이 불량하여, 자외선 또는 고온에 노출시 쉽게 분해된다.
퀴닌과 달리 수소첨가되고 메톡시기를 포함하지 않는 일부 알카로이드의 염으로부터 제조된 일부 입자의 경우 안정성 측면에서 일부 개선점이 관찰되었다. 예를 들어 미국 특허 제4,131,334호 참조.
더 우수한 열 안정성을 갖고, 알카로이드를 주성분으로 하지 않는 기타 유형의 폴리할라이드 입자는 미국 특허 제4,877,313호 및 제5,002,701호에 개시되어 있다. 미국 특허 제5,516,463호에도, 요오드 및 요오드화칼슘과 화합물 2,5-디카르복시-피라진 디히드레이트를 반응시켜 형성된 편광 폴리요오다이드 입자가 개시되어 있다.
미국 특허 제5,516,463호에 개시된 유형의 입자가 광 밸브에 사용되는 종래 입자보다 상당한 진보를 나타내지만, 이의 화학적 안정성은 목적하는 바에 이르지 못하였다. 예를 들어, 입자는 물에 의해 쉽게 공격을 받을 수 있다.
따라서, 편광 시이트와 광 밸브용 액체 현탁액 및 필름에 사용하기 위한 더 안정한 유형의 폴리할라이드 편광 입자가 필요하다.
본 발명은 편광 재료, 이의 액체 및 경화 현탁액, 액체 현탁액의 소적을 포함하는 필름과, 이러한 현탁액이나 필름을 함유하는 광 밸브에 관한 것이다.
발명의 개요
폴리할라이드 편광 입자는 적절한 액체내에서 (i) 원소 분자 요오드, (ii) 무기 할라이드, 바람직하게는 히드로할라이드 산과 (iii) 거의 강성인 다환 화합물(이하 때로는 "전구체"로 언급함)을 반응시켜 제조한다. 여기서,
a. 전구체 화합물은 방향족기 또는 헤테로방향족기를 통해 함께 결합된 2개의 환구조를 갖는다.
b. 전구체 화합물의 3차 구조는 2개의 환 구조로 한정되는 공동(空洞)과, 공동내로 열린 단 하나의 개구를 갖는다.
c. 극성기는 전구체 화합물의 외부, 예컨대 환구조 및/또는 방향족 또는 헤테로방향족 결합된 기에 제공된다.
d. 하나 이상의 킬레이트기(들)는 수소 또는 금속 이온을 킬레이트시키는 전구체기의 공동내에 제공된다.
바람직하게는, 다환 화합물은 1,3-이치환된 방향족 시클로헥산 이미드이다. 이러한 다환 화합물은, 미국 특허 제4,698,425호 및 제4,861,564호에 개시된 바와 같이 방향족 디엔 1 당량과 시클로헥산 무수산 클로라이드 2 당량의 축합반응 생성물 뿐 아니라 이의 유도체를 포함하는 것이 좋다. 이들 2 특허는 여러 유형의 이온을 킬레이트할 수 있는 이러한 화합물의 킬레이트제로서의 용도를 개시하고 있다. 이러한 화합물은 이하 "리벡(Rebek) 화합물"이라고 언급한다. 본 발명의 경우, 수소는 크기가 작고 수소가 킬레이트된 이온인 경우 본 발명에 따라 제조된 폴리할라이드 및 폴리요오다이드 입자의 화학적 안정성이 높기 때문에, 수소는 킬레이트하고자 하는 바람직한 종류의 이온이다. 본 발명자들은 이러한 리벡 화합물 및 관련 화합물을 전구체로서 사용하여 편광 폴리할라이드 입자를 형성할 수 있다는 것을 놀랍게도 처음으로 발견하였다.
본 발명의 폴리할라이드 입자는 SPD 광 밸브용 액체 현탁액 및 필름과 시이트 편광자로서 또는 시이트 편광자내에 사용하기 위한 경화 현탁액에서 이용할 수 있다.
이하 논의되는 바람직한 유형의 입자는 물, 심지어 극도로 뜨거운 물에 노출시 우수한 화학적 안정성을 나타내는데, 화학적 안정성은 대기에 노출된 SPD 장치에서 긴 수명을 얻는데 중요한 특성일 수 있다.
