KR20070100162A - 트리스옥세탄 화합물, 이의 제조 방법, 및 이를 사용하는광 도파로 - Google Patents

트리스옥세탄 화합물, 이의 제조 방법, 및 이를 사용하는광 도파로 Download PDF

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KR20070100162A
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Abstract

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 트리스옥세탄 화합물, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 광 도파로에 관한 것이다.
Figure 112007026476376-PAT00001
상기 식 중, R1 및 R3 내지 R8은 동일하거나 상이하고 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타내되, 단 R3 내지 R8 중 하나 이상은 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고; R2는 탄소수 0 내지 16의 2가 지방족 사슬형 유기기를 나타내며; R9는 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타낸다.
광 도파로, 트리스옥세탄, 광 경화성 수지 조성물, 내열성, 접착성

Description

트리스옥세탄 화합물, 이의 제조 방법, 및 이를 사용하는 광 도파로 {TRISOXETANE COMPOUND, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, AND OPTICAL WAVEGUIDE USING THE SAME}
도 1은 본 발명의 광 도파로의 일례를 나타내는 횡단면도이다.
도 2a 내지 2f는 본 발명의 광 도파로의 제조 단계를 나타내는 도해이다.
<참조 번호 및 표시의 설명>
1: 기판
2: 클래딩층
3: 코어
[특허 문헌 1] JP-A-6-16804
[특허 문헌 2] JP-A-11-106380
[특허 문헌 3] JP-A-2001-31665
[특허 문헌 4] JP-A-2000-356720
[특허 문헌 5] JP-A-2003-147045
본 발명은 양이온성 중합이 가능한 옥세탄 고리를 갖는 트리스옥세탄 화합물, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광 도파로에 관한 것이다. 트리스옥세탄 화합물을 함유하는 광 경화성 수지 조성물 및 열 경화성 수지 조성물은 내열성, 기계적 특성, 감소된 물 흡수성, 코팅 평탄성, 및 접착성이 우수하다.
광 개시 양이온성 중합 또는 경화가 가능한 단량체로서 옥세탄 화합물이 최근 관심을 끌고 있으며, 많은 일관능성 및 다관능성 옥세탄 화합물의 개발에 따라 각종 옥세탄 화합물 합성 방법이 제안되고 있다.
이러한 옥세탄 화합물로는, 하기 화학식 4로 표시되는 옥세탄 화합물이 특허 문헌(특허 문헌 1 참조)에 개시되어 있다.
Figure 112007026476376-PAT00002
상기 식 중, R5는 수소 원자, 불소 원자, 탄소수 1 내지 6의 알킬기, 탄소수 1 내지 6개인 플루오로알킬기, 알릴기, 아릴기, 푸릴기, 또는 티에닐기이고; R6은 사슬형 또는 분지형 폴리(알킬렌옥시)기, 크실릴렌기, 실록산 결합, 및 에스테르 결합으로부터 선택된 기이고; Z는 산소 원자 또는 황 원자이며, m은 2 내지 4의 정수이다.
또한, 하기 화학식 5로 표시되는 옥세탄 고리를 갖는 비페닐 유도체, 및 하 기 화학식 6으로 표시되는 옥세탄 고리를 갖는 비페닐 유도체가 또한 제안되었다(특허 문헌 2 및 3 참조).
Figure 112007026476376-PAT00003
상기 식 중, R7은 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이다.
Figure 112007026476376-PAT00004
상기 식 중, R8 내지 R11 각각은 수소 원자 또는 메틸기를 나타내고; R12 및 R13 각각은 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타낸다.
상기 화합물은 일반적으로 염기로서 수산화나트륨 및 수산화칼륨과 같은 알칼리 금속을 사용하고 염기의 존재하에서 옥세탄 에스테르 술포네이트 및 옥세탄 에스테르 술포네이트에 상응하는 2가 페놀 화합물을 합성함으로써 얻을 수 있다. 추가로, 합성시 화합물의 수율을 증가시키기 위해서 필요에 따라 4차 암모늄 염과 같은 상 전이 촉매를 사용한다. 또한, 옥세탄 화합물은 내열성, 접착성 등을 증가시키기 위한 목적으로 코팅 조성물 및 접착제용 재료로서 지금까지 사용되어 왔으며, 옥세탄 화합물을 광 도파로 형성용 재료로서 사용하는 것이 최근 제안되었다( 특허 문헌 4 및 5 참조). 광 도파로는 광 도파로 기기, 광 집적 회로, 및 광 배선판에 도입되며, 광 통신, 광 정보 처리, 및 일반적인 광학 분야에 널리 사용된다.
