KR20050055741A - 다광자 감광화 시스템 - Google Patents

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KR20050055741A
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KR1020057005740A
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데이비드 에스. 아르니
캐서린 에이. 레더데일
마노즈 니르말
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

광반응성 조성물은, (a) 산- 또는 라디칼-개시 화학 반응을 겪을 수 있는 1 이상의 반응성 종; 및 (b) (1) 2 이상의 광자의 흡수에 의해 도달될 수 있는 1 이상의 전자 여기 상태를 가진 1 이상의 유형의 반도체 나노입자 양자 도트, 및 (2) 1 이상의 반응-개시 종을 형성하기 위해 상기 반도체 나노입자 양자 도트의 여기 상태와 상호작용할 수 있는, 상기 반응성 종과 상이한 조성물의 광화학적-유효량을 포함하는 광개시제 체계를 포함한다.

Description

다광자 감광화 시스템 {MULTIPHOTON PHOTOSENSITIZATION SYSTEM}
본 발명은 다광자-활성화가능한 광반응성 조성물 및 그로부터 유래된 물품에 관한 것이다.
분자 2-광자 흡수는 1931년에 고퍼트-메이어(Goppert-Mayer)에 의해 예측되었다. 1960년 펄스 루비 레이저의 발명 시에, 2-광자 흡수의 실험적 관찰이 실현되었다. 이어서, 2-광자 여기가 생물학 및 광학 데이타 저장 뿐만 아니라 다른 분야에서 응용되었다.
2-광자 유도된 광공정 및 1-광자 유도된 공정 간에는 2가지 주요 차이점이 존재한다. 1-광자 흡수는 입사 복사선의 강도에 선형으로 비례하는 반면, 2-광자 흡수는 2차적으로 비례한다. 더욱 높은 등급의 흡수는, 관련된 더욱 높은 입사 강도 전력에 비례한다. 그 결과, 3-차원 공간 해상도를 가진 다-광자 공정을 실행할 수 있다. 또한, 다광자 공정은 2 이상의 광자의 동시적인 흡수와 연관되기 때문에, 흡수 발색단이 다수의 광자와 함께 여기되고, 그의 전체 에너지는 이용되는 다광자 감광제의 전자 여기 상태의 에너지와 근사하다. 여기 광은 경화가능한 기질 또는 물질 내에서 단일-광자 흡수에 의해 감쇠되지 않기 때문에, 물질 내의 그 깊이로 집중된 비임을 사용함으로써, 단일-광자 여기를 통해 가능한 것에 비해 물질 내에서 더욱 깊은 깊이에 있는 분자를 선택적으로 여기시킬 수 있다. 이러한 2개의 현상은, 예를 들어 조직 또는 기타 생물학적 물질 내에서의 흥분에 응용된다.
광경화 및 미세조립 분야에 다광자 흡수를 적용함으로써 주된 장점들이 달성되었다. 예를 들어, 다광자 석판인쇄술 또는 입체석판인쇄술에서, 강도에 따른 다광자 흡수의 비선형 비례는, 이용되는 빛의 회절 한계에 비해 적은 크기를 가진 특징부를 기록하는 능력 뿐만 아니라 3차원의 특징부를 기록하는 능력(이것은 홀로그래피를 위해 중요하다)을 제공하여 왔다. 그러나, 이러한 작업은, 현재의 다광자-활성화가능한 광반응성 조성물의 낮은 감광성으로 인하여, 느린 기록 속도 및 높은 레이저 전력으로 제한되었다.
발명의 요약
따라서, 본 발명자들은 개선된 감광성을 가진 다광자-활성화가능한 광반응성 조성물이 요구된다는 것을 인식하였다. 본 발명은 다광자 흡수에 의해 효율적으로 활성화될 수 있는 광반응성 조성물을 제공한다. 조성물은
(a) 산- 또는 라디칼-개시된 화학 반응을 겪을 수 있는 1 이상의 반응성 종 (바람직하게는 경화성 종; 더욱 바람직하게는 단량체, 올리고머 및 반응성 중합체로 구성된 군에서 선택되는 경화성 종); 및
(b) (1) 2 이상의 광자의 흡수에 의해 도달가능한 1 이상의 전자 여기 상태를 가진 1 이상의 유형의 반도체 나노입자 양자 도트, 및
(2) 1 이상의 반응-개시 종을 형성하기 위해 반도체 나노입자 양자 도트의 여기 상태와 상호작용할 수 있는, 반응성 종과 상이한 조성물
의 광화학적 유효량을 포함한 다광자 광개시제 체계를 포함한다.
본 발명의 조성물은 다광자 감광제로서 반도체 나노입자 양자 도트를 사용함으로써 향상된 다광자 감광성을 나타낸다. 반응-개시 종(라디칼, 산 등)의 형성을 통해 화학 반응을 유도하기 위하여, 반도체 나노입자 양자 도트는 (예를 들어, 형광 상향-전환 또는 전하 전달을 통해) 통상적인 광개시제 체계 성분과 상호작용한다. 다광자 감광제로서 보통 사용되는 유기 염료와는 달리, 입자의 조성 및/또는 크기를 변화시킴으로써, 반도체 나노입자 양자 도트의 전자 구조 (예를 들어, 산화 또는 환원 포텐셜 및 흡수 또는 여기 에너지)가 선택된 통상적인 광개시제 체계 성분의 것에 일치될 수 있다. 또한, 반도체 나노입자 양자 도트는 큰 값으로 계산된 다광자 흡수 단면을 갖고, 따라서 개선된 감광성을 가진 다광자-활성화가능한 광반응성 조성물의 요구를 해결하기 위해 사용될 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 기재된 광반응성 조성물의 반응으로부터 얻어진 조성물 및 반응된 조성물을 포함하는 물품을 제공한다.
정의
본 출원에서 하기 정의가 사용된다:
"실질적으로 가용성"은 광반응성 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 약 1.0중량% 초과의 용해성을 가짐을 의미한다;
"나노입자 양자 도트"는 약 1 나노미터 내지 약 50 나노미터 범위의 평균 직경을 가진 입자를 의미한다;
"다광자 흡수"는, 동일한 에너지의 단일 광자의 흡수에 의해서는 효과적으로 도달될 수 없는 반응성 전자 여기 상태에 이르기 위한, 전자기 복사선의 2 이상의 광자의 동시 또는 연속 흡수를 의미한다;
"동시"는 10-14 초 이하의 기간 내에 2개의 사건이 일어나는 것을 의미한다;
"다광자 상향-전환"은, 다광자 흡수에 이어서, 흡수된 광자에 비해 더욱 높은 에너지 (더욱 짧은 파장)의 단일 광자의 방출을 겪을 수 있음을 의미한다;
"전자 여기 상태"는, 전자기 복사선의 흡수를 통해 도달될 수 있고 10-13 초 초과의 수명을 갖는, 전자 기저 상태에 비해 에너지가 더욱 높은 반도체 나노입자, 분자 또는 이온의 전자 상태를 의미한다.
"경화"는 중합을 수행하고/하거나 가교를 수행하는 것을 의미한다.
"광학 시스템"은 빛을 조절하기 위한 시스템으로서, 렌즈와 같은 굴절 광학 요소, 거울과 같은 반사 광학 요소, 및 회절격자와 같은 회절 광학 요소로부터 선택된 1 이상의 요소를 포함하는 시스템을 의미한다. 광학 요소는 확산기, 도파관 및 광학 기술에 공지된 다른 요소들을 포함할 것이다.
"3-차원 광 패턴"은, 빛 에너지 분포가 단일 면이 아니라 부피 또는 다중 면에서 존재하는 광학 영상을 의미한다;
"노출 시스템"은 광학 시스템 + 광원을 의미한다;
"충분한 빛"은 다광자 흡수를 실행하기에 충분한 강도 및 적절한 파장의 빛을 의미한다;
"감광제"는, 활성화를 위해 광개시제에 의해 요구되는 것보다 낮은 에너지의 빛을 흡수하고 광개시제와 상호작용하여(이에 의해 "감광화됨") 그로부터 광개시 종을 생성함으로써, 광개시제를 활성화하는데 필요한 에너지를 낮추는 종을 의미한다.
"광화학적 유효량" (예를 들어, 광개시제 체계의 성분의)은, 선택된 노출 조건 (예를 들어, 밀도, 점도, 색, pH, 굴절율 또는 기타 물리적 또는 화학적 성질의 변화에 의해 증명됨)하에서 반응성 종이 적어도 부분적인 반응을 겪을 수 있기에 충분한 양을 의미한다.
반응성 종
광반응성 조성물에서 사용하기 위해 적절한 반응성 종은 경화성 및 비-경화성 종을 모두 포함한다. 경화성 종이 일반적으로 바람직하고, 예를 들어 부가-중합가능한 단량체 및 올리고머 및 부가-가교가능한 중합체 (예컨대 자유-라디칼 중합가능하거나 가교가능한 에틸렌성-불포화 종, 예를 들어 아크릴레이트, 메타크릴레이트 및 스티렌과 같은 특정한 비닐 화합물 포함) 뿐만 아니라 양이온-중합가능한 단량체 및 올리고머 및 양이온-가교가능한 중합체 (종은 대부분 산-개시되고, 예를 들어 에폭시, 비닐 에테르, 시아네이트 에스테르 등을 포함한다) 등 및 이들의 혼합물을 포함한다.
적절한 에틸렌성-불포화 종은 예를 들어 미국 특허 5,545,676호(Palazzotto 등), 1단 65행 내지 2단, 26행에 기재되어 있고, 모노-, 디- 및 폴리-아크릴레이트 및 메타크릴레이트 (예를 들어, 메틸 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 이소프로필 메타크릴레이트, n-헥실 아크릴레이트, 스테아릴 아크릴레이트, 알릴 아크릴레이트, 글리세롤 디아크릴레이트, 글리세롤 트리아크릴레이트, 에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 1,3-프로판디올 디아크릴레이트, 1,3-프로판디올 디메타크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 1,2,4-부탄트리올 트리메타크릴레이트, 1,4-시클로헥산디올 디아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트, 펜타에리트리톨 테트라메타크릴레이트, 소르비톨 헥사아크릴레이트, 비스[1-(2-아크릴옥시)]-p-에톡시페닐디메틸메탄, 비스[1-(3-아크릴옥시-2-히드록시)]-p-프로폭시페닐디메틸메탄, 트리스-히드록시에틸-이소시아누레이트 트리메타크릴레이트, 약 200-500의 분자량을 가진 폴리에틸렌 글리콜의 비스-아크릴레이트 및 비스-메타크릴레이트, 미국 특허 4,652,274호에 기재된 것과 같은 아크릴레이트화 단량체의 공중합가능한 혼합물, 및 미국 특허 4,642,126호에 기재된 것과 같은 아크릴레이트화 올리고머); 불포화 아미드 (예를 들어, 메틸렌 비스-아크릴아미드, 메틸렌 비스-메타크릴아미드, 1,6-헥사메틸렌 비스-아크릴아미드, 디에틸렌 트리아민 트리스-아크릴아미드 및 베타-메타크릴아미노에틸 메타크릴레이트); 비닐 화합물 (예를 들어, 스티렌, 디알릴 프탈레이트, 디비닐 숙시네이트, 디비닐 아디페이트 및 디비닐 프탈레이트); 등 및 이들의 혼합물을 포함한다. 적절한 반응성 중합체는 예를 들어 중합체 사슬 당 1 내지 약 50개 (메트)아크릴레이트 기를 가진 매달린 (메트)아크릴레이트기를 갖는 중합체를 포함한다. 이러한 중합체의 예는 방향족 산(메트)아크릴레이트 반 에스테르 수지, 예컨대 사르토머(Sartomer)로부터 입수가능한 사르복스(SARBOX)TM 수지 (예를 들어, 사르복스TM 400, 401, 402, 404 및 405)을 포함한다. 자유 라디칼 화학에 의해 경화가능한 다른 유용한 반응성 중합체는 히드로카르빌 주쇄 및 그것에 부착된 자유-라디칼 중합가능한 작용기를 가진 매달린 펩티드 기를 갖는 중합체, 예컨대 미국 특허 5,235,015호(Ali 등)에 기재된 것을 포함한다. 바람직하게는, 2 이상의 단량체, 올리고머, 및/또는 반응성 중합체의 혼합물이 사용될 수 있다. 바람직한 에틸렌성-불포화 종은 아크릴레이트, 방향족 산 (메트)아크릴레이트 반 에스테르 수지, 및 히드로카르빌 주쇄 및 그것에 부착된 자유-라디칼 중합가능한 작용기를 가진 매달린 펩티드 기를 갖는 중합체를 포함한다.
적절한 양이온-반응성 종은 예를 들어 미국 특허 5,998,495호 및 6,025,406호(Oxman 등)에 기재되어 있고, 에폭시 수지를 포함한다. 넓게 에폭시드라 불리우는 이러한 물질은, 단량체 에폭시 화합물 및 중합체 유형의 에폭시드를 포함하고, 지방족, 지환족, 방향족 또는 헤테로고리일 수 있다. 이러한 물질은 일반적으로 분자 당 평균 적어도 1개의 중합가능한 에폭시 기를 갖는다 (바람직하게는, 적어도 약 1.5개, 더욱 바람직하게는 적어도 약 2개). 중합체 에폭시드는 말단 에폭시 기를 가진 선형 중합체 (예를 들어, 폴리옥시알킬렌 글리콜의 디글리시딜 에테르), 골격 옥시란 단위를 가진 중합체 (예를 들어, 폴리부타디엔 폴리에폭시드), 및 매달린 에폭시 기를 가진 중합체 (예를 들어, 글리시딜 메타크릴레이트 중합체 또는 공중합체)를 포함한다. 에폭시드는 순수한 화합물일 수 있거나, 분자당 1개, 2개 또는 그 이상의 에폭시기를 함유하는 화합물의 혼합물일 수 있다. 이러한 에폭시-함유 물질은 그 주쇄 및 치환 기의 성질에서 크게 다양할 수 있다. 예를 들어, 주쇄는 임의의 유형일 수 있고, 그 위의 치환기는 실온에서 양이온성 경화를 실질적으로 방해하지 않는 임의의 기일 수 있다. 가능한 치환기의 예는 할로겐, 에스테르기, 에테르, 술포네이트기, 실록산기, 니트로기, 포스페이트기 등을 포함한다. 에폭시-함유 물질의 분자량은 약 58 내지 약 100,000 또는 그 이상으로 다양할 수 있다.
유용한 에폭시-함유 물질은 시클로헥센 옥시드 기를 함유하는 것, 예컨대 에폭시시클로헥산카르복실레이트, 대표적으로 3,4-에폭시시클로헥실메틸-3,4-에폭시시클로헥산카르복실레이트, 3,4-에폭시-2-메틸시클로헥실메틸-3,4-에폭시-2-메틸시클로헥산 카르복실레이트, 및 비스(3,4-에폭시-6-메틸시클로헥실메틸)아디페이트를 포함한다. 이러한 성질의 유용한 에폭시드에 관한 더욱 상세한 목록은 미국 특허 3,117,099호에 기재된다.
유용한 다른 에폭시-함유 물질은 하기 화학식의 글리시딜 에테르 단량체를 포함한다.
상기 식에서, R'는 알킬 또는 아릴이고, n은 1 내지 6의 정수이다. 그의 예는, 다가 페놀을 과량의 클로로히드린, 예컨대 에피클로로히드린 (예를 들어, 2,2-비스-(2,3-에폭시프로폭시페놀)-프로판의 디글리시딜 에테르)과 반응시킴으로써 수득된 다가 페놀의 글리시딜 에테르이다. 이러한 유형의 에폭시드의 추가의 예는 미국 특허 3,018,262호 및 문헌 [Handbook of Epoxy Resins, Lee and Neville, McGraw-Hill Book Co., New York (1967)]에 기재되어 있다.