다환 전구체의 구조
전구체 화합물은 하기 화학식 I의 "리벡(Rebek) 화합물"일 수 있다.
상기 식에서,는 5원 또는 6원 방향족 또는 헤테로방향족 고리를 하나 이상 포함하는 융합 또는 단일환, 치환 또는 비치환된 방향족 또는 헤테로방향족 연결기를 나타내고, X는 -N-, -CH- 또는 -S-이며, 점선은 고리의 방향족 불포화를 나타내고, R' 및 R"는 동일하거나 상이하며 카르복실, 니트릴, 티오카르복시, 아미드, 아미딘, 디티오카르복시 또는 히드록삼산 부분이며, 하나 이상의 표시된 메틸기는 상이한 알킬 도는 극성기, 예컨대 히드록시알킬, 카르복시 등으로 치환될 수 있다. 미국 특허 제4,698,425호 및 제4,861,564호에 열거된 임의의 부분은 R' 및 R"에 대한 적절한 부분이다. 방향족 또는 헤테로방향족 연결기의 예로는 치환 또는 비치환된 벤젠, 피리딘, 1,2,4-트리아졸, 푸린, 피리미딘, 프테리딘, 퀴놀린, 이소퀴놀린, 인돌, 이미다졸, 벤즈이미다졸, 나프탈렌, 피리다진, 티오펜, 옥사졸, 티아졸, 피라졸, 신놀린, 퀴나졸린, 프탈라진, 아크리딘 또는 페나진의 2가 잔기가 있다.
본 발명의 일양태에서, 리벡 화합물은 하기 화학식 II로 표시된다.
상기 식에서, X는 -CH-이고, R' 및 R"는 전술한 바와 같으며, R1, R2및 R3은 H 또는 H보다 큰 A 값을 갖는 유기기이다. "A 값"이란 특정 부분의 전자가 차지하는 공간의 부피를 의미한다.[Winstein, S; Holness, N.J., J.Am.Chem.Soc. 1955, Vol.77, p5562, 5578. "A 값"은 단일 치환된 시클로헥산에서 형태 자유 에너지 차이로서 정의된다.) 예를 들어, R1, R2및 R3은 H, 알칸, 알킨, 알켄, 페닐, 아르알킬, 카르보닐, 에테르, 티오에테르, 할라이드, 카르보사이클 또는 헤테로사이클 또는 이의 유도체일 수 있다. R1및 R3은 각각 A 값이 H보다 큰 기인 것이 바람직하다.
강성 구조를 제공하는 리벡 화합물의 특정 예는 미국 특허 제4,698,425호에 개시되어 있고, 하기 화학식 III으로 표시된다.
편의상, 화학식 III의 화합물을 이하 때때로 "XDK"로 언급한다. XDK 화합물의 강성은 주로 2개의 치환된 시클로헥산 고리사이에 스페이서 또는 연결기로서 작용하는 중심 페닐기의 1번 및 5번 위치에 치환된 2개의 메틸기의 존재에 기인한다. 페닐 스페이서는 비방향족 이미드 고리 결합을 통해 치환된 시클로헥산 고리 각각에 연결되어 있다. 이하 개시되는 바와 같이, 전술한 2개의 메틸기를 기타 적절한 기로 치환하여 유사한 강성 화합물을 얻을 수 있다.
XDK를 전구체로서 사용하고 요오드 및 적절한 할라이드(예, HI)와 반응시켜 편광 폴리요오다이드 입자를 형성할 수 있지만, 이 화합물이 지방족시클로헥산 및 페닐 고리상에 치환된 극성이 낮은 메틸기를 갖는다는 사실 때문에 중합체가 폴리요오다이드 입자에 결합하기 어렵고, 따라서 SPD 액체 현탁액 및 필름에 사용하기 위한 비수성 매체내로 이러한 입자를 분산시키기가 어렵다.
따라서, 본 발명의 바람직한 양태들은 하나 이상의 방향족 또는 시클로헥산 고리에 직접 또는 간접 치환된 하나 이상의 극성기를 갖는다.