<발명의 개요>
그러나, 옥세탄 화합물 중 비페닐 유도체는 분자량이 작고 점도가 낮은 화합물이어서, 예를 들면 기판 상에 두꺼운 막을 형성하기 어렵다. 또한, 2관능성으로 인하여 비페닐 유도체는 경화에 바람직하지 않게 긴 시간을 필요로 한다. 게다가, 비페닐 유도체 이외의 옥세탄 화합물은 목적하는 두께의 필름을 형성하기 어려울 뿐만 아니라 목적하는 경화성을 달성하기 어렵다는 문제점이 있다.
이러한 종래의 옥세탄 화합물이 광 도파로 형성용 재료로 사용되는 경우, 동일한 형상을 갖는 광 도파로를 안정적으로 경화시키기 어렵기 때문에 도파로 특성이 일정하지 않고 간편한 방식으로 두꺼운 막을 형성하기 어렵다는 문제점이 있다.
추가로, 종래의 옥세탄 화합물 합성 방법은 옥세타닐기의 도입이 정량적으로진행되지 않아 목적하는 옥세탄 화합물의 수율이 낮다는 문제점이 있다. 또한, 반응하지 않은 히드록실기를 갖는 화합물이 부산물로서 생성되기 때문에, 목적하는 옥세탄 화합물을 얻기 위해서는 종종 복잡한 작업을 필요로 한다.
본 발명은 상기 기술된 상황을 고려하여 달성되었으며, 본 발명의 목적은 두꺼운 막 형성성, 경화성, 내열성 등이 우수한 중합체를 제조할 수 있는 신규한 트리스옥세탄 화합물, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 광 도파로를 제공하는 것이다.
즉, 본 발명은 하기 (1) 내지 (5)에 관한 것이다.
(1) 하기 화학식 1로 표시되는 트리스옥세탄 화합물.
<화학식 1>
Figure 112007026476376-PAT00005
상기 식 중, R1 및 R3 내지 R8은 동일하거나 상이하고 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타내되, 단 R3 내지 R8 중 하나 이상은 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고;
R2는 탄소수 0 내지 16의 2가 지방족 사슬형 유기기를 나타내며;
R9는 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타낸다.
(2) 하기 화학식 2로 표시되는 페놀 화합물을 세슘 염과 반응시켜 세슘 페놀레이트를 얻고;
세슘 페놀레이트를 하기 화학식 3으로 표시되는 3-알킬-3-히드록시메틸옥세탄의 에스테르 술포네이트와 반응시키는 것
을 포함하는, 상기 (1)에 따른 트리스옥세탄 화합물의 제조 방법.
Figure 112007026476376-PAT00006
상기 식 중, R1 및 R3 내지 R8은 동일하거나 상이하고 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타내되, 단 R3 내지 R8 중 하나 이상은 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, R2는 탄소수 0 내지 16의 2가 지방족 사슬형 유기기를 나타낸다.
Figure 112007026476376-PAT00007
상기 식 중, R9는 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타내고, X는 메틸기, 에틸기, 페닐기, 또는 톨릴기를 나타낸다.
(3) 상기 (2)에 있어서, 세슘 염이 세슘 카르보네이트인 방법.
(4) 기판;
기판 상에 배치된 클래딩층; 및
소정의 패턴을 가지며 클래딩층 상에 배치된, 광 신호를 전송하는 코어를 포 함하고,
클래딩층 및 코어 중 하나 이상이 하기 화학식 1로 표시되는 트리스옥세탄 화합물을 함유하는 수지 조성물로 구성되는 광 도파로.
<화학식 1>
Figure 112007026476376-PAT00008
상기 식 중, R1 및 R3 내지 R8은 동일하거나 상이하고 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타내되, 단 R3 내지 R8 중 하나 이상은 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고;
R2는 탄소수 0 내지 16의 2가 지방족 사슬형 유기기를 나타내며;
R9는 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타낸다.
(5) 상기 (4)에 있어서, 클래딩층 및 코어 중 하나 이상이 트리스옥세탄 화합물 및 에폭시기 또는 비닐에테르기를 갖는 화합물을 함유하는 수지 조성물로 구성되는 광 도파로.