다수의 상업적으로 이용가능한 에폭시 수지가 또한 사용될 수 있다. 특히, 쉽게 입수가능한 에폭시드는 옥타데실렌 옥사이드, 에피클로로히드린, 스티렌 옥사이드, 비닐 시클로헥센 옥사이드, 글리시돌, 글리시딜메타크릴레이트, 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르(예를 들어, 레졸루션 퍼포먼스 프러덕츠(Resolution Performance Products (구, 쉘 케미칼 컴퍼니)로부터 상표명 에폰(EPON)TM 828, 에폰TM 825, 에폰TM 1004 및 에폰TM 1010으로 입수가능한 것, 뿐만 아니라 다우 케미칼 컴퍼니로부터 상표명 DERTM 331, DERTM 332 및 DERTM 334로 입수가능한 것), 비닐시클로헥센 디옥사이드 (예를 들어, 유니온 카바이드 코포레이션으로부터의 ERL 4206), 3,4-에폭시시클로헥실메틸-3,4-에폭시시클로헥센 카르복실레이트 (예를 들어, 유니온 카바이드 코포레이션으로부터의 ERL 4221, 시라큐어(Cyracure)TM UVR 6110 또는 UVR 6105), 3,4-에폭시-6-메틸시클로헥실메틸-3,4-에폭시-6-메틸-시클로헥센 카르복실레이트 (예를 들어, 유니온 카바이드 코포레이션으로부터의 ERL 4201), 비스(3,4-에폭시-6-메틸시클로헥실메틸)아디페이트 (예를 들어, 유니온 카바이드 코포레이션으로부터의 상표명 ERL 4289), 비스(2,3-에폭시시클로펜틸)에테르 (예를 들어, 유니온 카바이드 코포레이션으로부터의 ERL 0400), 폴리프로필렌 글리콜로부터 개질된 지방족 에폭시 (예를 들어, 유니온 카바이드 코포레이션으로부터의 ERL 4050 및 ERL 4052), 디펜텐 디옥사이드 (예를 들어, 유니온 카바이드 코포레이션으로부터의 ERL 4269), 에폭시드화 폴리부타디엔 (예를 들어, FMC 코포레이션으로부터의 옥시론TM 2001), 에폭시 작용기를 함유하는 실리콘 수지, 난연성 에폭시 수지 (예를 들어, 다우 케미칼 컴퍼니로부터 입수가능한 DERTM 580 브롬화 비스페놀 유형 에폭시 수지), 페놀포름알데히드 노볼락의 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르 (예를 들어, 다우 케미칼 컴퍼니로부터의 DENTM 431 및 DENTM 438), 레조르시놀 디글리시딜 에테르 (예를 들어, 코퍼스 컴퍼니 인코포레이티드(Koppers Company, Inc.)로부터의 코포사이트(KOPOXITE)TM), 비스(3,4-에폭시시클로헥실)아디페이트 (예를 들어, 유니온 카바이드 코포레이션으로부터의 ERL 4299 또는 UVR 6128), 2-(3,4-에폭시시클로헥실-5,5-스피로-3,4-에폭시)시클로헥산-메타-디옥산 (예를 들어, 유니온 카바이드 코포레이션으로부터의 ERL-4234), 비닐시클로헥센 모노옥사이드 1,2-에폭시헥사데칸 (예를 들어, 유니온 카바이드 코포레이션으로부터의 UVR-6216), 알킬 글리시딜 에테르, 예컨대 알킬 C8-C10 글리시딜 에테르 (예를 들어, 레졸루션 퍼포먼스 프러덕츠로부터의 헬옥시TM 개질제(HELOXY MODIFIER) 7), 알킬 C12-C14 글리시딜 에테르(예를 들어, 레졸루션 퍼포먼스 프러덕츠로부터의 헬옥시TM 개질제 8), 부틸 글리시딜 에테르 (예를 들어, 레졸루션 퍼포먼스 프러덕츠로부터의 헬옥시TM 개질제 61), 크레실 글리시딜 에테르 (예를 들어, 레졸루션 퍼포먼스 프러덕츠로부터의 헬옥시TM 개질제 62), p-tert-부틸페닐 글리시딜 에테르 (예를 들어, 레졸루션 퍼포먼스 프러덕츠로부터의 헬옥시TM 개질제 65), 다작용성 글리시딜 에테르, 예컨대 1,4-부탄디올의 디글리시딜 에테르 (예를 들어, 레졸루션 퍼포먼스 프러덕츠로부터의 헬옥시 개질제 67), 네오펜틸 글리콜의 디글리시딜 에테르(예를 들어, 레졸루션 퍼포먼스 프러덕츠로부터의 헬옥시TM 개질제 68), 시클로헥산디메탄올의 디글리시딜 에테르(예를 들어, 레졸루션 퍼포먼스 프러덕츠로부터의 헬옥시TM 개질제 107), 트리메틸올 에탄 트리글리시딜 에테르 (예를 들어, 레졸루션 퍼포먼스 프러덕츠로부터의 헬옥시TM 개질제 44), 트리메틸올 프로판 트리글리시딜 에테르 (예를 들어, 레졸루션 퍼포먼스 프러덕츠로부터의 헬옥시TM 개질제 48), 지방족 폴리올의 폴리글리시딜 에테르(예를 들어, 레졸루션 퍼포먼스 프러덕츠로부터의 헬옥시TM 개질제 84), 폴리글리콜 디에폭시드(예를 들어, 레졸루션 퍼포먼스 프러덕츠로부터의 헬옥시TM 개질제 32), 비스페놀 F 에폭시드 (예를 들어, 에폰(EPON)TM 1138 또는 시바-가이기 코포레이션으로부터의 GY-281), 및 9,9-비스[4-(2,3-에폭시프로폭시)-페닐]플루오레논 (예를 들어, 레졸루션 퍼포먼스 프러덕츠로부터의 상표명 에폰TM 1079)을 포함한다.
다른 유용한 에폭시 수지는 글리시돌의 아크릴산 에스테르 (예컨대 글리시딜아크릴레이트 및 글리시딜메타크릴레이트)와 하나 이상의 공중합가능한 비닐 화합물의 공중합체를 포함한다. 이러한 공중합체의 예는 1:1 스티렌-글리시딜메타크릴레이트, 1:1 메틸메타크릴레이트-글리시딜아크릴레이트, 및 62.5:24:13.5 메틸메타크릴레이트-에틸 아크릴레이트-글리시딜메타크릴레이트이다. 다른 유용한 에폭시 수지가 알려져 있으며, 에피클로로히드린, 알킬렌 옥사이드(예를 들어, 프로필렌 옥사이드), 스티렌 옥사이드, 알케닐 옥사이드(예를 들어, 부타디엔 옥사이드) 및 글리시딜 에스테르(예를 들어, 에틸 글리시데이트)와 같은 에폭시드를 함유한다.
유용한 에폭시-작용성 중합체는 미국 특허 4,279,717호에 기재된 것과 같은 에폭시-작용성 실리콘을 포함하고, 이들은 제네랄 일렉트릭 컴퍼니(General Electric Company)로부터 통상적으로 입수가능하다. 이들은 1 내지 20몰%의 규소 원자가 에폭시알킬 기(바람직하게는, 미국 특허 5,753,346호에 기재된 것과 같은 에폭시 시클로헥실에틸)로 치환된 폴리디메틸실록산이다.
다양한 에폭시-함유 물질의 배합물이 또한 사용될 수 있다. 이러한 배합물은 에폭시-함유 화합물의 2 이상의 중량 평균 분자량 분포 (예컨대, 저 분자량(200 미만), 중간 분자량(약 200 내지 10,000) 및 고 분자량 (약 10,000 이상))를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 에폭시 수지는 상이한 화학 성질 (예컨대 지방족 및 방향족) 또는 작용기(예컨대 극성 및 비-극성)을 가진 에폭시-함유 물질의 배합물을 함유할 수 있다. 원한다면, 다른 양이온-반응성 중합체 (예컨대 비닐 에테르 등)가 추가로 혼입될 수 있다.
바람직한 에폭시는 방향족 글리시딜 에폭시 (예컨대, 레졸루션 퍼포먼스 프러덕츠로부터 입수가능한 에폰(EPON) 수지) 및 지환족 에폭시 (예컨대, 유니온 카바이드로부터 입수가능한 ERL 4221 및 ERL 4299)를 포함한다.
적절한 양이온-반응성 종은 또한 비닐 에테르 단량체, 올리고머 및 반응성 중합체 (예를 들어, 메틸 비닐 에테르, 에틸 비닐 에테르, t-부틸 비닐 에테르, 이소부틸 비닐 에테르, 트리에틸렌글리콜 디비닐 에테르(예를 들어, 미국 뉴저지주 웨인의 인터내셔날 스페셜티 프러덕츠로부터 입수가능한 라피-큐어(Rapi-Cure)TM DVE-3), 트리메틸올프로판 트리비닐 에테르(예를 들어, 미국 뉴저지주 마운트 올리브 BASF 코포레이션으로부터 입수가능한 TMPTVE), 및 얼라이드 시그날(Allied Signal)로부터의 벡토머(VECTOMER)TM 디비닐 에테르 수지 (예를 들어, 벡토머TM 2010, 벡토머TM 2020, 벡토머TM 4010 및 벡토머TM 4020 및 다른 제조업자로부터 입수가능한 균등물), 및 이들의 혼합물을 포함한다. 하나 이상의 비닐 에테르 수지 및/또는 하나 이상의 에폭시 수지의 배합물(임의 비율)이 또한 사용될 수 있다. 또한, 폴리히드록시-작용성 물질 (예컨대 미국 특허 5,856,373호(Kaisaki 등)에 기재된 것)이 에폭시- 및/또는 비닐 에테르-작용성 물질과 조합하여 사용될 수 있다.
비-경화성 종은 예를 들어 산- 또는 라디칼-유도 반응에 따라 용해도가 증가될 수 있는 반응성 중합체를 포함한다. 이러한 반응성 중합체는 예를 들어 광발생된 산에 의해 수용성 산 기로 전환될 수 있는 에스테르 기 함유 수 불용성 중합체 (예를 들어, 폴리(4-t-부톡시카르보닐옥시스티렌))를 포함한다. 비-경화성 종은 또한 문헌 [R.D.Allen, G.M.Wallraff, W.D.Hinsberg 및 L.L.Simpson "화학적으로 증폭된 포토레지스트 응용을 위한 고 성능 아크릴 중합체", J.Vac.Sci.Technol.B, 9, 3357 (1991)]에 기재된 화학적-증폭 포토레지스트를 포함한다. 화학적-증폭된 포토레지스트 개념은, 특히 서브-0.5마이크론 (또는 심지어 서브-0.2마이크론) 특징을 가진 마이크로칩 제조를 위해 널리 사용된다. 이러한 포토레지스트 체계에서, 방사선 조사에 의해 촉매 종 (전형적으로 수소 이온)이 발생될 수 있고, 이것은 화학 반응의 캐스캐이드를 유도한다. 이러한 캐스캐이드는, 수소 이온이 더 많은 수소 이온 또는 기타 산성 종을 발생시키는 반응을 개시시킬 때 일어나고, 이에 의해 반응 속도를 증폭시킨다. 전형적인 산-촉매 화학적-증폭 포토레지스트 체계의 예는 탈보호 (예를 들어, 미국 특허 4,491,628호에 기재된 것과 같은 t-부톡시카르보닐옥시스티렌 레지스트, 테트라히드로피란(THP) 메타크릴레이트-기재 물질, 미국 특허 3,779,778호에 기재된 것과 같은 THP-페놀 물질, 문헌 [R.D.Allen 등, Proc.SPIE 2438, 474 (1995)]에 기재된 것과 같은 t-부틸 메타크릴레이트-기재 물질 등); 해중합 (예를 들어 폴리프탈알데히드-기재 물질); 및 재배열(예를 들어, 피나콜 재배열을 기초로 한 물질)을 포함한다.
유용한 비-경화성 종들은 루코 염료를 포함하고, 이것은 다광자 광개시제 체계에 의해 발생된 산에 의해 산화될 때까지 무색이 되는 경향이 있으며, 일단 산화되면 눈에 보이는 색을 나타낸다. (산화된 염료는 전자기 스펙트럼의 가시 부분(약 400 내지 700nm)에서 빛의 흡광도에 의해 착색된다). 본 발명에서 유용한 루코 염료는, 중간 산화 조건하에서 반응성이거나 산화될 수 있지만, 일반적인 환경 조건하에서 산화될 정도로 반응성이 아닌 것이다. 영상 화학자에게 공지된 많은 화학 부류의 루코 염료가 존재한다.
본 발명에서 반응성 종으로서 유용한 루코 염료는 아크릴레이트화 루코 아진, 페녹사진 및 페노티아진을 포함하고, 부분적으로 하기 화학식으로 표시될 수 있다.
상기 식에서, X는 O, S 및 -N-R11으로부터 선택되고, S가 바람직하며;
R1 및 R2은 독립적으로 H 및 1 내지 약 4개 탄소 원자의 알킬 기로부터 선택되고; R3, R4, R6 및 R7은 독립적으로 H 및 1 내지 약 4개 탄소 원자의 알킬, 바람직하게는 메틸로부터 선택되고; R5은 1 내지 약 16개 탄소 원자의 알킬, 1 내지 약 16개 탄소 원자의 알콕시기 및 약 16개 이하의 탄소 원자의 아릴기로부터 선택되고; R8은 -N(R1)(R2), H, 1 내지 약 4개 탄소 원자의 알킬기 (여기에서, R1 및 R2은 독림적으로 상기 기재된 바와 같이 선택되고 정의된다)로부터 선택되고; R9 및 R10은 독립적으로 H 및 1 내지 약 4개 탄소 원자의 알킬기로부터 선택되고; R11은 1 내지 약 4개 탄소 원자의 알킬기 및 약 11개 이하의 탄소 원자의 아릴 기(바람직하게는 페닐기)로부터 선택된다. 하기 화합물은 이러한 유형의 루코 염료의 예이다.
다른 유용한 루코 염료는, 이에 한정되지 않지만, 루코 크리스탈 바이올렛 (4,4',4"-메틸리딘트리스-(N,N-디메틸아닐린)), 루코 말라카이트 그린 (p,p'-벤질리덴비스-(N,N-디메틸아닐린)), 하기 화학식을 가진 루코 아타크릴 오렌지-LGM (색지수 기본 오렌지 21, 화합물 번호 48035 (피셔의 염기 형 화합물),
하기 화학식을 가진 루코 아타크릴 브릴리언트 레드-4G (색지수 기본 레드 14)
하기 화학식을 가진 루코 아타크릴 옐로우-R (색지수 기본 옐로우 11, 화합물 번호 48055)
루코 에틸 바이올렛 (4,4',4"-메틸리딘트리스-(N,N-디에틸아닐린)), 루코 빅토리아 블루-BGO (색지수 기본 블루 728a, 화합물 번호 44040; 4,4'-메틸리딘비스-(N,N-디메틸아닐린)-4-(N-에틸-1-나프탈아민)), 및 루코아틀란틱 푹신 크루드 (LeucoAtlantic Fuchsine Crude) (4,4',4"-메틸리딘트리스-아닐린)을 포함한다.
루코 염료(들)은 일반적으로 광 감수성 층의 총 중량의 적어도 약 0.01중량% (바람직하게는, 적어도 약 0.3중량%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 1중량%, 가장 바람직하게는 적어도 약 2중량% 내지 10중량% 이상)의 수준으로 존재할 수 있다. 결합제, 가소제, 안정화제, 계면활성제, 대전방지제, 코팅 보조제, 윤활제, 충진제 등과 같은 다른 물질들이 광 감수성 층에 또한 존재할 수 있다.
원한다면, 상이한 유형의 반응성 종의 혼합물이 광반응성 조성물에서 사용될 수 있다. 예를들면, 자유 라디칼 반응성 종과 양이온-반응성 종의 혼합물, 경화성 종과 비-경화성 종의 혼합물 등이 또한 유용하다.
반도체 나노입자 양자 도트
본 발명의 조성물에서 다광자 감광제로서 사용될 수 있는 반도체 나노입자 양자 도트는, 2 이상의 광자의 흡수 (바람직하게는 동시 흡수)에 의해 도달될 수 있는 1 이상의 전자 여기 상태를 가진 것을 포함한다. 바람직하게는, 양자 도트는 실질적으로 반응성 종에 가용성 (즉, 실질적으로 비-응집성)이다. 바람직한 나노입자 양자 도트는 일반적으로 광반응성 조성물의 모든 성분들의 총 중량을 기준으로 하여 반응성 종에서 약 1.0중량% 초과 (바람직하게는 약 2.0% 초과; 더욱 바람직하게는 약 5.0% 초과)의 용해도를 나타낸다. 나노입자 양자 도트는 반응성 종에서 충분히 가용성이며, 광반응성 조성물은 사람의 눈으로 관찰할 때 광학적으로 투명하다.
적절한 나노입자 양자 도트는 일반적으로 약 1nm 내지 약 50nm의 평균 직경 범위이다. 바람직하게는, 나노입자 양자 도트는 적어도 약 1.5nm, 더욱 바람직하게는 적어도 약 2nm의 평균 직경을 갖는다. 나노입자 양자 도트는 바람직하게는 약 30nm 이하의 평균 직경; 더욱 바람직하게는 약 10nm 이하의 평균 직경이다. 경쟁적인 1-광자 흡수를 피하기 위하여, 상당히 좁은 크기 분포를 가진 나노입자 양자 도트가 바람직하다.
나노입자 양자 도트는 하나 이상의 반도체 물질을 포함할 수 있다. 유용한 반도체 물질은 예를 들어 II-VI 족 반도체 (예를 들어, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, MgTe 등), III-V 족 반도체 (예를 들어, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlAs, AlP, AlSb, AlS 등), IV 족 반도체 (예를 들어, Ge, Si 등), I-VII 족 반도체 (예를 들어, CuCl 등), 이들의 합금 및 이들의 혼합물 (예를 들어, 3원 및 4원 혼합물)을 포함한다. 바람직한 반도체 나노입자 양자 도트는 IV 족 또는 II-VI 족 반도체 (더욱 바람직하게는, II-VI 족 반도체, 가장 바람직하게는 아연 또는 카드뮴을 포함한 II-VI 족 반도체)를 포함한다.
유용한 반도체 나노입자 양자 도트는 반도체의 벌크 엑시톤 보어 반경 이하의 반경을 가진 바람직한 나노결정을 포함하고, 물질의 분자 및 벌크 형태 사이의 중간 물질의 부류를 이룬다. 양자 도트에서, 모든 3차원에서의 전자 및 홀의 양자 제한은, 입자 크기의 감소에 따라 반도체의 유효한 띠 간격을 증가시킨다. 결국, 입자 크기가 작아질수록, 입자의 흡수 경계 및 방출 파장 양쪽 모두가 더욱 높은 에너지로 변위된다 (그에 상응하여 전자 친화성이 저하되고 이온화 포텐셜이 증가된다). 입자의 효과적인 산화 및 환원 포텐셜을 조절하고(예를 들어 문헌 [Brus, J.Phys.Chem., 79:5566 (1983)] 참조), 광개시제 체계의 다른 성분들의 흡수 띠를 일치시키기 위한 입자의 방출 파장을 동조하기 위하여, 이러한 효과가 사용될 수 있다.