공지되어 있는 내부 공동을 갖는 강성 다환 전구체로부터 제조된 유일한 편광 입자는 미국 특허 제5,656,751호에 개시된 2색 입자이다. 그러나, 미국 특허 제5,656,751호에 개시된 2색 입자에 대한 전구체 화합물은 프탈로시아닌, 프탈로시아닌 유도체와 내부에 중심 금속이 도입된 프탈로시아닌 또는 이의 유도체에 엄격히 제한된다. 본 발명의 전구체 화합물과는 달리, 프탈로시아닌은 4개의 질소 원자에 의해 서로 연결된 4개의 이소인돌기를 포함한다. 상기 4개의 이소인돌기는 유리한 방향족 고리를 포함한다. 더구나, 프탈로시아닌에서 4개의 상호연결된 기는 완전히 연결된 거대환 화합물을 형성하는 반면, 본 발명의 다환 화합물은 스페이서로서 작용하는 방향족 화합물과 스페이서의 상이한 측면에 있는 2개의 지방족 고리 성분을 포함한다. 2개의 지방족 고리 사이에는 개구가 있다. 또한, 프탈로시아닌 분자내 킬레이트화는 질소 원자 사이에만 발생하지만, 본 발명의 전구체 화합물내에서 킬레이트는 질소 원자간의 킬레이트에 제한되지 않고 1종 이상의 원자(예, 산소, 질소 또는 황) 사이에서도 발생할 수 있다. 4개의 융합된 고리 단위체 세트로 구성된 8개의 프탈로시아닌 분자내 다수의 고리는 본 발명에 따라 제조된 폴리요오다이드와 비교하여 고도로 불충분한 폴리요오다이드를 제조하는 경향이 있다. 그 이유는 일반적으로 요오드 대 비요오드 원자의 중량비는 휠씬 낮기 때문이다.
미국 특허 제5,656,751호는 시이트 편광기용 경화 현탁액 또는 SPD 광 밸브용 액체 현탁액 또는 필름을 제조하는 임의의 절차를 개시하지 않고 있다는 점에 유의해야 한다. 상기 특허에 개시된 유일한 종류의 필름은 유리 평판 쌍 사이에 입자 침전물을 두고, 한 방향으로 전단을 가하여 형성하였다. 따라서, 이 특허의 2색 입자가 실제 현탁액 및/또는 필름에서 사실상 사용되는지 여부, 또는 사용하는 방법에 대하여 알려진 것이 없다.
시스, 시스-1,3,5-트리메틸시클로헥산-1,3,5-트리카르복실산(이하 때로는 "캠프 삼산(Kemp's Triacid"이라고 함) 및 이의 산 클로라이드 무수물을 제조하는 방법과 다수의 레빅 화합물을 제조하는데 있어서의 이들의 용도는 당업계에 공지되어 있다. 화학식 I, II 및 III의 화합물은 개시되어 있거나, 또는 참고로 인용된 미국 특허 제4,698,425호 및 제4,861,564호에 개시된 것과 유사한 방법을 사용하여 제조할 수 있다.
레빅 화합물 전구체 등으로부터 제조된 폴리할라이드 입자의 유기 액체내로의 분산을 용이하게 하기 위해서, 하나 이상의 시클로헥산 고리 및/또는 중심 방향족 고리상에 극성기를 직접 또는 간접적으로 치환하는 것이 필요하고 바람직하다는 것을 발견하였다. 따라서, 하기 실시예는 이를 수행하는 방법을 제시한다.
하기 실시예 1에서, "XDK(OH)2"는 화학식 II의 XDK 화합물과 동일하지만, 중심 방향족 고리의 1번 위치 및 5번 위치에 부착된 메틸기 대신 치환된 히드록시기를 가진다; "XDK(OMe)2"는 XDK 화합물과 동일하지만, 1번 위치 및 5번 위치에서 치환된 메톡시기를 가진다. 유사하게 실시예 2에서, "XDK(CO2H)2"는 XDK 화합물과 동일하지만, 1번 위치 및 5번 위치에서 치환된 카르복실기를 갖고, "XDK(CO2Me)2"는 XDK 화합물과 동일하지만, 1번 위치 및 5번 위치에서 치환된 CO2CH3기를 가진다.