본 발명의 발명자들은 내열성, 기계적 특성 등이 우수하고, 코팅 조성물, 코 팅 재료, 접착제, 렌즈, 광 도파로 등의 재료로서 효과적으로 사용되는 중합체를 제조할 수 있는 옥세탄 화합물을 추구하였으며 광범위한 연구를 수행하였다. 각각 특정 구조를 갖는 각종 화합물의 합성 및 많은 실험의 결과, 본 발명자들은 상기 화학식 1로 표시되는 신규한 트리스옥세탄을 사용함으로써 상기 목적이 달성됨을 발견하여 이에 따라 본 발명을 완성하였다. 보다 구체적으로는, 신규 화합물은 한 분자 내에 3개의 옥세탄 고리를 가지기 때문에 빠른 경화 특성을 가지며, 이들의 경화품은 고밀도 네트워크 구조를 형성하기 때문에 내열성 등이 우수하다. 추가로, 각각 저 분자량을 갖는 종래의 화합물과는 달리, 신규 화합물은 고분자량을 갖기 때문에, 점도가 높아 두꺼운 막의 형성에 유리하고, 특히 광 도파로(클래딩층 및 코어) 형성용 재료로 사용되는 경우 안정적인 방식으로 동일한 형상을 갖는 광 도파로를 경화시킬 수 있기 때문에 동일한 도파로 특성 등을 유지하는 효과가 달성된다.
한편, 본 발명자들은 신규 화합물을 높은 수율로 합성할 수 있는 합성 방법에 대해 집중적으로 연구하였다. 그 결과, 본 발명자들은 화학식 2로 표시되는 페놀 화합물을 소정 조건 하에서, 특히 세슘 염을 염기로 사용하여 화학식 3으로 표시되는 3-알킬-3-히드록시메틸옥세탄의 에스테르 술포네이트와 반응시킴으로써 신규 화합물을 높은 수율로 합성하는 것이 가능함을 발견하였다.
상기 기술한 바와 같이, 본 발명은 화학식 1로 표시되는 신규한 트리스옥세탄 화합물에 관한 것이다. 상기 화합물은 분자량이 작은 종래의 화합물과는 달리 분자량이 크기 때문에, 점도가 높아 두꺼운 막을 형성하기 용이하다. 또한, 상기 화합물은 한 분자 내에 3개의 옥세탄 고리를 가지기 때문에, 빛 또는 열에 의해 빠르게 경화될 수 있다. 따라서, 본 발명의 트리스옥세탄 화합물을 함유하는 광 경화성 수지 조성물 및 열 경화성 수지 조성물은 경화성, 내열성, 강인성, 및 기계적 특성이 우수하고, 또한 감소된 물 흡수성, 높은 코팅 평탄성, 및 높은 접착성을 갖는다. 추가로, 상기 화합물의 높은 반응성으로 인하여 중합 개시제의 양을 감소시킬 수 있기 때문에, 상기 조성물은 투명도가 높고, 코팅 조성물, 코팅 재료, 접착제, 광학 렌즈, 광 도파로 등을 형성하기 위한 재료로 사용할 수 있다.
세슘 염을 염기로 사용하여 특정 옥세탄 에스테르 술포네이트를 특정 페놀과 반응시킴으로써, 복잡한 작업 없이도 트리스옥세탄 화합물을 높은 수율로 합성할 수 있다.
또한, 광 도파로에서 클래딩층 및 코어 중 하나 이상이 화학식 1로 표시되는 트리스옥세탄 화합물을 함유하는 수지 조성물로 이루어지는 경우, 광 도파로를 동일한 형상으로 안정적으로 경화시켜 안정한 도파로 특성 등을 달성하는 것이 가능하다.
이하에, 본 발명의 실시양태를 기술할 것이다.
본 발명의 트리스옥세탄 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이다.
<화학식 1>
Figure 112007026476376-PAT00009
상기 식 중, R1 및 R3 내지 R8은 동일하거나 상이하고 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타내되, 단 R3 내지 R8 중 하나 이상은 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고;
R2는 탄소수 0 내지 16의 2가 지방족 사슬형 유기기를 나타내며;
R9는 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타낸다.