특히 바람직한 반도체 나노입자 양자 도트는 두번째 반도체 물질의 "쉘"에 의해 둘러싸인 하나 이상의 첫번째 반도체 물질의 "코어"를 포함한다 ("코어/쉘" 반도체 나노입자 양자 도트). 둘러싼 쉘 물질은 코어 물질과 근접한 원자 거리를 가진 것으로 선택될 수 있다. 향상된 발광이 요망될 때, 전자 및 홀 양쪽 모두가 코어 물질에 존재하는 것이 강력하게 선호되도록 코어/쉘 쌍의 띠 간격 및 띠 갈라짐을 선택할 수 있다. 전자-홀 쌍의 전하 분리의 높은 확률이 요망될 때, 전자가 쉘에 존재하고 홀이 코어에 존재하거나 그 역으로 되는 것이 강력하게 선호되도록 코어/쉘 쌍의 띠 간격 및 띠 갈라짐을 선택할 수 있다.
바람직하게는, 반응성 종에서 나노입자의 친화성 및 분산성을 돕기 위하여 반도체 나노입자 양자 도트의 표면의 적어도 일부 (이하, 반도체 나노입자 또는 간단히 나노입자)가 변형된다. 이러한 표면 변형은 당 기술분야에 공지된 다양한 상이한 방법에 의해 실행될 수 있다 (예를 들어, 문헌 [Bruchez 등, Science 281, 2013 (1998)] 및 [Weiss 등, 미국 특허 5,990,479]에 기재된 표면 변형 기술 참조).
일반적으로, 적절한 표면 처리제는 반응성 종에서 가용성을 제공하도록 선택된 1 이상의 잔기 (가용화 또는 안정화 잔기) 및 반도체 표면에 대한 친화성을 갖는 1 이상의 잔기 (연결 잔기)를 포함한다. 적절한 연결 잔기는 반도체 표면과의 상호작용을 위해 이용될 수 있는 1 이상의 전자 쌍을 포함하는 것 (예를 들어, 산소, 황, 질소 또는 인을 포함한 잔기)를 포함한다. 이러한 연결 잔기를 포함한 표면 처리제의 예는 아민, 티올, 포스핀, 아민 옥사이드, 포스핀 옥사이드 등을 포함한다. 이러한 연결 잔기들은 주로 연결 기의 질소, 황, 산소 또는 인 원자의 긴 전자 쌍의 배위 결합을 통하여 반도체 표면에 부착된다. 그러나, 상기 언급된 바와 같이, 다른 유형의 화학 결합 (예를 들어, 공유 결합 또는 이온 결합)을 통해 또는 물리적 상호작용을 통해 나노입자의 표면에 부착될 수 있는 연결 잔기를 포함하는 표면 처리제가 사용될 수도 있다.
표면 처리제(들)는 바람직하게는, 나노입자를 반응성 종에서 실질적으로 가용성으로 만들기에 충분하게 나노입자 표면의 적어도 일부를 변형시키는 양으로 사용된다. 얻어지는 나노입자들은 표면-부착되거나 표면-결합된 유기 기를 갖는다.
나노입자의 표면 원자와 유기 부동화 리간드와의 반응을 통한 표면 변형은, 반응성 종에서 나노입자의 용해도를 증진시킬 뿐만 아니라, 코어의 효과적으로 금지된 간격 내에 놓여있는 나노입자의 표면에서 에너지 수준을 제거하는 작용을 한다. 이러한 표면 에너지 상태는 반도체 물질의 발광 성질을 저하시킬 수 있는 전자 및 홀에 대한 트랩으로서 작용한다.
표준 콜로이드 화학을 기초로 한 습윤 화학 공정을 사용하여 반도체 나노입자(예를 들어, 규소 또는 게르마늄과 같은 단일원소 반도체 및 GaAs, InP, CdSe 또는 ZnS와 같은 화합물 반도체)를 합성할 수 있다. 일반적인 합성은, 반도체의 분자 전구체 (예를 들어, CdSe를 위한 Cd(CH3)2 및 (TMS)2Se)를, 성장을 조절하고 나노입자의 응집을 막는 작용을 할 수 있는 고온 배위 용매 (예를 들어, 아민 또는 포스핀) 내로 빠르게 첨가 (예를 들어, 주입에 의해)하는 것을 포함한다 (예를 들어, 문헌 [Murray 등, J.Am.Chem.Soc.115:8706 (1993)]참조). 전구체의 고 반응성 성질 및/또는 성장 나노입자의 산화를 막거나 최소화하는 측면에서, 불활성 대기(예를 들어, 질소 대기) 중에서 합성을 일반적으로 수행한다.
용액 중에서 전구체의 초기 농도가 높으면, 그 결과 반도체의 단분산 종자 핵이 일반적으로 형성된다. 전구체 농도가 핵형성 역치 미만으로 떨어질 때, 표면 상에 잔여 물질의 침착에 의해 나노입자가 성장한다. 전구체가 용액으로부터 소모될 때, 오스트왈드(Ostwald) 성숙 (더 작은 나노입자가 용해되면서 더욱 큰 나노입자가 성장한다; 이것은 온도를 증가시킴으로써 촉진될 수 있다)에 의해 또는 분자 전구체의 첨가에 의해 추가의 성장이 달성될 수 있다 (예를 들어, 문헌 [Peng 등, J.Am.Chem.Soc.120:5343 (1998)]참조). 열 첨가의 중단에 의해 성장 과정을 멈춤으로써 특정한 크기의 나노입자들이 수득될 수 있다.
비-용매를 사용한 침전에 의해 얻어진 나노입자들을 단리하고 정제할 수 있다. 합성에서 사용되는 표면 처리제(존재한다면)의 유형에 의존하여, 나노입자들을 각종 용매 및 매트릭스(예를 들어, 중합체)에 재-분산시킬 수 있다. 표면 처리제가 사용될 때, 원한다면 상이한 표면 처리제(예를 들어, 순수한 액체 표면 처리제 또는 농축된 표면 처리제 용액)를 함유하는 매질 내에 반도체 나노입자를 도입함으로써, 얻어지는 표면-부착 또는 표면-결합 기는 상이한 기로 부분적으로 또는 완전히 치환될 수 있다.
예를 들어 문헌 [Hines 등, J.Phys.Chem. 100:468 (1996)] 및 [Dabbousi 등, J.Phys.Chem B. 101: 9463 (1997)]에 의해 발전된 일반적인 방법에 의해 코어/쉘 나노입자를 합성할 수 있다. 반도체 나노입자 코어 (첫번째 반도체 물질 포함) 및 두번째 반도체 물질로 열적 전환될 수 있는 전구체를 배위 용매 내에 도입함으로써코어/쉘 나노입자의 성장이 달성될 수 있다. 전구체를 두번째 반도체 물질로 전환시키기에 충분하지만 반도체 나노입자 코어의 상당한 성장을 일으키기에 불충분한 온도에서 배위 용매를 유지시킬 수 있다. 두번째 반도체 물질의 쉘이 첫번째 반도체 물질의 코어 상에 형성된다. 두번째 반도체 물질로 열 전환할 수 있는 전구체의 양을 조정함으로써 쉘의 두께를 조절할 수 있다. 무기 쉘로 부동화된 입자는 일반적으로 유기-부동화 입자에 비해 다소 더욱 튼튼하고, 일반적으로 각종 매질 (예컨대, 본 발명의 광반응성 조성물에서 사용되는 반응성 종)로의 혼입을 위해 사용되는 처리 조건에 대해 다소 큰 내성을 갖는다.
적절한 반도체 나노입자를 제조하기 위한 다른 방법은 예를 들어 문헌[Murray 등, J.Am.Chem.Soc. 115, 8706 (1993); Katari 등, J.Phys.Chem.98, 4109 (1994); Peng 등, Chem.Eur.J.8 (#2), 335 (2002) 및 그의 참고문헌; Henglein 등, Chem.Rev. 89, 1861 (1989); Steigerwald 등, J.Am.Chem.Soc.111, 4141 (1989); Harrison 등, Adv.Mater.12 (#2), 123 (2000); Dabbousi 등, J.Phys.Chem.101, 9463 (1997); Peng 등, J.Am.Chem.Soc. 119, 7019 (1997); Hines 등, J.Phys.Chem.100, 468 (1996); Revaprasadu 등, Chem.Comm.1573 (1999); Hines 등, J.Phys.Chem.B 102, 3655 (1998); Nikesh 등, Semicond.Sci.Technol. 16. 687 (2001); Micic 등, J.Lum. 70, 95 (1996); Alivisatos 등, 미국 특허 5,505,928호; Micic 등, A.P.L. 75 (#4), 478 (1999); Guzelian 등, J.Phys.Chem. 100, 7212 (1996); Micic 등, J.Phys.Chem. 99, 7754 (1995); Guzelian 등, A.P.L. 69 (#10) 1432 (1996); Littau 등, J.Phys.Chem. 97, 1224 (1993); 및 Holmes 등, J.Am.Chem.Soc. 123, 3743 (2001)]에 기재된 것들을 포함한다.
광개시제 체계의 다른 성분들
1 이상의 반응-개시 종을 형성하기 위해 반도체 나노입자와 상호작용할 수 있는 조성물은 1-성분, 2-성분 또는 3-성분 체계일 수 있다. 하나의 적절한 1-성분 체계는, 반도체 나노입자의 상향-전환된 전자 방출 띠와 겹치는 전자 흡수 띠를 가진 1 이상의 1-광자 광개시제의 광화학적 유효량을 포함한다(즉, 반도체 나노입자에 의해 방출된 빛을 흡수할 수 있고 반응-개시 종을 발생시킬 수 있는 화합물). 이러한 화합물의 예는, 전자기 스펙트럼의 자외선 또는 가시 부분에서 파장을 가진 복사선에 노출될 때 자유 라디칼 공급원을 발생시키는 자유 라디칼 광개시제 및 산(양성자성 또는 루이스 산 포함)을 발생시키는 양이온성 광개시제를 포함한다.
유용한 자유-라디칼 광개시제는 아세토페논, 벤조페논, 아릴 글리옥살레이트, 아실포스핀 옥사이드, 벤조인 에테르, 벤질 케탈, 티옥산톤, 클로로알킬트리아진, 비스이미다졸, 트리아실이미다졸, 피릴륨 화합물, 술포늄 및 요오도늄 염, 메르캅토 화합물, 퀴논, 아조 화합물, 유기 퍼옥시드 및 이들의 혼합물을 포함한다. 이러한 광개시제의 일부 예는 예를 들어 미국 특허 4,735,632호 (3단, 26-47행 참조) 및 미국 특허 6,054,007호 (16단, 58행 내지 17단, 7행 참조)에 기재되어 있다.
유용한 양이온 광촉매는 오늄 양이온을 가진 메탈로센 염 및 금속 또는 메탈로이드의 할로겐-함유 착물 음이온을 포함한다. 다른 유용한 양이온 광개시제는 요오도늄 염 및 술포늄 염 뿐만 아니라 유기금속 착물 양이온 및 금속 또는 메탈로이드의 할로겐-함유 착물 음이온을 가진 메탈로센 염을 포함한다 (예를 들어 미국 특허 4,751,138호 (예를 들어 6단, 65행 내지 9단, 45행 참조) 및 5,238,744호 (10단, 12행 내지 11단, 3행 참조)에 더욱 기재됨). 광개시제의 혼합물이 또한 유용하다.
이러한 자유-라디칼 광개시제 및 양이온 광촉매 및 그의 제조 방법이 당 기술분야에 공지되어 있다. 다수가 상업적으로 입수가능하다.
다른 적절한 1-성분 체계는 전자 공여체 화합물 또는 대안적으로 전자 수용체 화합물을 포함한다. 하나의 적절한 2-성분 체계는 전자 공여체 화합물 및 전자 수용체 화합물을 둘다 포함한다.
다른 유용한 2-성분 및 3-성분 체계는 광화학적 유효량의 (1) 반도체 나노입자의 상향-전환 전자 방출 띠와 겹치는 전자 흡수 띠를 갖는 1 이상의 1-광자 감광제; 및 (2)(i) 1-광자 감광제와 상이하고 1-광자 감광제의 전자 여기 상태로 전자를 공여할 수 있는 1 이상의 전자 공여체 화합물 (바람직하게는, 0보다 크고 p-디메톡시벤젠의 포텐셜보다 작거나 같은 산화 포텐셜을 가진 전자 공여체 화합물); 및 (ii) 1-광자 감광제의 전자 여기 상태로부터 전자를 수용함으로써 감광화될 수 있고 그 결과 1 이상의 자유 라디칼 및/또는 산을 형성하는 1 이상의 광개시제 또는 전자 수용체 화합물 (바람직하게는, 요오도늄 염, 술포늄 염, 디아조늄 염, 아지늄 염, 클로로메틸화 트리아진 및 트리아릴이미다졸릴 이량체로 구성된 군에서 선택된 광개시제)의 하나 또는 양쪽을 포함한다.
(1) 1-광자 감광제
광반응성 조성물의 광개시제 체계에서 사용하기 위해 적절한 1-광자 감광제는, 반도체 나노입자의 1 이상의 상향-전환 전자 방출 띠와 겹치는 1 이상의 전자 흡수 띠를 갖는 것이다. 즉, 1-광자 감광제의 선택은 사용되는 반도체 나노입자의 특별한 유형에 어느 정도 의존된다. 나노입자 방출 및 감광제 흡수의 스펙트럼 중복은 나노입자의 크기를 조절함으로써 미세-동조될 수 있다. 그러나, 바람직한 반도체 나노입자가 일반적으로 이러한 파장의 빛을 방출하기 때문에, 1-광자 감광제는 바람직하게는 약 250 내지 약 800나노미터(더욱 바람직하게는, 약 350 내지 약 700나노미터, 더욱 바람직하게는 약 350 내지 약 600나노미터)의 파장 범위 내의 어느 곳에서 광 흡수가능한 것이다.
바람직하게는, 1-광자 감광제는, 반응성 종의 반응을 실질적으로 방해하고 (반응성 종이 액체라면) 반응성 종에서 가용성이거나 조성물에 포함된 반응성 종 및 결합제(이하 기재됨)와 상용성인 작용기를 실질적으로 갖지 않으며, 반도체 나노입자의 방출 최대값에서 큰 1-광자 흡수 계수 (약 100M-1 cm-1 초과)를 갖는다. 또한, 1-광자 감광제가 조사 파장에서 실질적으로 1-광자 흡수를 갖지 않는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는, 1-광자 감광제는 미국 특허 3,729,313호에 기재된 시험 절차를 사용하여, 1-광자 감광제(단일 광자 흡수 조건)의 단일 광자 흡수 스펙트럼에 겹치는 파장 범위에서 연속 조사하에 2-메틸-4,6-비스(트리클로로메틸)-s-트리아진을 감지할 수 있다. 통상적으로 입수가능한 물질을 사용하여, 다음과 같이 시험을 수행할 수 있다:
하기 조성을 가진 표준 시험 용액을 제조할 수 있다: 5.0부의 45,000 내지 55,000 분자량의 메탄올 중 9.0% 내지 13.0%의 히드록실 함량 폴리비닐 부티랄의 5%(중량/부피) 용액(부트바르 B76, 몬산토); 0.3부의 트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트; 및 0.03부의 2-메틸-4,6-비스(트리클로로메틸)-s-트리아진 (문헌[Bull.Chem.Soc.Japan, 42, 2924-2930 (1969)] 참조). 감광제로서 시험되어질 화합물 0.01부를 이 용액에 첨가할 수 있다. 이어서, 0.05mm의 나이프 구멍을 사용하여 얻어진 용액을 0.05mm 투명 폴리에스테르 필름 상에 나이프-코팅할 수 있고, 약 30분동안 코팅을 통풍 건조할 수 있다. 0.05mm 투명 폴리에스테르 커버 필름을, 최소의 공기 포획량으로 건조하지만 부드러운 점성 코팅 위에 조심스럽게 놓을 수 있다. 얻어진 샌드위치형 구조를 가시광 및 자외선 범위 양쪽 모두의 빛을 공급하는 텅스텐 광원(FCH 650 와트 석영-요오드 램프, 제네랄 일렉트릭)으로부터의 161,000 룩스의 입사광에 3분간 노출시킬 수 있다. 구조물에서의 노출 및 비노출 부위를 제공하기 위하여 스텐실을 통해 노출을 수행할 수 있다. 노출 후에 커버 필름을 제거할 수 있고, 제로그래피에서 통상적으로 사용되는 유형의 컬러 토너 분말과 같은 미세 분리된 착색 분말로 코팅을 처리할 수 있다. 처리된 화합물이 감광제라면, 트리메틸롤프로판 트리메타크릴레이트 단량체가 2-메틸-4,6-비스(트리클로로메틸)-s-트리아진으로부터의 빛-발생 자유 라디칼에 의하여 광-노출 부위에서 중합될 것이다. 중합된 부위가 필수적으로 점착성을 갖지 않기 때문에, 착색된 분말이 코팅의 점착성 비노출 부위에만 필수적으로 선택적으로 부착될 것이고, 스텐실에 있는 것에 상응하는 시각적 영상을 제공한다.