본 발명은 하기 실시예 중 바람직한 양태들의 측면에서 예시한다. 이들 실시예에서, 모든 부 및 비율은 특별한 언급이 없으면 중량을 기준으로 한 것이다.
실시예 1
2,4-비스[시스,시스-2,4-디옥소-1,5,7-트리메틸-3-아자-7-비시클로[3.3.1]노난카르복실산]-m-디히드록시벤젠 [XDK(OH)2] 제조
XDK(OMe)2제조:
크실렌(100 ㎖) 중에서 딘-스타크 트랩으로 환류시켜 공비수를 제거함으로써 켐프 삼산(6.066 g, 23.5 mmol)을 건조하였다. 과량의 티오닐 클로라이드(30 ㎖, 25.8 mmol)를 무수산에 첨가하고, 이 시스템을 환류하에 3 시간 동안 반응시켰다. 미반응 티오닐 클로라이드(bp 79℃)는 증류시켜 제거하고, 크실렌(bp 137∼144℃)은 환류 증기가 리트머스 종이에 대해 중성이 될 때까지 증류시켰다. 반응물을 냉각시키고, 무수 피리딘(100 ㎖) 및 촉매적 N,N-디메틸아미노벤젠(DMAP, 0.094 g., 0.77 mmol)을 교반 용액에 첨가하였다. 1,5-비스(메톡시)-2,4-디아미노벤젠(2.035 g, 11.2 mmol)을 고체로서 첨가하고 시스템을 밤새 환류시켰다. 회전식 증발기로 용매를 제거하고 생성된 갈색 고체를 헵탄에서 분쇄하여 자유 유동하는 갈색 분말로서 생성물을 얻었다(7.209 g, 95%).
XDK(OH)2의 제조
XDK(OMe)2(3.007 g, 4.9 mmol)을 실온에서 무수 CHCl3(65 ㎖) 중에 용해시켰다. 트리메틸실릴 요오다이드(2.2 ㎖, 12.7 mmol)을 주사기를 통해 5분 동안 첨가하였다. 반응물을 실온에서 2일 동안 교반한 다음, 갈색 반응 혼합물을 증발시켜 건조하였다. 이들 고체를 헵탄에서 분쇄하여 오랜지색의 자유롭게 유동하는 분말(1.573 g, 55%)을 얻었다. 오랜지 고체를 소량의 고온 아세톤에 녹이고 물을 초기의 혼탁 용액에 첨가하였다. 65∼70℃로 가열시, 오랜지 용액은 혼탁해지고, 이 때 5℃로 냉각하여 백색 결정 고체의 침전을 실시하였다. 고체는 여과시켜 분리하고, 물로 세척하고 공기 건조시켰다. (mp ∼405℃, 분해)
실시예 2
4,6-비스[시스,시스-2,4-디옥소-1,5,7-트리메틸-3-아자-7-비시클로[3.3.1]노난카르복실산]-m-벤젠디카르복실산 [XDK(CO2H)2] 제조
[XDK(CO2H)2]는 켐프 무수산 클로라이드와 디메틸-4,6-디아미노-m-벤젠디카르복실레이트의 축합반응 생성물[XDK(CO2Me)2]의 에스테르 가수분해로 제조할 수 있다. 세부 실험 사항은 다음과 같다.
XDK(CO2Me)2의 제조.
크실렌을 딘-스타크 트랩으로 환류시켜 공비수를 제거함으로써 켐프 삼산 2.1 당량을 건조하였다. 과량의 티오닐 클로라이드를 무수산에 첨가하고, 이 시스템을 환류하에 3 시간 동안 반응시켰다. 미반응 티오닐 클로라이드(bp 79℃)는 증류시켜 제거하고, 크실렌(bp 137∼144℃)은 환류 증기가 리트머스 종이에 대해 중성이 될 때까지 증류시켰다. 반응물을 냉각시키고, 무수 피리딘 및 촉매적 N,N-디메틸아미노벤젠(DMAP)을 교반 용액에 첨가하였다. 디메틸-4,6-디아미노-m-벤젠디카르복실레이트를 고체로서 첨가하고 시스템을 밤새 환류시켰다. 회전식 증발기로 용매를 제거하고 생성된 갈색 고체를 헵탄에서 분쇄하여 자유 유동하는 갈색 분말로서 생성물을 얻었다.