본 발명의 트리스옥세탄 화합물은 이의 하나의 분자 내에 3개의 옥세탄 고리를 갖는 구조를 갖는다. 화학식 1에서, R1 및 R3 내지 R8은 동일하거나 상이하고 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타내고, R3 내지 R8 중 하나 이상은 탄소수 1 내지 6의 알킬기이다. R1은 바람직하게는 메틸기일 수 있고, R3 내지 R8 중 하나 이상은 바람직하게는 메틸기일 수 있다. R9는 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타내고, R9의 예는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 및 부 틸기를 포함하며, 메틸기 또는 에틸기가 바람직하다. R2는 탄소수 0 내지 16의 2가 지방족 사슬형 유기기이며, 특히 탄소수는 1 내지 4일 수 있다. R2에서, 탄소 원자가 없는(탄소수 0임) 2가 지방족 사슬형 유기기는 단일 결합을 의미한다.
하기 화학식 2로 표시되는 페놀 화합물; 하기 화학식 3으로 표시되는 3-알킬-3-히드록시메틸옥세탄의 에테르 술포네이트; 및 염기로서 세슘 염을 합성 물질로 사용하고 이들을 반응시킴으로써 화학식 1로 표시되는 트리스옥세탄 화합물을 제조하는 것이 가능하다.
<화학식 2>
Figure 112007026476376-PAT00010
상기 식 중, R1 및 R3 내지 R8은 동일하거나 상이하고 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타내되, 단 R3 내지 R8 중 하나 이상은 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, R2는 탄소수 0 내지 16의 2가 지방족 사슬형 유기기를 나타낸다.
<화학식 3>
Figure 112007026476376-PAT00011
상기 식 중, R9는 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타내고, X는 메틸기, 에틸기, 페닐기, 또는 톨릴기를 나타낸다.
통상적으로 사용되는 수산화나트륨 및 수산화칼륨과 같은 알칼리 금속이 염기로서 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 염기로서 세슘 염을 사용하는 것이 바람직하다. 세슘 염을 사용함으로써, 복잡한 작업을 수행하지 않고도 트리스옥세탄 화합물을 높은 수율로 합성하는 것이 가능하다. 이러한 경우에, 재료의 합성은 예를 들면 (i) 페놀 화합물을 세슘 염과 반응시켜 세슘 페놀레이트를 얻은 후 세슘 페놀레이트를 옥세탄 에스테르 술포네이트와 반응시키거나, 또는 (ii) 세슘 염의 존재하에서 옥세탄 에스테르 술포네이트를 페놀 화합물과 반응시킴으로써 수행한다. 바람직하게는, 합성은 방법 (i)에 따라 수행된다. 합성은 통상적으로 유기 용매(반응 용매) 중에서 수행되고, 반응 후 물 등을 반응 액체에 첨가하여 반응 액체를 수상과 유기상으로 분리하고, 이어서 목적하는 트리스옥세탄 화합물을 유기상으로부터 추출한다.
세슘 염의 예는 세슘 카르보네이트, 세슘 히드록시드, 세슘 플루오라이드, 및 세슘 포르메이트를 포함한다. 이들 중, 세슘 카르보네이트가 목적하는 트리스옥세탄 화합물을 높은 수율로 얻을 수 있게 하기 때문에 바람직하게 사용될 수 있다.
사용되는 세슘 염의 양은 화학식 2로 표시되는 페놀 화합물의 페놀 히드록실기 1 mol에 대해 바람직하게는 0.8 내지 2.0 mol, 보다 바람직하게는 1.0 내지 1.5 mol의 범위일 수 있다.