바람직하게는, 부분적으로 저장 안정성 고려사항을 기초로 하여 1-광자 감광제가 선택될 수 있다. 따라서, 특정한 감광제의 선택은 사용된 특별한 반응성 종 (뿐만 아니라 전자 공여체 화합물 및/또는 광개시제의 선택)에 어느 정도까지 의존될 수 있다.
적절한 1-광자 감광제는 하기 부류의 화합물을 포함하는 것으로 생각된다: 케톤, 코우마린 염료(예를 들어, 케토코우마린), 크산텐 염료, 아크리딘 염료, 티아졸 염료, 티아진 염료, 옥사진 염료, 아진 염료, 아미노케톤 염료, 포르피린, 방향족 다고리 탄화수소, p-치환 아미노스티릴 케톤 화합물, 아미노트리아릴 메탄, 메로시아닌, 스쿠아릴륨 염료, 시아닌 염료 및 피리디늄 염료. 크산텐 염료, 시아닌 염료, 케톤 (예를 들어, 모노케톤 또는 알파-디케톤), 케토코우마린, 아미노아릴케톤, 및 p-치환 아미노스티릴 케톤 화합물이 바람직한 감광제이다. 감광제의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 고 감도를 필요로 하는 응용을 위하여, 일반적으로 주롤리디닐 잔기를 함유하는 1-광자 감광제를 사용하는 것이 바람직하다.
케톤 감광제의 바람직한 부류는 하기 화학식으로 표시되는 것을 포함한다:
ACO(X)bB
상기 식에서, X는 CO 또는 CR1R2 (식중, R1 및 R2는 동일하거나 상이할 수 있고, 수소, 알킬, 알크아릴 또는 아르알킬일 수 있다)이고; b는 0이고; A 및 B는 동일하거나 상이할 수 있고 치환되거나 (하나 이상의 비-방해 치환기를 가짐) 또는 비치환된 아릴, 알킬, 알크아릴 또는 아르알킬 기일 수 있거나, 또는 A 및 B가 함께 치환되거나 비치환된 지환족, 방향족, 헤테로방향족 또는 융합된 방향족 고리일 수 있는 고리형 구조를 형성할 수 있다.
상기 화학식의 적절한 케톤은 모노케톤(b=0), 예컨대 2,2-, 4,4- 또는 2,4-디히드록시벤조페논, 디-2-피리딜 케톤, 디-2-푸라닐 케톤, 디-2-티오페닐 케톤, 벤조인, 플루오레논, 칼콘, 마이클러(Michler) 케톤, 2-플루오로-9-플루오레논, 2-클로로티옥산톤, 아세토페논, 벤조페논, 1- 또는 2-아세토나프톤, 9-아세틸안트라센, 2-, 3- 또는 9-아세틸페난트렌, 4-아세틸비페닐, 프로피오페논, n-부티로페논, 발레로페논, 2-, 3- 또는 4-아세틸피리딘, 3-아세틸코우마린 등을 포함한다. 적절한 디케톤은 아르알킬디케톤, 예컨대 안트라퀴논, 페난트렌퀴논, o-, m- 및 p-디아세틸벤젠, 1,3-, 1,4-, 1,5-, 1,6-, 1,7- 및 1,8-디아세틸나프탈렌, 1,5-, 1,8- 및 9,10-디아세틸안트라센 등을 포함한다. 적절한 알파-디케톤(b=1 및 x=CO)은 2,3-부탄디온, 2,3-펜탄디온, 2,3-헥산디온, 3,4-헥산디온, 2,3-헵탄디온, 3,4-헵탄디온, 2,3-옥탄디온, 4,5-옥탄디온, 벤질, 2,2'-, 3,3'- 및 4,4'-디히드록시벤질, 푸릴, 디-3,3'-인돌릴에탄디온, 2,3-보르난디온 (캄포르퀴논), 비아세틸, 1,2-시클로헥산디온, 1,2-나프타퀴논, 아세나프타퀴논 등을 포함한다.
바람직한 케토코우마린 및 p-치환된 아미노스티릴 케톤 화합물은 3-(p-디메틸아미노신나모일)-7-디메틸-아미노코우마린, 3-(p-디메틸아미노신나모일)-7-디메틸-아미노코우마린, 3-(p-디에틸아미노신나모일)-7-디메틸-아미노코우마린, 3-(p-디에틸아미노신나모일)-7-디메틸-아미노코우마린, 9'-주롤리딘-4-피페리디노아세토페논, 9'-주롤리딘-4-피페리디노아세토페논, 9-(4-디에틸아미노신나모일)-1,2,4,5-테트라히드로-3H,6H,10H[1]벤조피라노[6,7,8-i,j]퀴놀리진-10-온, 9-(4-디에틸아미노신나모일)-1,2,4,5-테트라히드로-3H,6H,10H[1]벤조피라노[6,7,8-i,j]퀴놀리진-10-온, 9-(4-디시아노에틸아미노신나모일)-1,2,4,5-테트라-히드로-3H,6H,10H[1]벤조피라노[6,7,8-i,j]-퀴놀리진-10-온, 9-(4-디시아노에틸아미노신나모일)-1,2,4,5-테트라히드로-3H,6H,10H[1]벤조피라노[6,7,8-i,j]-퀴놀리진-10-온, 2,3-비스(9'-주롤리딘)시클로펜타논, 2,3-비스(9'-주롤리딘)시클로펜타논, 9-에톡시카르보닐-1,2,4,5-테트라히드로-3H,6H,10H-[1]벤조피라노[6,7,8-i,j]퀴놀리진-10-온, 9-에톡시카르보닐-1,2,4,5-테트라히드로-3H,6H,10H-[1]벤조피라노[6,7,8-i,j]퀴놀리진-10-온, 2-(4'-디에틸아미노벤질리딘)-1-인다논, 2-(4'-디에틸아미노벤질리딘)-1-인다논, 9-아세틸-1,2,4,5-테트라히드로-3H,6H,10H[1]벤조-피라노[6,7,8-i,j]퀴놀리진-10-온, 9-아세틸-1,2,4,5-테트라히드로-3H,6H,10H[1]벤조피라노[6,7,8-i,j]퀴놀리진-10-온, 5,10-디에톡시-12,16,17-트리클로로비오란트렌 및 5,10-디에톡시-12,16,17-트리클로로비오란트렌 등을 포함한다.
특히 바람직한 1-광자 감광제는 로즈벵갈 (즉, 4,5,6,7-테트라클로로-2',4',5',7'-테트라요오도 플루오레세인 디소듐 염 (CAS 632-69-9)), 3-메틸-2-[(1E,3E)-3-(3-메틸-1,3-벤조티아졸-2(3H)-일리덴)프로프-1-에닐]-1,3-벤조티아졸-3-이움 요오다이드, 캄포르퀴논, 글리옥살, 비아세틸, 3,3,6,6-테트라메틸시클로헥산디온, 3,3,7,7-테트라메틸-1,2-시클로헵탄디온, 3,3,8,8-테트라메틸-1,2-시클로옥탄디온, 3,3,18,18-테트라메틸-1,2-시클로옥타데칸디온, 디피발로일, 벤질, 푸릴, 히드록시벤질, 2,3-부탄디온, 2,3-펜탄디온, 2,3-헥산디온, 3,4-헥산디온, 2,3-헵탄디온, 3,4-헵탄디온, 2,3-옥탄디온, 4,5-옥탄디온 및 1,2-시클로헥산디온을 포함한다.
(2) 전자 공여체 화합물
광반응성 조성물의 광개시제 체계에서 유용한 전자 공여체 화합물은, 1-광자 감광제의 전자 여기 상태 또는 반도체 나노입자의 전자 여기 상태로 전자를 공여할 수 있는 화합물 (1-광자 감광제 자체 이외의 것)이다. 이러한 화합물은 임의로 증가된 다광자 감광성을 제공하기 위해 사용될 수 있고, 이에 의해 광반응성 조성물의 광반응을 실행하기 위해 필요한 노출을 감소시킨다. 전자 공여체 화합물은 바람직하게는 0보다 크고 p-디메톡시벤젠의 포텐셜보다 작거나 같은 산화 포텐셜을 갖는다. 바람직하게는, 산화 포텐셜은 표준 포화 칼로멜 전극("S.C.E.")에 대비하여 0.3 내지 2볼트이다.
전자 공여체 화합물은 바람직하게는 반응성 종에 가용성이고, 저장 안정성 고려사항 (상기 기재됨)을 부분적으로 기초로 하여 선택된다. 적절한 공여체는 일반적으로 원하는 파장의 빛에 노출 시에 경화 속도 또는 광반응성 조성물의 영상 밀도를 증가시킬 수 있고, 바람직하게는 반도체 입자와의 바람직하지 못한 부반응을 촉매화하지 않는다.
양이온-반응성 종과의 작업 시에, 당업자라면 전자 공여체 화합물이 상당한 염기성을 갖는다면 양이온 반응에 역효과를 미칠 수 있다는 것을 이해할 것이다 [예를 들어, 미국 특허 6,025,406호(Oxman 등) 7단, 62행 내지 8단,49행의 내용 참조]. 이러한 단서는 반도체 입자의 선택 및/또는 표면 처리제의 선택에도 적용될 수 있다.
일반적으로, 특정한 1-광자 감광제, 반도체 나노입자 및 광개시제와 함께 사용하기에 적절한 전자 공여체 화합물은 3개 성분들의 산화 및 환원 포텐셜을 비교함으로써 선택될 수 있다 (예를 들어, 미국 특허 4,859,572호 (Farid 등)에 기재됨). 이러한 포텐셜은 실험적으로 측정될 수 있거나 (예를 들어, 문헌 [R.J.Cox, Photographic Sensitivity, 제15장, Academic Press (1973)]에 기재된 방법), 또는 문헌 [N.L.Weinburg, Ed., Technique of Electroorganic Synthesis Part II: Techniques of Chemistry, Vol.V (1975)] 및 [C.K.Mann 및 K.K.Barnes, Electrochemical Reactions in Nonaqueous Systems (1970)]과 같은 참고문헌으로부터 얻어질 수 있다. 포텐셜은 상대 에너지 관계를 반영하고, 전자 공여체 화합물 선택을 인도하기 위해 하기 방식으로 사용될 수 있다.
1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자가 전자 여기 상태로 있을 때, 1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자의 최고 점유 분자 오비탈(HOMO)의 전자가 더욱 높은 에너지 수준으로 올라가고 (다시말해서, 1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자의 가장 낮은 비점유 분자 오비탈(LUMO)), 초기에 점유된 분자 오비탈에 빈 자리가 남는다. 광개시제가 더욱 높은 에너지 오비탈로부터 전자를 수용할 수 있고, 특정한 상대 에너지 관계가 만족된다면 전자 공여체 화합물이 원래 점유된 오비탈의 빈자리를 채우기 위해 전자를 공여할 수 있다.
광개시제의 환원 포텐셜이 1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자의 포텐셜보다 덜 네가티브(또는 더욱 포지티브)라면, 이것이 발열 공정을 나타내기 때문에, 1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자의 더욱 높은 에너지 오비탈에 있는 전자가 1-광자 감광자 또는 반도체 나노입자로부터 광개시제의 가장 낮은 비점유 분자 오비탈(LUMO)로 쉽게 전달된다. 그 대신 공정이 약간 흡열성이라 하더라도 (즉, 1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자의 환원 포텐셜이 광개시제보다 0.1볼트 이하로 더 네가티브라 하더라도), 주위 열 활성화가 이러한 작은 장벽을 쉽게 극복할 수 있다.
유사한 방식으로, 전자 공여체 화합물의 산화 포텐셜이 1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자에 비하여 덜 포지티브(또는 더욱 네가티브)라면, 전자 공여체 화합물의 HOMO로부터 1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자의 오비탈 빈자리로 이동하는 전자가 더욱 높은 포텐셜로부터 더 낮은 포텐셜로 이동하고, 이것은 다시 발열 공정을 나타낸다. 공정이 약간 흡열성이라 하더라도 (즉, 1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자의 산화 포텐셜이 전자 공여체 화합물보다 0.1볼트 이하로 더 포지티브라 하더라도), 주위 열 활성화가 이러한 작은 장벽을 쉽게 극복할 수 있다.
광개시제 또는 전자 공여체 화합물이 여기 상태에서 1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자와 먼저 반응하는지의 여부에 무관하게, 1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자의 환원 포텐셜이 광개시제보다 0.1볼트 이하로 더욱 네가티브이거나, 또는 1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자의 산화 포텐셜이 전자 공여체 화합물보다 0.1볼트 이하로 더욱 포지티브인 약간의 흡열성 반응이 모든 경우에서 일어난다. 광개시제 또는 전자 공여체 화합물이 여기 상태에서 1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자와 반응할 때, 반응이 발열성이거나 단지 약간 흡열성인 것이 바람직하다. 광개시제 또는 전자 공여체 화합물이 1-광자 감광제 이온 라디칼과 반응할 때, 발열 반응이 여전히 바람직하지만, 많은 경우에서 더욱 더 흡열성 반응이 일어나는 것으로 기대될 수 있다. 즉, 1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자의 환원 포텐셜이 두번째 반응되는 광개시제의 포텐셜보다 0.2볼트(또는 그 이상)까지 더욱 네가티브일 수 있거나, 또는 1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자의 산화 포텐셜이 두번째 반응될 전자 공여체 화합물의 포텐셜보다 0.2볼트(또는 그 이상)까지 더욱 포지티브일 수 있다.
적절한 전자 공여체 화합물은 예를 들어 문헌[D.F.Eaton, Advances in Photochemistry, B.Voman 등 발행, Vol.13, 427-488면, John Wiley and Sons, New York (1986)]; [Oxman 등, 미국 특허 6,025,406호, 7단 42-61행]; 및 [Palazzotto 등, 미국 특허 5,545,676호, 4단, 14행 내지 5단, 18행]에 기재된 것을 포함한다. 이러한 전자 공여체 화합물은 아민 (트리에탄올아민, 히드라진, 1,4-디아자비시클로[2.2.2]옥탄, 트리페닐아민 (및 그의 트리페닐포스핀 및 트리페틸아르신 유사체), 아미노알데히드, 및 아미노실란), 아미드(포스포르아미드 포함), 에테르(티오에테르 포함), 우레아(티오우레아 포함), 술핀산 및 그의 염, 페로시아나이드의 염, 아스코르브산 및 그의 염, 디티오카르밤산 및 그의 염, 크산테이트의 염, 에틸렌 디아민 테트라아세트산의 염, (알킬)n(아릴)m보레이트의 염 (n+m=4) (테트라알킬암모늄 염이 바람직하다), 각종 유기금속 화합물, 예컨대 SnR4 화합물 (여기에서, 각각의 R은 알킬, 아르알킬(특히, 벤질), 아릴 및 알크아릴 기로부터 독립적으로 선택됨) (예를 들어, n-C3H7Sn(CH3)3, (알릴)Sn(CH3)3 및 (벤질)Sn(n-C3H7)3과 같은 화합물), 페로센 등 및 이들의 혼합물을 포함한다. 전자 공여체 화합물은 비치환될 수 있거나, 또는 하나 이상의 비-방해 치환기로 치환될 수 있다. 특히 바람직한 전자 공여체 화합물은 전자 공여체 원자 (예컨대, 질소, 산소, 인 또는 황 원자) 및 전자 공여체 원자에 대해 알파 탄소 또는 규소 원자에 결합된 추출가능한 수소 원자를 함유한다.
바람직한 아민 전자 공여체 화합물은 알킬-, 아릴-, 알크아릴- 및 아르알킬-아민 (예를 들어, 메틸아민, 에틸아민, 프로필아민, 부틸아민, 트리에탄올아민, 아밀아민, 헥실아민, 2,4-디메틸아닐린, 2,3-디메틸아닐린, o-, m- 및 p-톨루이딘, 벤질아민, 아미노피리딘, N,N'-디메틸에틸렌디아민, N,N'-디에틸에틸렌디아민, N,N'-디벤질에틸렌디아민, N,N'-디에틸-1,3-프로판디아민, N,N'-디에틸-2-부텐-1,4-디아민, N,N'-디메틸-1,6-헥산디아민, 피페라진, 4,4'-트리메틸렌디피페리딘, 4,4'-에틸렌디피페리딘, p-N,N-디메틸-아미노펜에탄올 및 p-N-디메틸아미노벤조니트릴); 아미노알데히드 (예를 들어, p-N,N-디메틸아미노벤즈알데히드, p-N,N-디에틸아미노벤즈알데히드, 9-주롤리딘 카르복스알데히드, 및 4-모르폴리노벤즈알데히드); 및 아미노실란 (예를 들어, 트리메틸실릴모르폴린, 트리메틸실릴피페리딘, 비스(디메틸아미노)디페닐실란, 트리스(디메틸아미노)메틸실란, N,N-디에틸아미노트리메틸실란, 트리스(디메틸아미노)페닐실란, 트리스(메틸실릴)아민, 트리스(디메틸실릴)아민, 비스(디메틸실릴)아민, N,N-비스(디메틸실릴)아닐린, N-페닐-N-디메틸실릴아닐린, 및 N,N-디메틸-N-디메틸실릴아민); 및 이들의 혼합물을 포함한다. 3급 방향족 알킬아민, 특히 방향족 고리 위에 1 이상의 전자-제거 기를 갖는 것은 특히 양호한 저장 안정성을 제공하는 것으로 밝혀졌다.