XDK(CO2H)2의 제조.
XDK(CO2Me)2는 실온에서 메탄올 중에 용해시켰다. KOH 2 당량을 첨가하고 반응물을 밤새 교반하였다. 이 용액을 진한 HCl을 사용하여 pH4로 조심스럽게 산성화시키고, 클로로포름으로 3회 추출하였다. 이 클로로포름 용액을 황산나트륨으로 건조하고 여과시켰다. 헵탄을 첨가하여 생성물을 침전시키고, 여과 및 건조시켰다.
XDK에 관련된 화합물은 시클로헥산 고리의 외부에 치환된 극성 기로 제조할 수 있다. 예를 들어, 실시예 3에는 XDK와 유사하지만 XDK의 2개의 시클로헥산 고리상에 6개의 메틸기 대신 치환된 6개의 CH2OH 기를 보유한 화합물을 제조하는 절차가 개시되어 있다. 물론, 실시예 3에서 반응물의 양을 조정하여 모두 6개 미만의 메틸기를 CH2OH기로 치환할 수 있으며, 이는 화합물이 물에 용해되지 않기를 원하는 경우 바람직할 수 있다.
실시예 3
2,4-비스[시스,시스-2,4-디옥소-1,5,7-트리스(히드록시메틸)-3-아자-7-비시클로[3.3.1]노난카르복실산-m-크실렌 제조
XDK의 비스(트리스(히드록시메틸)) 유사체는 해당 벤질옥시 화합물 중 알킬-벤질 에테르의 절단으로 제조되며, 이는 시스,시스-1,3,5-트리스(벤질옥시메틸)-1,3,5-시클로헥산트리카르복실산의 무수산 클로라이드와 2,4-디아민-m-크실렌의 축합반응으로 제조하였다. 실험의 세부 사항은 다음에 개시되어 있다.
시스,시스-1,3,5-트리스(벤질옥시메틸)-1,3,5-시클로헥산트리카르복실산을 문헌[Kato, Y.; Conn, M.; and Rebek,; J.Am.Chem.Soc., 1994, 116, 3279-3284]에 개시된 절차에 따라 제조하였다. 이 화합물은 딘-스타크 트랩을 사용하여 크실렌 중에서 환류시켜 공비수를 제거함으로써 건조시켰다. 과량의 티오닐 클로라이드를 무수산에 첨가하고, 이 시스템을 환류하에서 3시간 동안 반응시켰다. 미반응된 티오닐 클로라이드를 증류시켜 제거하고(bp 79℃), 크실렌(bp 137∼144℃)은 환류 증기가 리트머스 종이에 대해 중성이 될 때까지 증류시켰다. 반응물을 냉각시키고, 무수 피리딘 및 촉매적 N,N-디메틸아미노벤젠(DMAP)을 교반 용액에 첨가하였다. 2,4-디아미노-m-크실렌을 고체로서 첨가하고 시스템을 밤새 환류시켰다. 회전식 증발기로 용매를 제거하고 생성된 갈색 고체를 에탄올부터 결정화시켜 벤질옥시 생성물을 얻었다.
벤질옥시 화합물은 포름산에 용해시키고 얼음조에서 냉각시켰다. KBr상에 진한 황산의 작용으로 형성된 HBr을 5분 동안 용액을 통해 기포발생시켜 벤질 에테르를 절단하였다. 질소는 추가의 10분 동안 용액을 통해 기포발생시켰다. 용매를 제거하고, 생성 고체를 메탄올 중에서 용해시키고, 디에틸 에테르 첨가로 침전시켰다. 비스(트리스(히드록시)) 생성물을 여과시키고 건조시켰다.
실시예 1 및 2는 화합물의 방향족 스페이서 부분의 외부에 극성 기를 갖는 전구체 화합물을 제조하는 절차를 개시하고 있는 반면, 실시예 3은 지방족 시클로헥산 고리의 외부에서 극성 기를 갖는 전구체 화합물을 제조하는 절차를 개시하고 있다. 그러나, 본 발명은 방향족 스페이서 및 시클로헥산 고리 외부에 극성기를 갖는 전구체 화합물을 포함한다.