화학식 2로 표시되는 페놀 화합물은 특별히 제한되지 않으며, 이들의 예는 트리스(3-메틸-4-히드록시페닐)메탄, 트리스(2-메틸-4-히드록시페닐)메탄, 1,1-비스(3-메틸-4-히드록시페닐)-2-(히드록시페닐)에탄, 1,1,1-트리스(3-메틸-4-히드록시페닐)에탄, 1-(4-히드록시페닐)-3,3-비스(3-메틸-4-히드록시페닐)부탄, 1,3,3-트리스(3-메틸-4-히드록시페닐)부탄, 1-(4-히드록시페닐)-3,3-비스(3,5-디메틸-4-히드록시페닐)부탄, 1,3,3-트리스(3,5-디메틸-4-히드록시페닐)부탄, 1,4,4-트리스(3-메틸-4-히드록시페닐)펜탄, 및 1-(4-히드록시페닐)-4,4-비스(3-메틸-4-히드록시페닐)펜탄을 포함한다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
화학식 3으로 표시되는 3-알킬-3-히드록시메틸옥세탄의 에스테르 술포네이트의 구체적인 예는 2-(3-옥세타닐)프로필메실레이트, 2-(3-옥세타닐)프로필페닐 술포닐레이트, 2-(3-옥세타닐)프로필토실레이트, 2-(3-옥세타닐)부틸메실레이트, 및 2-(3-옥세타닐)부틸토실레이트를 포함한다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
이와 관련하여, 예를 들면 본원에 참고로 포함된 문헌 [Organic Synthesis, Collective vol. 1, pp. 145(1941)]에 기술된 방법에 따라 화학식 3으로 표시되는 3-알킬-3-히드록시메틸옥세탄의 에스테르 술포네이트를 합성하는 것이 가능하다.
화학식 3으로 표시되는 3-알킬-3-히드록시메틸옥세탄의 에스테르 술포네이트의 사용량은 화학식 2로 표시되는 페놀 화합물의 페놀 히드록실기의 1 몰에 대해 바람직하게는 1.5 내지 2.0 몰, 보다 바람직하게는 1.0 내지 1.5 몰의 범위 내일 수 있다.
본 발명의 트리스옥세탄 화합물의 제조시 반응 온도는 바람직하게는 0℃ 내지 120℃, 보다 바람직하게는 60℃ 내지 100℃의 범위 내일 수 있다. 페놀 화합물을 세슘 염과 반응시켜 세슘 페놀레이트를 얻는 경우, 반응 온도는 바람직하게는 0℃ 내지 120℃, 보다 바람직하게는 40℃ 내지 100℃의 범위 내로 설정할 수 있다. 반응 동안 압력은 특별히 제한되지 않고, 통상의 압력, 승압, 및 감압 중 어느 하나일 수 있다. 반응 분위기는 특별히 제한되지 않고, 질소 분위기 또는 공기 분위기일 수 있다.
본 발명의 트리스옥세탄 화합물의 합성시, 나트륨 및 칼륨과 같은 알칼리 금속; 리튬 히드라이드 및 나트륨 히드라이드와 같은 알칼리 금속 히드라이드; 수산화나트륨 및 수산화칼륨과 같은 알칼리 금속 히드록시드; 나트륨 카르보네이트와 같은 알칼리 금속 카르보네이트 등을 필요에 따라 합성 재료로서 첨가할 수 있다.
또한, 물-유기 상 전이 촉매로서 4차 암모늄 염, 4차 포스포늄 염 등을 필요에 따라 첨가할 수 있다. 4차 암모늄 염의 예는 테트라부틸암모늄 브로마이드(TBAB) 및 테트라에틸암모늄 브로마이드와 같은 테트라알킬암모늄 할라이드; 벤질트리메틸암모늄 클로라이드와 같은 아랄킬트리알킬암모늄 할라이드를 포함하나, 특별히 이에 제한되지는 않는다. 4차 포스포늄 염도 특별히 제한되지 않고, 이들의 예는 테트라페닐포스포늄 브로마이드와 같은 테트라아릴포스포늄 할라이드를 포함한다.
추가로, 본 발명의 트리스옥세탄 화합물의 제조시, 반응 용매는 상기 기술된 바와 같이 통상적으로 사용된다. 반응 용매는 특별히 제한되지 않고, 이들의 바람직한 예는 톨루엔 및 크실렌과 같은 방향족 탄화수소; 테트라히드로푸란 및 디부틸에테르와 같은 에테르; 및 N-메틸피롤리돈, N-메틸-2-피롤리돈, N,N-디메틸포름아미드 및 N,N-디메틸아세토아미드와 같은 비양성자성 극성 용매를 포함한다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
상기 언급한 바와 같이, 물 또는 에틸 아세테이트를 반응 액체에 첨가하고; 액체를 수상과 유기상으로 분리하고; 유기상을 추출하고; 추출된 유기상을 무수 마그네슘 술페이트로 건조시킴으로써 상기 기술된 물질로부터 합성된 트리스옥세탄 화합물을 수집할 수 있다.