바람직한 아미드 전자 공여체 화합물은 N,N-디메틸아세트아미드, N,N-디에틸아세트아미드, N-메틸-N-페닐아세트아미드, 헥사메틸포스포르아미드, 헥사에틸포스포르아미드, 헥사프로필포스포르아미드, 트리모르폴리노포스핀 옥사이드, 트리피페리디노포스핀 옥사이드 및 이들의 혼합물을 포함한다.
바람직한 알킬아릴보레이트 염은
Ar3B(n-C4H9)-N(C2H5)4 +
Ar3B(n-C4H9)-N(CH3)4 +
Ar3B(n-C4H9)-N(n-C4H9)4 +
Ar3B(n-C4H9)-Li+
Ar3B(n-C4H9)-N(C6H13)4 +
Ar3B(C4H9)-N(CH3)3(CH2)2CO2(CH2)2CH3 +
Ar3B(C4H9)-N(CH3)3(CH2)2OCO(CH2)2CH3 +
Ar3B(sec-C4H9)-N(CH3)3(CH2)2CO2(CH2)2CH3 +
Ar3B(sec-C4H9)-N(C6H13)4 +
Ar3B(C4H9)-N(C8H17)4 +
Ar3B(C4H9)-N(CH3)4 +
(p-CH3O-C6H4)3B(n-C4H9)-N(n-C4H9)4 +
Ar3B(C4H9)-N(CH3)3(CH2)2OH+
ArB(n-C4H9)3 -N(CH3)4 +
ArB(C2H5)3 -N(CH3)4 +
Ar2B(n-C4H9)2 -N(CH3)4 +
Ar3B(C4H9)-N(C4H9)4 +
Ar4B-N(C4H9)4 +
ArB(CH3)3 -N(CH3)4 +
(n-C4H9)4B-N(CH3)4 +
Ar3B(C4H9)-P(C4H9)4 +
(상기 식에서, Ar은 페닐, 나프틸, 치환(바람직하게는 플루오로-치환)페닐, 치환된 나프틸, 및 다수의 융합된 방향족 고리를 가진 유사한 기) 뿐만 아니라 테트라메틸암모늄 n-부틸트리페닐보레이트 및 테트라부틸암모늄 n-헥실-트리스(3-플루오로페닐)보레이트 (시바 스페셜티 케미칼스 코포레이션으로부터 CGI 437 및 CGI 746으로 입수가능함) 및 이들의 혼합물을 포함한다.
적절한 에테르 전자 공여체 화합물은 4,4'-디메톡시비페닐, 1,2,4-트리메톡시벤젠, 1,2,4,5-테트라메톡시벤젠 등 및 이들의 혼합물을 포함한다. 적절한 우레아 전자 공여체 화합물은 N,N'-디메틸우레아, N,N-디메틸우레아, N,N'-디페닐우레아, 테트라메틸티오우레아, 테트라에틸티오우레아, 테트라-n-부틸티오우레아, N,N-디-n-부틸티오우레아, N,N'-디-n-부틸티오우레아, N,N-디페닐티오우레아, N,N'-디페닐-N,N'-디에틸티오우레아 등 및 이들의 혼합물을 포함한다.
자유 라디칼-유도 반응을 위해 바람직한 전자 공여체 화합물은 하나 이상의 주롤리디닐 잔기를 함유하는 아민, 알킬아릴보레이트 염, 및 방향족 술핀산의 염을 포함한다. 그러나, 이러한 반응을 위하여, 원한다면 전자 공여체 화합물이 또한 생략될 수 있다 (예를 들어, 광반응성 조성물의 저장 안정성을 향상시키거나 해상도, 대비 및 상호관계를 개선시키기 위하여). 산-유도 반응을 위해 바람직한 전자 공여체 화합물은 4-디메틸아미노벤조산, 에틸 4-디메틸아미노벤조에이트, 3-디메틸아미노벤조산, 4-디메틸아미노벤조인, 4-디메틸아미노벤즈알데히드, 4-디메틸아미노벤조니트릴, 4-디메틸아미노펜에틸 알콜 및 1,2,4-트리메톡시벤젠을 포함한다.
(3) 2-성분 및 3-성분 체계를 위한 광개시제
광반응성 조성물의 반응성 종을 위해 적절한 광개시제 (즉, 전자 수용체 화합물)는, 1-광자 감광제 또는 반도체 나노입자의 전자 여기 상태로부터 전자를 수용함으로써 감광화될 수 있고 그 결과 1 이상의 자유 라디칼 및/또는 산이 형성되는 것을 포함한다. 이러한 광개시제는 요오도늄 염(예를 들어, 디아릴요오도늄 염), 클로로메틸화 트리아진 (예를 들어, 2-메틸-4,6-비스(트리클로로메틸)-s-트리아진, 2,4,6-트리스(트리클로로메틸)-s-트리아진, 및 2-아릴-4,6-비스(트리클로로메틸)-s-트리아진), 디아조늄 염 (예를 들어, 알킬, 알콕시, 할로 또는 니트로와 같은 기로 임의로 치환된 페닐디아조늄 염), 술포늄 염(예를 들어, 알킬 또는 알콕시 기로 임의로 치환되고 임의로 인접한 아릴 잔기에 다리 걸친 2,2'-옥시기를 갖는 트리아릴술포늄 염), 아지늄 염(예를 들어, N-알콕시피리디늄 염) 및 트리아릴이미다졸릴 이량체 (바람직하게는, 2,4,5-트리페닐이미다졸릴 이량체, 예컨대 알킬, 알콕시 또는 할로와 같은 기로 임의로 치환된 2,2', 4,4', 5,5'-테트라페닐-1,1'-비이미다졸) 등 및 이들의 혼합물을 포함한다.
광개시제는 바람직하게는 반응성 종에 가용성이고, 바람직하게는 저장-안정성이다 (즉, 감광제 및 전자 공여체 화합물의 존재하에서 그 안에 용해될 때 반응성 종의 반응을 자발적으로 촉진하지 않는다). 따라서, 특정한 광개시제의 선택은 상기 기재된 바와 같이 특정한 반응성 종, 반도체 나노입자, 감광제 및 선택된 전자 공여체 화합물에 어느 정도까지 의존될 수 있다. 반응성 종이 산-개시 화학 반응을 겪을 수 있다면, 광개시제가 오늄 염 (예를 들어, 요오도늄, 술포늄 또는 디아조늄 염)이다.
적절한 요오도늄 염은 미국 특허 5,545,676호 (Palazzotto 등)의 2단, 28행 내지 46행에 기재된 것을 포함한다. 적절한 요오도늄 염은 미국 특허 3,729,313호, 3,741,769호, 3,808,006호, 4,250,053호 및 4,394,403호에 기재되어 있다. 요오도늄 염은 단순 염 (예를 들어, Cl-, Br-, I- 또는 C4H5SO3 -와 같은 음이온 함유) 또는 금속 착물 염 (예를 들어, SbF6 -, PF6 -, BF4 -, 테트라키스(퍼플루오로페닐)보레이트, SbF5OH- 또는 AsF6 - 함유)일 수 있다. 원한다면, 요오도늄 염의 혼합물이 사용될 수 있다.
유용한 방향족 요오도늄 착물 염 광개시제의 예는 디페닐요오도늄 테트라플루오로보레이트; 디(4-메틸페닐)요오도늄 테트라플루오로보레이트; 페닐-4-메틸페닐요오도늄 테트라플루오로보레이트; 디(4-헵틸페닐)요오도늄 테트라플루오로보레이트; 디(3-니트로페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(4-클로로페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(나프틸)요오도늄 테트라플루오로보레이트; 디(4-트리플루오로메틸페닐)요오도늄 테트라플루오로보레이트; 디페닐요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(4-메틸페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디페닐요오도늄 헥사플루오로아르세네이트; 디(4-페녹시페닐)요오도늄 테트라플루오로보레이트; 페닐-2-티에틸요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 3,5-디메틸피라졸릴-4-페닐요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디페닐요오도늄 헥사플루오로안티모네이트; 2,2'-디페닐요오도늄 테트라플루오로보레이트; 디(2,4-디클로로페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(4-브로모페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(4-메톡시페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(3-카르복시페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(3-메톡시카르보닐페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(3-메톡시술포닐페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(4-아세트아미도페닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 디(2-벤조티에닐)요오도늄 헥사플루오로포스페이트; 및 디페닐요오도늄 헥사플루오로안티모네이트 등; 및 이들의 혼합물을 포함한다. 방향족 요오도늄 착물 염은 문헌 [Beringer 등, J.Am.Chem.Soc., 81, 342 (1959)]의 교시내용에 따라서 상응하는 방향족 요오도늄 단순 염(예를 들어, 디페닐요오도늄 비설페이트)의 복분해에 의해 제조될 수 있다.
바람직한 요오도늄 염은 디페닐요오도늄 염 (예를 들어, 디페닐요오도늄 클로라이드, 디페닐요오도늄 헥사플루오로포스페이트 및 디페닐요오도늄 테트라플루오로보레이트), 디아릴요오도늄 헥사플루오로안티모네이트 (예를 들어, 사르토머 컴퍼니로부터 입수가능한 사르캣 SR 1012) 및 이들의 혼합물을 포함한다.
유용한 클로로메틸화 트리아진은 2,4-비스(트리클로로메틸)-6-메틸-s-트리아진, 2,4,6-트리스(트리클로로메틸)-s-트리아진을 포함하여 미국 특허 3,779,778호(Smith 등) 8단, 45-50행에 기재된 것 및 미국 특허 3,987,037호 및 3,954,475호(Bonham 등)에 개시된 더욱 바람직한 크로모포르-치환된 비닐할로메틸-s-트리아진을 포함한다.
유용한 디아조늄 염은 미국 특허 4,394,433호(Gatzke)에 기재된 것을 포함하고, 이것은 외부 디아조늄 기(-N+=N) 및 그것과 결합된 음이온 (예를 들어, 클로라이드, 트리-이소프로필 나프탈렌 술포네이트, 테트라플루오로보레이트 및 비스(퍼플루오로알킬술포닐)메티드)를 가진 광 감수성 방향족 잔기 (예를 들어, 피롤리딘, 모르폴린, 아닐린 및 디페닐 아민)를 포함한다. 유용한 디아조늄 양이온의 예는 1-디아조-4-아닐리노벤젠, N-(4-디아조-2,4-디메톡시 페닐)피롤리딘, 1-디아조-2,4-디에톡시-4-모르폴리노 벤젠, 1-디아조-4-벤조일 아미노-2,5-디에톡시 벤젠, 4-디아조-2,5-디부톡시 페닐 모르폴리노, 4-디아조-1-디메틸 아닐린, 1-디아조-N,N-디메틸아닐린, 1-디아조-4-N-메틸-N-히드록시에틸 아닐린 등을 포함한다.
유용한 술포늄 염은 미국 특허 4,250,053호 (Smith) 1단, 66행 내지 4단, 2행에 기재된 것을 포함하고, 이것은 하기 화학식으로 표시될 수 있다.
또는
상기 식에서, R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 약 4 내지 약 20개 탄소 원자를 가진 방향족 기 (예를 들어, 치환 또는 비치환 페닐, 나프틸, 티에닐 및 푸라닐, 여기에서 치환은 알콕시, 알킬티오, 아릴티오, 할로겐, 아릴술포늄 등과 같은 기로 이루어질 수 있다) 및 1 내지 약 20개 탄소 원자를 가진 알킬 기로부터 선택된다. 여기에서 사용된 용어 "알킬"은 치환된 알킬 (예를 들어, 할로겐, 히드록시, 알콕시 또는 아릴과 같은 기로 치환됨)을 포함한다. R1, R2 및 R3의 적어도 하나는 방향족이고, 바람직하게는 각각 독립적으로 방향족이다. Z은 공유 결합, 산소, 황, -S(=O)-, -C(=O)-, -(O=)S(=O)-, 및 -N(R)-로 구성된 군에서 선택되고, 여기에서 R은 아릴 (약 6 내지 약 20개 탄소 원자, 예컨대 페닐), 아실 (약 2 내지 약 20개 탄소 원자, 예컨대 아세틸, 벤조일 등), 탄소-대-탄소 결합, 또는 -(R4-)C(-R5)- (식중, R4 및 R5은 독립적으로 수소, 1 내지 약 4개 탄소 원자의 알킬 기, 및 약 2 내지 약 4개 탄소 원자의 알케닐기로 구성된 군에서 선택된다)이다. X-는 이하 기재된 바와 같이 음이온이다.
술포늄 염(및 다른 유형의 광개시제)에 대해 적절한 음이온 X-는 각종 음이온 유형, 예를 들어 이미드, 메티드, 붕소-중심, 인-중심, 안티몬-중심, 비소-중심 및 알루미늄-중심 음이온을 포함한다.
적절한 이미드 및 메티드 음이온의 예증적이지만 비-제한적 예는 (C2F5SO2)2N-, (C4F9SO2)2N-, (C8F17SO2)3N-, (CF3SO2)3C-, (CF3SO2)2N-, (C4F9SO2)3C-, (CF3SO2)2(C4F9SO2)C-, (CF3SO2)(C4F9SO2)N-, ((CF3)2NC2F4SO2)2N-, (CF3)2NC2F4SO2C-(SO2CF3)2, (3,5-비스(CF3)C6H3)SO2N-SO2CF3, C6H5SO2C-(SO2CF3)2, C6H5SO2N-SO2CF3 등을 포함한다. 이러한 유형의 바람직한 음이온은 화학식 (RfSO2)3C- (식중, Rf은 1 내지 약 4개 탄소 원자를 가진 퍼플루오로알킬 라디칼이다)로 표시되는 것을 포함한다.
적절한 붕소-중심 음이온의 예증적이지만 비-제한적인 예는 F4B-, (3,5-비스(CF3)C6H3)4B-, (C6F5)4B-, (p-CF3C6H4)4B-, (m-CF3C6H4)4B-, (p-FC6H4)4B-, (C6F5)3(CH3)B-, (C6F5)3(n-C4H9)B-, (p-CH3C6H4)3(C6F5)B-, (C6F5)3FB-, (C6H5)3(C6F5)B-, (CH3)2(p-CF3C6H4)2B-, (C6F5)3(n-C18H37O)B- 등을 포함한다. 바람직한 붕소-중심 음이온은 일반적으로 붕소에 부착된 3 또는 그 이상의 할로겐-치환 방향족 탄화수소 라디칼을 함유하고, 불소가 가장 바람직한 할로겐이다. 바람직한 음이온의 예증적이지만 비-제한적 예는 (3,5-비스(CF3)C6H3)4B-, (C6F5)4B-, (C6F5)3(n-C4H9)B-, (C6F5)3FB- 및 (C6F5)3(CH3)B-를 포함한다.
다른 금속 또는 메탈로이드 중심을 함유하는 적절한 음이온은 예를 들어 (3,5-비스(CF3)C6H3)4Al-, (C6F5)4Al-, (C6F5)2F4P-, (C6F5)F5P-, F6P-, (C6F5)F5Sb-, F6Sb-, (HO)F5Sb- 및 F6As-를 포함한다. 다른 유용한 붕소-중심 비친핵성 염 뿐만 아니라, (상기 화학식으로부터) 다른 금속 또는 메탈로이드를 함유하는 다른 유용한 음이온이 당업자에게 쉽게 이해되기 때문에, 상기 목록이 완전한 것으로 해석되지 않는다.
바람직하게는, 음이온 X-는 테트라플루오로보레이트, 헥사플루오로포스페이트, 헥사플루오로아르세네이트, 헥사플루오로안티모네이트 및 히드록시펜타플루오로안티모네이트 (예를 들어, 에폭시 수지와 같은 양이온성-반응성 종과 함께 사용하기 위해)로부터 선택된다.
적절한 술포늄 염 광개시제의 예는 다음을 포함한다:
트리페닐술포늄 테트라플루오로보레이트
메틸디페닐술포늄 테트라플루오로보레이트
디메틸페닐술포늄 헥사플루오로포스페이트
트리페닐술포늄 헥사플루오로포스페이트
트리페닐술포늄 헥사플루오로안티모네이트
디페닐나프틸술포늄 헥사플루오로아르세네이트
트리톨릴술포늄 헥사플루오로포스페이트
아니실디페닐술포늄 헥사플루오로안티모네이트
4-부톡시페닐디페닐술포늄 테트라플루오로보레이트
4-클로로페닐디페닐술포늄 헥사플루오로포스페이트
트리(4-페녹시페닐)술포늄 헥사플루오로포스페이트
디(4-에톡시페닐)메틸술포늄 헥사플루오로아르세네이트
4-아세토닐페닐디페닐술포늄 테트라플루오로보레이트
4-티오메톡시페닐디페닐술포늄 헥사플루오로포스페이트
디(메톡시술포닐페닐)메틸술포늄 헥사플루오로안티모네이트
디(니트로페닐)페닐술포늄 헥사플루오로안티모네이트
디(카르보메톡시페닐)메틸술포늄 헥사플루오로포스페이트
4-아세트아미도페닐디페닐술포늄 테트라플루오로보레이트
디메틸나프틸술포늄 헥사플루오로포스페이트
트리플루오로메틸디페닐술포늄 테트라플루오로보레이트
p-(페닐티오페닐)디페닐술포늄 헥사플루오로안티모네이트
p-(페닐티오페닐)디페닐술포늄 헥사플루오로포스페이트
디-[p-(페닐티오페닐)]페닐술포늄 헥사플루오로안티모네이트
디-[p-(페닐티오페닐)]페닐술포늄 헥사플루오로포스페이트
4,4'-비스(디페닐술포늄)디페닐술파이드 비스(헥사플루오로안티모네이트)
4,4'-비스(디페닐술포늄)디페닐술파이드 비스(헥사플루오로포스페이트)
10-메틸페녹산테늄 헥사플루오로포스페이트
5-메틸티안트레늄 헥사플루오로포스페이트
10-페닐-9,9-디메틸티옥산테늄 헥사플루오로포스페이트
10-페닐-9-옥소티옥산트레늄 테트라플루오로보레이트
5-메틸-10-옥소티안트레늄 테트라플루오로보레이트
5-메틸-10,10-디옥소티안트레늄 헥사플루오로포스페이트
및 이들의 혼합물.