본 발명의 폴리할라이드 결정(예, 입자) 및 이의 액체 현탁액을 제조하는 통상적인 절차는 하기 실시예 4에 제시되어 있다. 수용성이 아닌 전구체로부터 유도된 입자는 일반적으로 물, 심지어 극도의 고온수에도 매우 안정하며, 이러한 특성은 상온에서 수분에 노출시 현탁액 및 이의 필름에 대한 긴 수명을 촉진하는데 매우 중요하다.
실시예 4
본 발명의 전구체의 폴리요오다이드 결정 및 액체 현탁액을 제조하기 위한 제형화예
적절한 크기의 병에 제시된 바와 같이 다음 반응물을 첨가하였다.
15 g 200 g 무수 헥실 아세테이트(HA)에 용해된 1/4 초 ss-형 니트로
셀룰로스(무수),
6 g 전구체
4 g 요오드
5.28 g 수중 HI의 67% 용액
3.50 g 무수 메탄올(MEOH)
용액이 어두운 색이 될 때까지 대략 1/2 시간 동안 병을 막고 진탕시킨다. 현미경하에 용액을 면밀히 검사하여 전구체 물질이 완전히 반응되었는지를 결정한다.
용액을 1 시간 동안 11,500 RPM에서 원심분리하고 상징액을 버렸다. 튜브를 종이 타월 위에서 위면을 아래로 하여 15분 동안 배수시킨다. 중량을 측정한 유리병에서 튜브로부터 침전물을 꺼내고 침전물의 중량을 기록한다. 침전물 g 당 15 g 무수 HA를 첨가한다. 1/2 시간 동안 진탕시키고 초음파로 10 시간 동안 처리하여 침전물을 분산시킨다.
15분 동안 2500 RPM의 분산물을 원심분리하고, 상징액을 따라내어 수거하였다.
1/2시간 동안 9,500 RPM에서 상징액을 원심분리하고 상징액을 버린다. 15분 동안 종이 타월에 튜브의 위면을 아래로 하여 배수시킨다. 칭량된 유리병에서 침전물을 수거하고 침전물 각 g에 대하여 무수 이소펜틸 아세테이트(IPA) 10 g을 첨가하였다. 1/2 시간 동안 진탕시키고 초음파로 10 시간 동안 처리하여 침전물을 분산시킨다. 이를 하기에 "초기 농축물"로서 칭한다.
가소제, 예컨대 트리-n-펜틸-트리메틸리테이트(TNPTM)을 2 시간 동안 40℃에서 로토뱁 장치에 배치된 조합물 및 초기 농축물에 첨가하여 이소펜틸 아세테이트를 증발시켰다. 첨가되는 TNPTM의 양은 최종 생성 농축물(즉, 건조된 초기 농축물)에서 목적하는 입자로 농축하는 방법에 따라 실험적으로 결정할 수 있다. 그 다음 최종 농축물은 임의의 목적하는 용매(들)로 희석할 수 있으며, 이 용매내에서 농축 중합체가 용해되어 액체 현탁액을 형성한다.
그러나 SPD 광 밸브 필름에 사용하기 위한 농축물로부터 액체 현탁액을 제조하기 위해서, 이소펜틸 아세테이트를 증발시키기 전에 전술한 초기 농축물에 TNPTM을 첨가하는 대신에 미국 특허 제5,463,492호에 개시된 일양태의 교시 내용에 따라서 n-부틸 아크릴레이트/헵타플루오로부틸 아크릴레이트/히드록시에틸 아크릴레이트의 공중합체와 같은 액체 중합체 및 기타 목적하는 액체(들)를 첨가할 수 있다.
액체 현탁액의 소적을 도입한 SPD 필름은 종래 기술, 예컨대 미국 특허 제5,463,492호에 개시된 기술을 사용하였으나, 종래의 입자 대신에 본 발명의 폴리할라이드 입자를 사용하여 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 폴리할라이드 입자는 당업계에 공지된 기존의 방법으로 편광 시이트와 같은 경화 현탁액내로 혼입할 수 있다. 예컨대 미국 특허 제2,041,138호 및 제2,178,996호 참조.