이에 따라 얻어진 트리스옥세탄 화합물을 코팅 조성물, 코팅 재료, 접착제, 렌즈, 광 도파로 등을 각각 구성하는 광 경화성 수지 및 열 경화성 수지용 재료로서 효과적으로 사용할 수 있다.
무엇보다도, 도 1에 나타낸 바와 같이 기판 (1), 기판 (1) 상에 배치된 클래딩층 (2), 및 소정의 패턴을 갖고 클래딩층 (2) 상에 배치된, 광 신호를 전송하기 위한 코어 (3)을 포함하는 광 도파로에 있어서, 트리스옥세탄 화합물을 함유하는 수지 조성물이 클래딩층 (2) 및 코어 (3) 중 하나 이상을 형성하는데 사용되는 경우, 화합물은 분자량이 커서 높은 점도가 달성될 수 있기 때문에 두꺼운 막의 형성에 특히 유리하다. 추가로, 동일한 형상으로의 용이한 경화 및 안정한 도파로 특성과 같은 유리한 효과가 달성된다. 이와 관련하여, 클래딩층 (2)의 굴절율은 코어 (3)의 굴절율보다 작게 조절될 필요가 있다.
클래딩층 (2) 및 코어 (3) 중 하나 이상이 트리스옥세탄 화합물 및 에폭시기 또는 비닐에테르기를 갖는 화합물을 함유하는 수지 조성물로 이루어지는 것이 바람직한데, 이는 내열성 및 내습성이 우수한 경화물을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 노광 감도를 향상시킬 수 있기 때문이다. 에폭시기를 갖는 화합물로는, 화학식 1로 표시되는 본 발명의 화합물과 상용성을 나타내는 임의의 것들을 사용하는 것이 가능하다. 보다 구체적으로는, 하나의 에폭시기를 갖는 에폭시 화합물의 예는 페닐글리시딜에테르 및 부틸글리시딜에테르를 포함하고; 2개 이상의 에폭시기를 갖는 에폭시 화합물의 예는 비스페놀 A 디글리시딜에테르, 비스페녹시에탄올플루오렌 디글리시딜에테르, 트리메틸올프로판 트리글리시딜에테르, 및 비스페놀플루오렌 테트라글리시딜에테르; 및 3,4-에폭시시클로헥세닐메틸-3',4'-에폭시시클로헥센카르복실레이트, 2,2-비스(히드록시메틸-1-부탄올의 1,2-에폭시-4-(2-옥실라닐)시클로헥산의 부가물 등이 지환족 에폭시기를 갖는 화합물로서 바람직하게 사용된다. 비닐에테르기를 갖는 화합물로는, 화학식 1로 표시되는 본 발명의 화합물과 상용성을 나타내는 임의의 것들을 사용하는 것이 가능하다. 보다 구체적으로는, 하나의 비닐에테르기를 갖는 화합물의 예는 히드록시에틸비닐에테르, 히드록시부틸비닐에테르 및 도데실비닐에테르를 포함한다. 2개 이상의 비닐에테르기를 갖는 화합물로는, 시클로헥산디메탄올 디비닐에테르, 트리에틸렌글리콜 디비닐에테르, 노볼락형 디비닐에테르 등이 바람직하게 사용된다. 이들 화합물을 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
예를 들면, 도 2a 내지 2f에 나타낸 단계에 의해 광 도파로를 제조하는 것이 가능하다. 즉, 기판 (1)은 도 2a에 나타낸 바와 같이 제조한 후, 언더클래딩층 (2a)(클래딩층 (2)의 하부)를 도 2b에 나타낸 바와 같이 기판 (1) 상에 배치한다. 코어 (3)을 형성하기 위한 수지 조성물로 이루어진 층 (3')은 도 2c에 나타낸 바와 같이 언더클래딩층 (2a) 상에 배치된다. 포토마스크 (9)는 도 2d에 나타낸 바와 같이 소정의 패턴(광 도파로 패턴)을 노광하기 위해 수지 조성물 층 (3') 상에 배치되고, 이어서 포토마스크 (9)를 통해 수지 조성물 층 (3')에 자외선을 조사하고 가열한다. 이후에, 현상액을 사용하여 수지 조성물 층 (3')의 미노광 부분을 용해시키고 제거하여 도 2e에 나타낸 바와 같이 코어 (3)을 형성한다. 이후에, 오버클래딩층 (2b)(클래딩층 (2)의 상부)를 도 2f에 나타낸 바와 같이 코어 (3) 상에 배치한다. 따라서, 목적하는 광 도파로를 얻는 것이 가능하다.