바람직한 술포늄 염은 트리아릴-치환된 염, 예컨대 혼합된 트리아릴술포늄 헥사플루오로안티모네이트 (예를 들어, 다우 케미칼 컴퍼니로부터 입수가능한 UVI-6974), 혼합된 트리아릴술포늄 헥사플루오로포스페이트(예를 들어 다우 케미칼 컴퍼니로부터 입수가능한 UVI-6990), 및 아릴술포늄 헥사플루오로포스페이트 염 (예를 들어, 사르토머 컴퍼니로부터 입수가능한 사르캣TM KI85)를 포함한다.
유용한 아지늄 염은 미국 특허 4,859,572호 (Farid 등) 8단, 51행 내지 9단, 46행에 기재된 것을 포함하며, 이것은 아지늄 잔기, 예컨대 피리디늄, 디아지늄 또는 트리아지늄 잔기를 포함한다. 아지늄 잔기는 아지늄 고리와 융합된 하나 이상의 방향족 고리, 전형적으로 탄소고리 방향족 고리 (예를 들어 퀴놀리늄, 이소퀴놀리늄, 벤조디아지늄 및 나프토디아조늄 잔기)를 포함할 수 있다. 아지늄 고리 내의 질소 원자의 4급화 치환기는 1-광자 감광제의 전자 여기 상태로부터 아지늄 광개시제로의 전자 전달 시에 자유 라디칼로서 방출될 수 있다. 하나의 바람직한 형태에서, 4급화 치환기는 옥시 치환기이다. 옥시 치환기 -O-T 는 아지늄 잔기의 고리 질소 원자를 4급화하고, 각종 합성적으로 편리한 옥시 치환기로부터 선택될 수 있다. 잔기 T는 예를 들어 알킬 라디칼, 예컨대 메틸, 에틸, 부틸 등일 수 있다. 알킬 라디칼이 치환될 수 있다. 예를 들어, 아르알킬(예를 들어, 벤질 및 펜에틸) 및 술포알킬 (예를 들어, 술포메틸) 라디칼이 유용할 수 있다. 다른 형태에서, T는 아실 라디칼, 예컨대 -OC(O)-T1 라디칼 (식중, T1는 상기 기재된 것과 같은 각종 알킬 및 아르알킬 라디칼의 어느 것일 수 있다)일 수 있다. 또한, T1는 아릴 라디칼, 예컨대 페닐 또는 나프틸일 수 있다. 아릴 라디칼이 다시 치환될 수 있다. 예를 들어, T1는 톨릴 또는 크실릴 라디칼일 수 있다. T는 전형적으로 1 내지 약 18개 탄소 원자를 함유하고, 각각의 경우에 알킬 잔기는 바람직하게는 저급 알킬 잔기이고, 각각의 경우에 아릴 잔기는 바람직하게는 약 6 내지 약 10개 탄소 원자를 함유한다. 옥시 치환기 -O-T가 1 또는 2개 탄소 원자를 함유할 때 최고 활성 수준이 실현되었다. 아지늄 핵은 4급화 치환기 이외의 치환기를 포함할 필요가 없다. 그러나, 다른 치환기의 존재는 이러한 광개시제의 활성에 해를 끼치지 않는다.
유용한 트리아릴이미다졸릴 이량체는 미국 특허 4,963,471호 (Trout 등) 8단, 18-28행에 기재된 것을 포함한다. 이러한 이량체는 예를 들어 2-(o-클로로페닐)-4,5-비스(m-메톡시페닐)-1,1'-비이미다졸; 2,2'-비스(o-클로로페닐)-4,4',5,5'-테트라페닐-1,1'-비이미다졸; 및 2,5-비스(o-클로로페닐)-4-[3,4-디메톡시페닐]-1,1'-비이미다졸을 포함한다.
바람직한 광개시제는 요오도늄 염(더욱 바람직하게는, 아릴요오도늄 염), 클로로메틸화 트리아진, 트리아릴이미다졸릴 이량체 (더욱 바람직하게는, 2,4,5-트리페닐이미다졸릴 이량체), 술포늄 염, 및 디아조늄 염을 포함한다. 더욱 바람직한 것은 아릴요오도늄 염, 클로로메틸화 트리아진, 및 2,4,5-트리페닐이미다졸릴 이량체(아릴요오도늄 염 및 트리아진이 가장 바람직하다)이다.
원한다면, 반응-개시 종을 발생시키는 가능성을 증진시키기 위하여 광개시제, 1-광자 감광제, 전자 수용체 및/또는 전자 공여체가 반도체 나노입자의 표면에 물리적으로 또는 화학적으로(바람직하게는, 화학적으로 결합) 부착될 수 있다. 광개시제, 1-광자 감광제, 전자 수용체, 전자 공여체, 및/또는 반도체 나노입자의 전자 구조에 상당한 영향을 미치지 않는 연결 잔기를 포함하는 결합제를 사용함으로써 이러한 부착이 실행될 수 있다. 바람직하게는, 결합제는 1 이상의 4배위 탄소 원자를 포함한다. 유용한 결합제의 예는 상기 기재된 표면 처리제 등 뿐만 아니라 미국 특허 4,954,416호 (Wright 등)에 기재된 결합제를 포함한다.
광반응성 조성물의 제조
반응성 종, 반도체 나노입자, 1-광자 감광제, 전자 공여체 화합물 및 광개시제 (또는 전자 수용체 화합물)은 상기 기재된 방법 또는 당 기술분야에 공지된 기타 방법에 의하여 제조될 수 있고 다수가 상업적으로 입수가능하다. 때로는 광개시제를 마지막에 (그리고, 다른 성분들의 용해를 촉진하기 위해 임의로 사용되는 가열 단계 후에) 첨가하는 것이 바람직하긴 하지만 (저장 수명 및 열 안정성 관점으로부터), 이러한 성분들을 임의의 조합 순서 및 조합 방식으로 (임의로, 교반 또는 진탕 하에) "안전한 빛" 조건하에서 조합할 수 있다. 또한, 나노입자들이 가장 잘 용해되는 광반응성 조성물을 최고 점도 성분에 반도체 나노입자를 먼저 첨가하고, 나노입자가 완전히 분산될 때까지 얻어진 조합을 혼합한 다음, 나머지 성분들을 첨가하는 것이 또한 바람직하다. 원한다면, 조성물의 성분들과 상당한 정도로 반응하지 않는 용매를 선택하는 조건에서 용매를 사용할 수 있다. 적절한 용매는 예를 들어 아세톤, 디클로로메탄, 및 아세토니트릴을 포함한다. 때때로, 반응성 종 자체가 때때로 다른 성분을 위한 용매로서 작용할 수 있다.
광개시제 체계의 성분들은 광화학적 유효량(상기 정의됨)으로 존재한다. 일반적으로, 광반응성 조성물은, 적어도 약 5중량%(바람직하게는, 적어도 약 10중량%; 더욱 바람직하게는 적어도 약 20중량%) 내지 약 99.79중량% 이하의 하나 이상의 반응성 종; 적어도 약 0.01중량%(바람직하게는, 적어도 약 0.1중량%; 더욱 바람직하게는 적어도 약 0.2중량%) 내지 약 10중량% 이하 (바람직하게는 약 5% 이하; 더욱 바람직하게는 약 2% 이하)의 반도체 나노입자; 및 적어도 약 0.1% (바람직하게는 적어도 약 0.2%; 더욱 바람직하게는 적어도 약 0.3%) 내지 약 15% 이하 (바람직하게는 약 10% 이하; 더욱 바람직하게는 약 5% 이하)의 1 이상의 반응-개시 종을 형성하기 위해 반도체 나노입자와 상호작용할 수 있는 조성물을 함유할 수 있다.
상호작용 조성물이 1-광자 감광제를 포함할 때, 광반응성 조성물은 일반적으로 적어도 약 0.01중량% (바람직하게는, 적어도 약 0.1중량%; 더욱 바람직하게는 적어도 약 0.2중량%) 내지 약 10중량% 이하 (바람직하게는 약 5중량% 이하; 더욱 바람직하게는 약 2중량% 이하)의 하나 이상의 1-광자 감광제; 및 (i) 약 10중량% 이하(바람직하게는, 약 5중량% 이하)의 하나 이상의 전자 공여체 화합물 (바람직하게는, 적어도 약 0.1중량%, 더욱 바람직하게는 약 0.1% 내지 약 5%) 및 (ii) 약 0.1중량% 내지 약 10중량%의 하나 이상의 전자 수용체 화합물 (바람직하게는, 약 0.1% 내지 약 5%)의 하나 또는 양쪽 모두를 함유할 수 있다.
상호작용 조성물이 1-광자 감광제를 포함하지 않을 때, 광반응성 조성물은 일반적으로 (i) 약 0.01중량% (바람직하게는, 적어도 약 0.1중량%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 0.2중량%) 내지 약 10중량% 이하 (바람직하게는 약 5중량% 이하)의 하나 이상의 전자 공여체 화합물 및 (ii) 약 0.1중량% 내지 약 10중량%의 하나 이상의 전자 수용체 화합물 (바람직하게는, 약 0.1중량% 내지 약 5중량%)를 함유할 수 있거나; 또는 대안적으로, 광반응성 조성물은 약 0.01중량% (바람직하게는 적어도 약 0.1중량%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 0.2중량%) 내지 약 10중량% 이하 (바람직하게는 약 5중량% 이하)의 하나 이상의 광개시제 화합물을 함유할 수 있다. 반응성 종이 루코 염료일 때, 조성물은 일반적으로 약 0.01중량% 내지 약 10중량%의 하나 이상의 반응성 종 (바람직하게는, 약 0.3중량% 내지 약 10중량%, 더욱 바람직하게는 약 1중량% 내지 약 10중량%, 가장 바람직하게는 약 2중량% 내지 약 10중량%)을 함유할 수 있다. 상기 언급된 퍼센트는 전체 고형물 중량 (즉, 용매 이외의 성분들의 총 중량)을 기초로 한다.
원하는 최종 용도에 의존하여 다양한 종류의 보조제가 광반응성 조성물에 포함될 수 있다. 적절한 보조제는 용매, 희석제, 수지, 결합제, 가소제, 안료, 염료, 무기 또는 유기 강화 또는 연장 충진제 (조성물 총 중량을 기초로 하여 약 10중량% 내지 90중량%의 바람직한 양), 요변성 제, 지시약, 억제제, 안정화제, 자외선 흡수제, 약제 (예를 들어, 걸러질 수 있는 플루오라이드) 등을 포함한다. 이러한 보조제의 양 및 종류와 조성물로의 첨가 방식은 당업자에게 친숙할 것이다.
예를 들어, 점도를 조절하고 필름-형성 성질을 제공하기 위하여 조성물에 비반응성 중합체 결합제를 포함시키는 것이 본 발명의 범위 내이다. 이러한 중합체 결합제는 일반적으로 반응성 종과 친화성인 것으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 반응성 종을 위해 사용되는 동일한 용매에 가용성이고, 반응성 종의 반응 과정에 역효과를 미칠 수 있는 작용기를 갖지 않는 중합체 결합제가 사용될 수 있다. 결합제는 원하는 필름-형성 성질 및 용액 레올로지를 달성하기에 적절한 분자량일 수 있다 (예를 들어, 약 5,000 내지 1,000,000 달톤; 바람직하게는 약 10,000 내지 500,000 달톤; 더욱 바람직하게는 약 15,000 내지 약 25,000 달톤의 분자량). 적절한 중합체 결합제는 예를 들어 폴리스티렌, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리(스티렌)-코-(아크릴로니트릴), 셀룰로스 아세테이트 부티레이트 등을 포함한다.
노출에 앞서서, 원한다면 당업자에게 공지된 다양한 코팅 방법 중의 하나 (예를 들어, 나이프 코팅 및 스핀 코팅 포함)에 의하여, 얻어진 광반응성 조성물을 기판 상에 코팅할 수 있다. 기판은 특정한 응용 및 이용되는 노출 방법에 의존하여 다양한 종류의 필름, 시트 및 기타 표면으로부터 선택될 수 있다. 바람직한 기판은 일반적으로 균일한 두께를 가진 광반응성 조성물의 층을 제조할 수 있도록 충분히 편평하다. 코팅이 덜 바람직한 응용을 위해서는, 대안적으로 광반응성 조성물이 벌크 형태로 노출될 수 있다.
노출 시스템 및 그의 이용
유용한 노출 시스템은 1 이상의 광원 및 1 이상의 광학 요소를 포함한다. 선택된 반도체 나노입자를 위해 적절한 파장 (예를 들어, 나노입자의 장 파동 길이 가시 또는 근적외 흡수 띠와 일치하는 파장)에서 (다광자 흡수를 실행하기 위해) 충분한 강도를 제공하는 광원이 사용될 수 있다. 이러한 파장은 일반적으로 약 500 내지 약 1700nm; 바람직하게는 약 600 내지 약 1100nm; 더욱 바람직하게는 약 750 내지 약 1000nm의 범위일 수 있다. 조사는 연속 또는 펄스 또는 이들의 조합일 수 있다.
적절한 광원은 예를 들어 아르곤 이온 레이저 (예를 들어, 코히어런트 이노바(Coherent Innova))의해 에너지 공급된 펨토초 근-적외선 티타늄 사파이어 진동자 (예를 들어 코히어런트 미라 옵티마(MIRA OPTIMA) 900-F)를 포함한다. 76Hz에서 작동하는 이러한 레이저는 200 펨토초 미만의 펄스 폭을 갖고, 700 내지 980nm에서 동조되고, 1.4와트 이하의 평균 전력을 갖는다. Q-전환 Nd:YAG 레이저(예를 들어, 스펙트라-피직스 퀀타-레이 프로(QUANTA-RAY PRO)), 가시 파장 염색 레이저 (예를 들어, 스펙트라-피직스 퀀타-레이 프로에 의해 에너지 공급된 상표명 스펙트라-피직스 사이라) 및 Q-전환 다이오드 에너지 공급 레이저 (예를 들어, 스펙트라-피직스 FCbarTM)가 또한 사용될 수 있다. 피크 강도는 일반적으로 적어도 약 106W/cm2이다. 펄스 플루언스의 상한선은 일반적으로 광반응성 조성물의 융박 역치에 의해 지시된다.
바람직한 광원은 약 10-8 초 미만(더욱 바람직하게는, 약 10-9 초 미만, 가장 바람직하게는 약 10-11 초 미만)의 펄스 길이를 가진 근 적외선 펄스 레이저이다. 상기 피크 강도 및 펄스 플루언스 기준이 충족되는 이상, 다른 펄스 길이가 사용될 수 있다.
본 발명의 방법을 수행하는데 유용한 광학 요소는 예를 들어 굴절 광학 요소 (예를 들어, 렌즈 및 프리즘), 반사 광학 요소 (예를 들어, 역반사기 또는 촛점 거울), 회절 광학 요소 (예를 들어, 회절격자, 상 마스크 및 홀로그램), 편광 광학 요소 (예를 들어, 선형 편광판 및 파동판), 확산기, 포켈 셀, 도파관, 파동판 및 복굴절 액정 등을 포함한다. 이러한 광학 요소들은 촛점화, 비임 전달, 비임/모드 정형, 펄스 정형 및 펄스 타이밍을 위해 유용하다. 일반적으로, 광학 요소들의 조합이 사용될 수 있고, 다른 적절한 조합이 당업자에 의해 인식될 것이다. 또한, 고-집중 광을 제공하기 위하여 큰 조리개수(NA)를 가진 광학물을 사용하는 것이 종종 바람직하다. 그러나, 바람직한 강도 프로파일 (및 그의 공간 배치)를 제공하는 광학 요소들의 조합이 사용될 수 있다. 예를 들어, 노출 시스템은 0.75NA 대물렌즈(예를 들어, 제이스(Zeiss) 20X 플루아르(Fluar))가 장착된 주사 공동촛점 현미경(예를 들어, 바이오래드(BioRad) MRC600)을 포함할 수 있다.