Claims (11)

  1. 적절한 액체내에서 (i) 원소 분자 요오드, (ii) 무기 할라이드와 (iii) 거의 강성인 다환 전구체 화합물을 반응시키는 단계를 포함하는 공정으로 제조된 폴리할라이드 편광 입자로서,
    a. 다환 전구체 화합물은 방향족기 또는 헤테로방향족기를 통해 함께 결합된 2개의 환구조를 갖고,
    b. 다환 전구체 화합물의 3차 구조는 2개의 환 구조로 한정되는 공동(空洞)과, 공동내로 열린 단 하나의 개구를 갖으며,
    c. 극성기는 다환 전구체 화합물의 외부에 제공되고,
    d. 하나 이상의 킬레이트기(들)는 수소 또는 금속 이온을 킬레이트시키는 전구체기의 공동내에 제공되는 것이 특징인 폴리할라이드 편광 입자.
  2. 제1항에 있어서, 무기 할라이드가 히드로할라이드 산인 것이 특징인 폴리할라이드 편광 입자.
  3. 제1항에 있어서, 극성기가 환구조 및/또는 방향족 또는 헤테로방향족 결합된 기 상에 제공되는 것이 특징인 폴리할라이드 편광 입자.
  4. 제1항에 있어서, 다환 전구체 화합물이 하기 화학식 I의 화합물인 것이 특징인 폴리할라이드 편광 입자:
    화학식 I
    상기 식에서,는 5원 또는 6원 방향족 또는 헤테로방향족 고리를 하나 이상 포함하는 융합 또는 단일환, 치환 또는 비치환된 방향족 또는 헤테로방향족 연결기를 나타내고, X는 -N-, -CH- 또는 -S-이며, 점선은 고리의 방향족 불포화를 나타내고, R' 및 R"는 동일하거나 상이하며 카르복실, 니트릴, 티오카르복시, 아미드, 아미딘, 디티오카르복시 또는 히드록삼산 부분이며, 하나 이상의 표시된 메틸기는 상이한 알킬 또는 극성기로 치환될 수 있다.
  5. 제4항에 있어서, 방향족 또는 헤테로방향족 연결기가 치환 또는 비치환된 벤젠, 피리딘, 1,2,4-트리아졸, 푸린, 피리미딘, 프테리딘, 퀴놀린, 이소퀴놀린, 인돌, 이미다졸, 벤즈이미다졸, 나프탈렌, 피리다진, 티오펜, 옥사졸, 티아졸, 피라졸, 신놀린, 퀴나졸린, 프탈라진, 아크리딘 또는 페나진의 2가 잔기인 것이 특징인 폴리할라이드 편광 입자.
  6. 제1항에 있어서, 다환 전구체 화합물이 하기 화학식 II의 화합물인 것이 특징인 폴리할라이드 편광 입자:
    화학식 II
    상기 식에서, X는 -CH-이고, R' 및 R"는 동일하거나 상이하며 카르복실, 니트릴, 티오카르복시, 아미드, 아미딘, 디티오카르복시 또는 히드록삼산 부분이며, R1, R2및 R3은 H이거나 또는 H보다 큰 A 값(명세서내 정의됨)을 갖는 유기기이다.
  7. 제6항에 있어서, R1, R2및 R3은 H, 알칸, 알킨, 알켄, 페닐, 아르알킬, 카르보닐, 에테르, 티오에테르, 할라이드, 카르보사이클 또는 헤테로사이클 또는 이들의 유도체인 것이 특징인 폴리할라이드 편광 입자.
  8. 제7항에 있어서, R1및 R3은 각각 A 값이 H보다 큰 기인 것이 특징인 폴리할라이드 편광 입자.
  9. 제1항에 있어서, 다환 전구체가 하기 화학식 III의 화합물인 것이 특징인 폴리할라이드 편광 입자.
  10. 중합체 안정화제가 그 내부에 용해된 액체 현탁매내에서 현탁된 제1항에 기재된 폴리할라이드 입자를 포함하는 액체 광 밸브 현탁액.
  11. 대향 셀 벽을 갖는 셀과 그 셀 벽 사이의 셀에 배치된 제9항에 기재된 액체 광 밸브 현탁액을 포함하는 액체 밸브.
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