일반적으로, 조성물 내에서 광-강도의 3-차원 공간 분포를 조절하기 위한 수단으로서 광학 시스템과 함께 광원(상기 기재됨)을 사용하여 광반응성 조성물의 노출을 수행할 수 있다. 예를 들어, 촛점이 조성물의 부피 내에 있도록 하는 방식으로 연속 파동 또는 펄스 레이저로부터의 빛을 촛점 렌즈를 통해 통과시킬 수 있다. 촛점은 원하는 형태에 상응하는 3-차원 패턴으로 주사 또는 표현될 수 있고, 이에 의해 바람직한 형태의 3-차원 영상을 형성한다. 조성물 자체를 이동시키거나 또는 광원을 이동시킴으로써 (예를 들어, 갈보-거울(galvo-mirrors)를 사용한 레이저 비임을 이동시킴으로써) 조성물의 노출되거나 조사된 부피를 주사할 수 있다. 얻어진 노출된 조성물을 원한다면 후-노출 열 처리할 수 있다.
예를 들어 빛이 반응성 종과는 상이한 용해도 특징을 가진 물질을 생성하는 반응성 종의 반응을 유도한다면, 예를 들어 적절한 용매의 사용을 통해 노출 또는 비노출 영역을 제거하거나, 또는 기타 당 기술분야에 공지된 수단에 의해 얻어진 영상을 임의로 현상할 수 있다. 이러한 방식으로, 경화된 복합 3-차원 물체가 제조될 수 있다.
노출 시간은 일반적으로 영상 형성을 일으키기 위해 사용되는 노출 시스템의 유형 (및, 조리개수, 광 강도 공간 분포의 기하 구조, 예를 들어 레이저 펄스 동안의 피크 광 강도 (더욱 높은 강도 및 더욱 짧은 펄스 지속기간은 대략 피크 광 강도에 상응한다)와 같은 부속 변수) 뿐만 아니라 노출된 조성물의 성질 (및 감광제(들), 광개시제 및 전자 공여체 화합물의 농도)에 의존된다. 일반적으로, 촛점 영역에서 더욱 높은 피크 광 강도는 더욱 짧은 노출 시간을 가능하게 하고, 그외 모든 것이 동일하다. 연속 파동 레이저를 사용하거나, 또는 약 10-8 내지 10-15 초 (바람직하게는 약 10-11 내지 10-14 초)의 레이저 펄스 지속기간 및 약 102 내지 109 펄스/초 (바람직하게는 약 103 내지 108 펄스/초)를 가진 펄스 레이저를 사용할 때, 선형 영상화 또는 "기록(writing)" 속도는 일반적으로 약 5 내지 100,000 마이크론/초일 수 있다.
본 발명의 목적 및 장점은 이하 실시예에 의해 더욱 예증되지만, 실시예에서 열거된 특정한 물질 및 그의 양 뿐만 아니라 기타 조건 및 세부사항이 본 발명을 부당하게 제한하지 않는 것으로 해석되어야 한다.
실시예 1: (CdSe)ZnS 나노입자를 사용한 다광자 광중합
CdSe 나노입자, CdSe 나노입자로부터의 형광 방출 띠에 상응하는 흡수 띠를 가진 시아닌 염료(1-광자 감광제), 전자 수용체 및 전자 공여체로 구성된 광개시제 체계를 사용하여 다광자 광중합을 실행하였다. 문헌 [J.Am.Chem.Soc. 115, 8706 (1993)]에 기재된 합성의 약간의 변형을 사용하여, 하기 기재된 바와 같이 CdSe 나노입자를 제조하였다. 달리 언급되지 않는 한, 화합물들은 알드리치 케미칼 컴퍼니 (미국 위스콘신주 밀워키)로부터 통상적으로 입수가능하다.
(CdSe)ZnS 나노입자의 제조
30g의 트리-n-옥틸 포스핀 옥사이드(TOPO) (STREM 케미칼스, 미국 메사츄세츠주 뉴베리포트)를 온도 탐침, 응축기 및 격벽이 장착된 250mL 3-목 둥근 바닥 플라스크에서 175℃에서 4시간동안 진공하에 건조시켰다. 이어서, TOPO를 질소하에 놓고, 온도를 350℃로 올렸다. 여기에 16ml의 트리-n-옥틸 포스핀(TOP) (독일 스텐하임 플루카(Fluka)), 4ml의 트리-n-옥틸 포스핀 셀레나이드(TOPSe)의 TOP중 1몰 용액 및 200㎕의 디메틸카드뮴 (Cd(CH3)2) (스트렘 케미칼스, 미국 메사츄세츠주 뉴베리포트)를 격렬한 교반하에 주사기에 의해 주입하였다. 나노입자가 523nm의 첫번째 최대 흡수치를 가질 때까지 나노입자를 성장시켰다 (약 3nm 평균 직경의 지표; 문헌[Murray 등, J.Am.Chem.Soc. 115, 8706 (1993)]참조). 성장 용액을 냉각시키고, 16ml의 부탄올에 첨가하였다. 이어서, 나노입자를 메탄올로의 침전에 의해 단리하였다.
다음과 같이, ZnS의 4개 단층(약 9.2Å 두께 이하)의 명목상 쉘로 나노입자를 오버코팅하였다: 60g의 TOPO를 응축기, 격벽을 가진 첨가 깔때기, 온도 탐침 및 격벽이 장착된 250mL, 4-목 둥근 바닥 플라스크에서 175℃에서 진공하에 4시간동안 건조시켰다. 여기에 0.4밀리몰의 CdSe를 함유하는 헥산 용액을 단리된 나노입자의 형태로 첨가하였다. 헥산을 60℃에서 진공하에 제거한 다음, 반응 용기를 질소하에 유지하였다. 오버코팅을 위하여, 20ml의 TOP, 0.166ml 디에틸 아연 (독일 스텐하임 플루카) 및 0.333ml 비스(트리메틸실릴)술파이드 (독일 스텐하임 플루카)를 건조상자에서 주사기 내에 부하하였다. 주사기를 건조상자에서 꺼내고, 그의 내용물을 격벽이 장착된 첨가 깔때기에 주입하였다. 이어서, 용액을 155℃에서 CdSe/TOPO 용액에 적가하였다. 이어서, 온도를 90℃로 내리고, 얻어진 용액을 밤새 교반하였다. 오버코팅된 나노입자를 상기 지시된 바와 같이 단리하고 톨루엔에 분산시켰다.
흡수 염료의 제조
문헌 [Biochemistry 13, 3315 (1974)]에 제시된 것과 같은, 3-메틸-2-[(1E,3E)-3-(3-메틸-1,3-벤조티아졸-2(3H)-일리덴)프로프-1-에닐]-1,3-벤조티아졸-3-이움 요오다이드의 합성 절차를 따랐다. 약 50ml의 염화메틸렌 중에서 5ml의 2-메틸벤조티아졸과 2.6ml의 메틸요오다이드를 조합하고 밤새 환류시킴으로써 2-메틸벤조티아졸의 메틸화를 수행하였다. 백색 고체를 제조하고, 여과에 의해 벤조티아졸륨 요오다이드 염을 단리하였다. 수율 9.67g. 환류 피리딘 중에서 트리에틸오르소포르메이트를 사용함으로써 이러한 요오다이드 염을 결합시켜 염료를 형성하였다. 20ml의 피리딘 중에서 9.67g의 요오다이드 염을 5.8ml의 트리에틸오르소포르메이트와 조합하고, 약 5시간동안 환류시켰다. 얻어진 생성물을 여과에 의해 단리하고, 냉 피리딘/물 혼합물로 세척하였다. 생성물을 건조시키고, 원하는 염료의 6.6g 수율을 수득하였다. 염료의 구조를 확인하기 위하여 핵 자기 공명 분광분석법(NMR)을 사용하였다.
광반응성 조성물의 제조
이소시아누레이트 트리아크릴레이트(SR368) 및 알콕실레이트화 삼작용성 아크릴레이트 에스테르(SR9008) (양쪽 모두 미국 펜실바니아주 웨스트 체스터의 사르토머 컴퍼니로부터 입수가능함)의 50/50 혼합물 2.02g중에 10.0mg의 3-메틸-2-[(1E,3E)-3-(3-메틸-1,3-벤조티아졸-2(3H)-일리덴)프로프 -1-에닐]-1,3- 벤조티아졸-3-이움 요오다이드 (이하, 시아닌 염료라고 일컬음)의 용액을 제조하고, 밤새 교반하였다. 40.2mg CD1012 디아릴요오도늄 헥사플루오로안티모네이트 염 (미국 펜실바니아주 웨스트 체스터의 사르토머 컴퍼니로부터 입수가능함) 및 10.8mg의 CGI 7460 보레이트 염 (미국 뉴욕주 태리타운의 시바 스페셜티 케미칼스로부터 입수가능함)을 0.11g 테트라히드로푸란에 용해시키고, 용액에 첨가하여 원액 A를 형성하였으며, 이것을 안전한 빛 아래에서 제조한 다음 조기 겔화를 막기 위하여 갈색병 바이알에서 보관하였다.
이어서, 다음과 같은 3개의 광반응성 조성물을 제조하기 위하여 원액 A를 사용하였다:
조성물 B
톨루엔 중의 CdSe 나노입자의 0.05M 용액 1.5mL를 톨루엔 0.5mL 중의 폴리(비닐 부티랄) 0.433g에 첨가하고, 나노입자가 완전히 분산될 때까지 20분동안 교반하였다. 0.461g의 원액 A를 첨가하고, 얻어진 혼합물을 5분동안 교반하였다.
조성물 C (비교)
38.9mg의 99.999% 벌크 CdSe (325메쉬, 미국 메사츄세츠주 와드 힐 알파 애사르(Alfa Aesar))를 톨루엔 중의 폴리(비닐 부티랄)의 20중량% 용액 2.20g에 첨가하고, 잘 분산될 때까지 20분동안 교반하였다. 0.439g의 원액 A를 첨가하고, 얻어진 혼합물을 5분 동안 교반하였다.
조성물 D (비교)
톨루엔 중의 폴리(비닐 부티랄)의 20중량% 용액 2.21g에 0.531g의 원액 A를 첨가하고 5분간 교반하였다.
트리메틸옥시실릴프로필 메타크릴레이트로 처리된 현미경 슬라이드 상에 조성물을 2500rpm에서 스펀 코팅하여 약 30마이크론 두께의 투명한 코팅을 형성하였다. 80℃ 오븐에서 코팅된 슬라이드를 10분간 소성함으로써 잔류 용매를 제거하였다. 표 1은 고형물의 중량을 기준으로 한 3개 코팅의 조성을 요약한다.
광반응성 조성물
성분 조성물 B (중량%) 조성물 C (비교)(중량%) 조성물 D (비교)(중량%)
폴리(비닐 부티랄) 47.7 49.2 46.7
SR 368 23.4 22.6 25.9
SR9008 23.4 22.6 25.9
시아닌 염료 0.23 0.22 0.26
CD1012 0.93 0.90 1.03
CGI 7460 0.25 0.24 0.28
(CdSe)ZnS 나노입자 4.23 0 0
벌크 CdSe 0 4.35 0
800nm의 파장, 펄스 폭 80fs, 80MHz의 펄스 반복 속도 및 약 2mm의 비임 직경에서 작동하는 다이오드 에너지 공급 Ti:사파이어 레이저(스펙트라-피직스)를 사용하여 코팅된 슬라이드를 노출시켰다. 광학 트레인은 저 분산 회전 거울, 광학 전력을 바꾸기 위한 광학 감쇠기, 및 빛을 집중시키기 위한 60X 현미경 대물렌즈(NA 0.85)로 구성되었다. 현미경 대물렌즈 아래에서 슬라이드를 연속 이동시킴으로써, 각각의 코팅된 슬러리를 빛에 노출시켰다. 슬라이드/코팅 계면과 일치하도록 광 비임의 촛점을 위치시켰다. 코팅된 슬라이드(22mW)로 전달된 평균 전력을 측정하였으며, 여기에서 보정된 광다이오드를 사용하여 현미경 대물렌즈로 빛이 방출되었다. 컴퓨터 조절된 3-축 단을 사용하여 집중된 비임 아래로 각각의 슬라이드를 이동시켰다.
각각의 광반응성 조성물의 감광성을 시험하기 위하여, 77㎛/s 내지 40mm/s 범위의 속도로 집중된 비임 아래에서 각각의 코팅된 슬라이드를 주사함으로써 일련의 중합체 선이 발생되었다. 노출 후에, 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트 중에서의 용매 현상에 의해 반응되지 않은 수지를 제거하였으며, 이소프로필 알콜로 슬라이드를 헹구고 통풍 건조시켰다. 각각의 슬라이드를 광학 현미경 하에서 시험하고, 슬라이드 상에 남아있는 중합체 선의 수로부터 한계 기록 속도를 결정하였다. 표 2는 결과를 요약한다. 본 발명의 조성물, 조성물 B에 대하여 최대 감광성이 관찰되었다. 비교 조성물 (조성물 C 및 D)의 어느 것에 대해서도 반응이 관찰되지 않았으며, 이것은 조성물에 대한 한계 기록 속도가 0.033mm/s 미만인 것을 나타낸다.
한계 기록 속도
조성물 한계 기록 속도(mm/s)
B 2.13
C(비교) <0.033
D(비교) <0.033
실시예 2: (ZnSe)ZnS 나노입자를 사용한 다광자 광중합
ZnSe 나노입자 및 전자 수용체로 구성된 광개시제 체계를 사용하여 다광자 광중합을 실행하였다.
ZnSe 나노입자의 제조
발표된 합성 기술 [J.Phys.Chem. B, 102(19), 3655 (1988)]의 약간의 변형을 사용하여 하기 기재된 바와 같이 ZnSe 나노입자를 제조하였다. 표준 공기가 없는 기술을 사용하여, 56.25g (75mL)의 헥사데실아민을 건조시키고, 125℃에서 2시간동안 진공하에 탈기시켰다. 이어서 1atm의 질소 하에서 헥사데실아민을 310℃로 가열하였다. 0.41mL (4밀리몰)의 디에틸 아연 (알드리치 케미칼 컴퍼니)를 20mL의 트리옥틸포스핀 (독일 스텐하임 플루카 케미칼스) 및 5mL의 트리옥틸포스핀 중 1M 트리옥틸포스핀 셀레나이드와 혼합하였다. 얻어진 용액을 310℃에서 격렬히 교반된 헥사데실아민 내에 빨리 주입하였다. 얻어진 용액의 온도를 280℃로 감소시켰다. 2시간 후에, 디에틸 아연 (알드리치, 0.35mL, 3밀리몰)을 12mL 트리옥틸포스핀 및 5mL의 트리옥틸포스핀 중 1M 트리옥틸포스핀 셀레나이드와 혼합하고, 8분에 걸쳐 용액에 적가하였다. 추가로 2 시간 후에, 디에틸 아연(알드리치, 0.35mL, 3밀리몰)을 12mL 트리옥틸포스핀 및 5mL의 트리옥틸포스핀 중 1M 트리옥틸포스핀 셀레나이드와 혼합하고, 8분에 걸쳐 용액에 적가하였다. 얻어진 투명한 황금색 용액을 280℃에서 3.5시간동안 유지시킨 다음 100℃로 냉각하였다.
1인치 테플론TM 폴리(테트라플루오로에틸렌)(듀퐁으로부터 입수가능함) 코팅된 교반 막대를 가진 8-온스 나사 두껑 병에서 용액의 40mL 분취량을 10mL 1-부탄올에 첨가하였다. 병을 68℃의 수욕에 넣고, 용액을 교반하였다. 25mL 뷰렛을 사용하여 80mL 메탄올을 첨가함으로써 ZnSe 나노입자를 침전시켰다. 따뜻한 슬러리의 원심분리(4000RPM)에 의해 나노입자를 단리한 다음 액체 부분을 따라 버렸다. 나노입자를 1mL 툴루엔에 용해시키고, 원심분리(4000RPM)하여 소량의 검은색 잔류물을 제거하였다. 투과 전자 현미경 측정을 기초로 하여 40Å (4nm)에서 입자 직경을 평가하였다. 문헌[C.A.Leatherdale, W.K.Woo, F.V.Mikulec 및 M.G.Bawendi, J.Phys.Chem.B 106, 7619 (2002)]에 기재된 방법을 사용하여, 자외-가시(UV-Vis) 흡수 분광분석법에 의해 톨루엔 용액이 1.31밀리몰 ZnSe를 함유하는 것을 결정하였다.
ZnS-오버코팅된 ZnSe 나노입자의 제조
발표된 방법 [J.Phys Chem.B 101, 9463 (1997)]의 약간의 변형에 의하여 ZnS-오버코팅된 ZnSe 나노입자를 제조하였다. 표준 공기가 없는 기술을 사용하여, 60mL의 트리옥틸포스핀 (독일 스테인하임 플루카 케미칼스)를 건조시키고, 105℃에서 2시간동안 진공하에 탈기시켰다. 약 1mL의 톨루엔 중의 상기 제조된 ZnSe 나노입자 (1.31밀리몰 ZnSe)를 트리옥틸포스핀에 주입하고, 얻어진 혼합물을 1atm의 질소 하에서 205℃로 가열하였다. 디에틸 아연 (알드리치, 0.25mL, 2.4밀리몰)를 30mL의 트리옥틸포스핀 및 0.5mL의 비스(트리메틸실릴)술파이드(플루카)와 혼합하였다. 얻어진 용액을 205℃에서 80분에 걸쳐 ZnSe 나노입자의 교반된 트리옥틸포스핀 용액에 적가하였다. 얻어진 용액의 온도를 3.5시간동안 135℃로 감소시켰다.
1인치 테플론TM 폴리(테트라플루오로에틸렌)(듀퐁으로부터 입수가능함) 코팅된 교반 막대를 가진 16-온스 나사 두껑 병으로 용액을 옮겼다. 25ml 뷰렛을 사용하여 41mL 메탄올 및 275mL 2-프로판올을 첨가함으로써 ZnS-오버코팅된 ZnSe 나노입자를 침전시켰다. 따뜻한 슬러리의 원심분리(4000RPM)에 의해 나노입자를 단리한 다음 액체 부분을 따라 버렸다. 나노입자를 1mL 툴루엔에 용해시키고, 원심분리(4000RPM)하여 소량의 검은색 잔류물을 제거하였다. 문헌 [C.A.Leatherdale, W.K.Woo, F.V.Mikulec 및 M.G.Bawendi, J.Phys.Chem.B 106, 7619 (2002)]에 기재된 자외선-가시광선 흡수 분광분석법을 사용하여, 용액이 ZnS의 쉘로 오버코팅된 ZnSe 나노입자의 형태로 0.78M ZnSe를 함유하는 것을 결정하였다.
다광자 광중합
1.0중량% CD1012, 4.3중량% 테트라히드로푸란 (미국 미시간주 머스크에곤 버딕 앤드 잭슨), 47.3중량% 라우릴 아크릴레이트(SR335), 23.7중량% 트리스(2-히드록시에틸)이소시아누레이트 트리아크릴레이트 (SR368) 및 23.7중량% 알콕시화 삼작용성 아크릴레이트 에스테르(SR9008) (3개 아크릴레이트 모두 사르토머 컴퍼니 (미국 펜실바니아주 웨스트 체스터)로부터 입수가능함)의 원액을 갈색병 바이알에서 제조하고, CD1012가 완전히 용해될 때까지 20분동안 교반하였다. 이 원액의 0.1g 분취량을 다른 갈색병에 넣었다. 톨루엔 중의 ZnS-오버코팅된 ZnSe 나노입자의 상기 기재된 용액 0.02mL를 원액에 첨가하여, 광학적으로 투명한 용액 (이하, 조성물 E)을 형성하였다. 비교로서, 원액의 0.5g 분취량을 별도의 바이알에 넣고, 0.1mL의 순수한 톨루엔을 첨가하여 조성물 F (비교)를 형성하였다. 양쪽 조성물을 모두 빛이 통하지 않는 용기에서 밤새 교반하였다.
각각의 조성물 1 또는 2방울을 현미경 슬라이드의 다른 영역에 놓고, 커버 슬립을 그 위에 덮었다. 고 형광성 다광자 흡수 염료 (비스-[4-(디페닐아미노)스티릴]-1-(2-에틸헥실옥시)-4-(메톡시)벤젠)를 함유하는 용액의 방울을, 보정 촛점 위치를 결정하는데 있어서 대조로서 사용되는 동일한 슬라이드 위에 놓았다. 60X 현미경 대물렌즈(NA 0.85)로부터의 고 집중 광 아래에서 슬라이드를 연속 이동시킴으로써 조성물의 노출을 수행하였다. 비임의 촛점을 슬라이드/조성물 계면과 일치하도록 위치시켰다. 광원은 800nm의 파장, 펄스 폭 80fs, 80MHz의 펄스 반복 속도 및 약 2mm의 비임 직경에서 작동하는 다이오드 에너지 공급 Ti:사파이어 레이저(스펙트라-피직스)였다. 광학 트레인은 저 분산 회전 거울 및 광학 전력을 바꾸기 위한 광학 감쇠기로 구성되었다. 슬라이드에 전달된 평균 전력(45mW)을 측정하였으며, 여기에서 보정된 광다이오드를 사용하여 현미경 대물렌즈로 비임이 방출되었다. 컴퓨터 조절된 3-축 단을 사용하여 집중된 비임 아래로 슬라이드를 이동시켰다.
각각의 조성물의 감광성을 시험하기 위하여, 77㎛/s 내지 40mm/s 범위의 속도로 집중된 비임 아래에서 슬라이드를 주사함으로써 일련의 중합체 선을 발생시켰다. 각각의 속도 시험을 위하여, 약 8 마이크론 폭 선을 형성하기 위하여 각각의 통과 후에 Y-방향에서 1 마이크론 증분으로 X-방향을 따라 단을 앞 뒤로 4회 주사하였다. 노출 후에, 반응되지 않은 수지를 이소프로필 알콜 중에서의 용매 현상에 의해 제거하였다. 현상 공정 동안에, 커버 슬립을 현미경 슬라이드에서 서서히 띄우고, 중합된 선을 노출시켰다. 이어서, 광학 현미경 하에서 슬라이드를 시험하고, 각각의 조성물에 대해 슬라이드에 남은 중합체 선의 수로부터 한계 기록 속도를 결정하였다. 본 발명의 조성물, 조성물 E에 대하여, 한계 기록 속도는 약 1.75mm/s였다. 비교 조성물, 조성물 F에 대해 영상이 수득되지 않았다.
당업자라면, 본 발명의 범위 및 의도에서 벗어나지 않으면서 다양한 변형 및 변화를 행할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 발명이 여기에 주어진 예증을 위한 구현양태 및 실시예에 의해 부당하게 제한되지 않고, 이러한 실시예 및 구현양태들은 단지 일례로만 주어진 것임을 이해해야 하며, 본 발명의 범위는 단지 하기 주어진 청구의 범위에 의해서만 제한되는 것으로 해석된다.

Claims (38)

  1. (a) 산- 또는 라디칼-개시 화학 반응을 겪을 수 있는 1 이상의 반응성 종; 및
    (b) (1) 2 이상의 광자의 흡수에 의해 도달될 수 있는 1 이상의 전자 여기 상태를 가진 1 이상의 유형의 반도체 나노입자 양자 도트, 및
    (2) 1 이상의 반응-개시 종을 형성하기 위해 상기 반도체 나노입자 양자 도트의 여기 상태와 상호작용할 수 있고, 상기 반응성 종과는 상이한 조성물
    의 광화학적-유효량을 포함하는 광개시제 체계를 포함하는, 광반응성 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응성 종이 경화가능한 종인 조성물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 경화가능한 종이 단량체, 올리고머, 반응성 중합체 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것인 조성물.
  4. 제3항에 있어서, 상기 경화가능한 종이 부가-중합가능한 단량체 및 올리고머, 부가-가교가능한 중합체, 양이온-중합가능한 단량체 및 올리고머, 양이온-가교가능한 중합체, 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것인 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반응성 종이 비-경화가능한 종인 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반응성 종이 라디칼-개시 화학 반응을 겪을 수 있는 것인 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반도체 나노입자 양자 도트가 IV 족, III-V 족, II-VI 족 및 I-VII 족 반도체로 구성된 군에서 선택되는 반도체를 포함하는 것인 조성물.
  8. 제7항에 있어서, 상기 반도체가 IV 족 또는 II-VI 족 반도체인 조성물.
  9. 제8항에 있어서, 상기 반도체가 II-VI 족 반도체인 조성물.
  10. 제9항에 있어서, 상기 반도체가 아연 또는 카드뮴을 포함하는 것인 조성물.
  11. 제1항에 있어서, 상기 반도체 나노입자 양자 도트가 약 1.5nm 내지 약 30nm 범위의 평균 직경을 갖는 것인 조성물.
  12. 제1항에 있어서, 상기 반도체 나노입자 양자 도트가 상기 반도체의 보어 여기자 반경보다 작거나 또는 그와 동일한 평균 반경을 갖는 것인 조성물.
  13. 제1항에 있어서, 상기 반도체 나노입자 양자 도트가, 상기 반도체 나노입자 양자 도트 및 상기 반응성 종과 친화성으로 작용하는 표면-부착 또는 표면-결합된 유기 기를 갖는 것인 조성물.
  14. 제1항에 있어서, 상기 반도체 나노입자 양자 도트가 코어/쉘 반도체 나노입자 양자 도트인 조성물.
  15. 제1항에 있어서, 상기 반도체 나노입자 양자 도트가 2 이상의 광자의 동시 흡수에 의해 도달가능한, 1 이상의 전자 여기 상태를 갖는 것인 조성물.
  16. 제1항에 있어서, 1 이상의 반응-개시 종을 형성하기 위하여 상기 반도체 나노입자 양자 도트의 상기 여기 상태와 상호작용할 수 있는 상기 조성물이, (a) 상기 반도체 나노입자 양자 도트의 상향-전환된 전자 방출 띠와 겹치는 전자 흡수 띠를 가진 1 이상의 1-광자 광개시제; 또는 (b) 1 이상의 전자 공여체 화합물 및/또는 1 이상의 전자 수용체 화합물을 포함하는 것인 조성물.
  17. 제16항에 있어서, 상기 1-광자 광개시제가 자유 라디칼 공급원을 발생시키는 자유-라디칼 광개시제 및 자외선 또는 가시광선에 노출될 때 산을 발생시키는 양이온성 광개시제로 구성된 군에서 선택되는 것인 조성물.
  18. 제17항에 있어서, 상기 자유-라디칼 광개시제가 아세토페논, 벤조페논, 아릴 글리옥살레이트, 아실포스핀 옥사이드, 벤조인 에테르, 벤질 케탈, 티옥산톤, 클로로알킬트리아진, 비스이미다졸, 트리아실이미다졸, 피릴륨 화합물, 술포늄 염, 요오도늄 염, 메르캅토 화합물, 퀴논, 아조 화합물, 유기 퍼옥시드, 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되고, 상기 양이온성 광개시제가 오늄 양이온 및 금속 또는 메탈로이드의 할로겐-함유 착물 음이온을 가진 메탈로센 염, 유기금속 착물 양이온 및 금속 또는 메탈로이드의 할로겐-함유 착물 음이온을 가진 메탈로센 염, 요오도늄 염, 술포늄 염 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것인 조성물.
  19. 제1항에 있어서, 1 이상의 반응-개시 종을 형성하기 위해 상기 반도체 나노입자 양자 도트의 상기 여기 상태와 상호작용할 수 있는 상기 조성물이, (1) 상기 반도체 나노입자 양자 도트의 상향-전환된 전자 방출 띠와 겹치는 전자 흡수 띠를 가진 1 이상의 1-광자 감광제; 및 (2) (i) 상기 1-광자 감광제와 상이하고 상기 1-광자 감광제의 전자 여기 상태에 전자를 공여할 수 있는 1 이상의 전자 공여체 화합물 및 (ii) 상기 1-광자 감광제의 전자 여기 상태로부터 전자를 수용함으로써 감광화될 수 있는 1 이상의 전자 수용체 화합물의 하나 또는 양쪽 모두를 포함하고, 그 결과 1 이상의 자유 라디칼 및/또는 산을 형성하는 조성물.
  20. 제19항에 있어서, 상기 조성물이 상기 전자 공여체 화합물 및 상기 전자 수용체 화합물을 둘다 포함하는 것인 조성물.
  21. 제19항에 있어서, 상기 1-광자 감광제가 약 250 내지 약 800나노미터의 파장 범위내에서 빛을 흡수할 수 있고 2-메틸-4,6-비스(트리클로로메틸)-s-트리아진을 감지할 수 있는 것인 조성물.
  22. 제19항에 있어서, 상기 1-광자 감광제가 케톤, 코우마린 염료, 크산텐 염료, 아크리딘 염료, 티아졸 염료, 티아진 염료, 옥사진 염료, 아진 염료, 아미노케톤 염료, 포르피린, 방향족 다고리형 탄화수소, p-치환된 아미노스티릴 케톤 화합물, 아미노트리아릴 메탄, 메로시아닌, 스쿠아릴륨 염료, 시아닌 염료, 피리디늄 염료 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것인 조성물.
  23. 제19항에 있어서, 상기 1-광자 감광제가 크산텐 염료, 시아닌 염료, 케톤, 케토코우마린, 아미노아릴케톤, p-치환된 아미노스티릴 케톤 화합물 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것인 조성물.
  24. 제19항에 있어서, 상기 1-광자 감광제가 로즈 뱅갈, 3-메틸-2-[(1E, 3E)-3-(3-메틸-1,3-벤조티아졸-2(3H)-일리덴)프로프-1-에닐]-1,3-벤조티아졸-3-이움 요오다이드, 캄포르퀴논, 글리옥살, 비아세틸, 3,3,6,6-테트라메틸시클로헥산디온, 3,3,7,7-테트라메틸-1,2-시클로헵탄디온, 3,3,8,8-테트라메틸-1,2-시클로옥탄디온, 3,3,18,18-테트라메틸-1,2-시클로옥타데칸디온, 디피발로일, 벤질, 푸릴, 히드록시벤질, 2,3-부탄디온, 2,3-펜탄디온, 2,3-헥산디온, 3,4-헥산디온, 2,3-헵탄디온, 3,4-헵탄디온, 2,3-옥탄디온, 4,5-옥탄디온, 1,2-시클로헥산디온 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것인 조성물.
  25. 제16항 또는 제19항에 있어서, 상기 전자 공여체 화합물이 0보다 크고 p-디메톡시벤젠과 같거나 그 보다 작은 산화 포텐셜을 갖는 것인 조성물.
  26. 제16항 또는 제19항에 있어서, 상기 전자 공여체 화합물이 표준 포화 칼로멜 전극에 대비하여 약 0.3 내지 2 볼트의 산화 포텐셜을 갖는 것인 조성물.
  27. 제16항 또는 제19항에 있어서, 상기 전자 공여체 화합물이 아민, 아미드, 에테르, 우레아, 술핀산 및 그의 염, 페로시아나이드의 염, 아스코르브산 및 그의 염, 디티오카르밤산 및 그의 염, 크산테이트의 염, 에틸렌 디아민 테트라아세트산의 염, (알킬)n(아릴)m보레이트의 염 (n+m=4), SnR4 화합물 (여기에서, 각각의 R은 독립적으로 알킬, 아르알킬, 아릴 및 알크아릴기로 구성된 군에서 선택된다), 페로센, 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것인 조성물.
  28. 제27항에 있어서, 상기 전자 공여체 화합물이 하나 이상의 주롤리디닐 잔기를 함유한 아민, 알킬아릴보레이트 염, 방향족 술핀산의 염, 4-디메틸아미노벤조산, 에틸 4-디메틸아미노벤조에이트, 3-디메틸아미노벤조산, 4-디메틸아미노벤조인, 4-디메틸아미노벤즈알데히드, 4-디메틸아미노벤조니트릴, 4-디메틸아미노펜에틸 알콜, 1,2,4-트리메톡시벤젠 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것인 조성물.
  29. 제16항 또는 제19항에 있어서, 상기 조성물이 상기 전자 공여체 화합물을 함유하지 않는 것인 조성물.
  30. 제16항 또는 제19항에 있어서, 상기 전자 수용체 화합물이 요오도늄 염, 술포늄 염, 디아조늄 염, 아지늄 염, 클로로메틸화 트리아진, 트리아릴이미다졸릴 이량체 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것인 조성물.
  31. 제30항에 있어서, 상기 전자 수용체 화합물이 요오도늄 염, 클로로메틸화 트리아진, 트리아릴이미다졸릴 이량체, 술포늄 염, 디아조늄 염 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것인 조성물.
  32. 제31항에 있어서, 상기 전자 수용체 화합물이 아릴요오도늄 염, 클로로메틸화 트리아진, 2,4,5-트리페닐이미다졸릴 이량체 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 것인 조성물.
  33. 제1항에 있어서, 상기 조성물이, 상기 반응성 종 약 5중량% 내지 약 99.79중량%, 상기 반도체 나노입자 양자 도트 약 0.01중량% 내지 약 10중량%, 및 1 이상의 반응-개시 종을 형성하기 위해 상기 반도체 나노입자 양자 도트의 여기 상태와 상호작용할 수 있는 상기 조성물 약 0.1중량% 내지 약 15중량%을 포함하는 것인 조성물.
  34. (a) 라디칼-개시 화학 반응을 겪을 수 있는 1 이상의 경화가능한 종; 및
    (b) (1) 2 이상의 광자의 동시 흡수에 의해 도달가능한 1 이상의 전자 여기 상태를 갖는 1 이상의 코어/쉘 반도체 나노입자 양자 도트, 및
    (2) 1 이상의 반응-개시 종을 형성하기 위해 상기 반도체 나노입자 양자 도트의 상기 여기 상태와 상호작용할 수 있는 조성물
    의 광화학적 유효량을 포함한 광개시제 체계를 포함하는, 광반응성 조성물.
  35. 제34항에 있어서, 1 이상의 반응-개시 종을 형성하기 위해 상기 반도체 나노입자 양자 도트의 상기 여기 상태와 상호작용할 수 있는 상기 조성물이 (a) 상기 반도체 나노입자 양자 도트의 상향-전환된 전자 방출 띠와 겹치는 전자 흡수 띠를 갖는 1 이상의 1-광자 광개시제; 또는 (b) 1 이상의 전자 공여체 화합물 및/또는 1 이상의 전자 수용체 화합물을 포함하는 것인 조성물.
  36. 제34항에 있어서, 1 이상의 반응-개시 종을 형성하기 위해 상기 반도체 나노입자 양자 도트의 상기 여기 상태와 상호작용할 수 있는 상기 조성물이 상기 반응성 종과 상이한 것인 조성물.
  37. 제1항, 제2항 또는 제34항의 조성물의 반응으로부터 얻어진 조성물.
  38. 제37항의 조성물을 포함하는 물품.
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