스핀 코팅 및 코터와 같은 통상적인 방법으로 기판 (1) 상에 각 층을 형성하는 것이 가능하다. 광 도파로는 기판 (1)을 박리하여 필름형 광 도파로로 형성될 수 있다. 필름형 광 도파로는 가요성이 우수하다.
이에 따라 얻어진 광 도파로는 선형 광 도파로, 곡선형 광 도파로, 교차 광 도파로, Y 분지형 광 도파로, 슬랩 광 도파로, 마하 젠더(mach zender)형 광 도파로, AWG형 광 도파로, 격자, 광 도파로 렌즈 등으로 사용할 수 있다. 광 도파로를 사용하는 광학 소자의 예는 파장 필터, 광 스위치, 광 브랜처, 광 다중화기, 광 다중화기/브랜처, 광 증폭기, 도파로 전환기, 도파로 분할기, 광 분열기, 방향성 결합기, 레이저 다이오드 및 광 다이오드가 혼성 집적된 광 전송 모듈 등을 포함한다.
<실시예>
본 발명은 하기 실시예를 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이나, 본 발명은 하기 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예 이전에, 3-알킬-3-히드록시메틸옥세탄의 에스테르 술포네이트인 2-(3-옥세타닐)부틸토실레이트를 하기와 같이 합성하였다.
2-(3- 옥세타닐 ) 부틸토실레이트의 합성
온도계, 냉각기, 교반 장치, 및 적하 깔때기를 갖는 2000 ml의 3 구 플라스크에 190.65 g(1.0 mol)의 p-톨루엔 술포네이트 클로라이드, 32.24 g(0.1 mol)의 테트라메틸암모늄 브로마이드, 및 400 ml의 톨루엔을 붓고, 빙냉조에서 교반하에 5℃로 냉각하였다. 116.16 g(1.0 mmol)의 3-에틸히드록시메틸옥세탄을 3 구 플라스크에 부은 후, 130 ml의 35 중량％ 수산화나트륨 용액을 3 구 플라스크에 30분 동안 적가하였다. 적가한 후, 동일한 온도에서 1시간 동안 계속 교반하고, 이어서 실온에서 16시간 동안 교반하였다. 반응 후, 800 ml의 물을 플라스크에 붓고, 이어서 격렬하게 교반하였다. 혼합물을 정치하여 유기상으로부터 수상을 분리하였다. 유기상을 400 ml의 물로 세척한 후 무수 마그네슘 술페이트로 밤새 건조시켰다. 이후에, 마그네슘 술페이트를 여과하여 제거하고, 여과액을 농축시켰다. 이에 따라 얻어진 조 생성물을 실리카겔 컬럼 크로마토그래피(용리액: 헥산/에틸 아세테이트)로 분리하고 정제하여 목적하는 물질, 즉 243.3 g(수율: 90％)의 2-(3-옥세타닐)부틸토실레이트를 무색 액체로 얻었다.
<실시예 1>
온도계, 냉각관, 및 교반 장치를 갖는 200 ml 3 구 플라스크에 3.62 g(10 mmol)의 1-(4-히드록시페닐)-3,3-비스(3-메틸-4-히드록시페닐)부탄 및 15 ml의 N-메틸-2-피롤리돈을 붓고 물질이 완전히 용해될 때까지 질소 분위기 하에서 교반과 함께 80℃로 가열하였다. 용해 후, 11.73 g(36 mmol)의 세슘 카르보네이트를 첨가하고, 이어서 질소 분위기 하 80℃에서 30분 동안 교반하였다. 이 혼합물에 미리 합성한 8.92 g(33 mmol)의 2-(3-옥세타닐)부틸토실레이트를 첨가한 후, 질소 분위기 하 80℃에서 20시간 동안 교반하였다. 반응 후, 혼합물을 실온(25℃)으로 냉각시키고, 이후에 100 ml의 에틸 아세테이트 및 50 ml의 증류수를 혼합물에 첨가하였다. 혼합물을 정치하여 수상 및 유기상으로 분리하였다. 분리된 유기상을 추출한 후 물 및 포화 식염수로 세척하고, 이어서 무수 마그네슘 술페이트로 밤새 건조시켰다. 이후에, 마그네슘 술페이트를 여과하여 제거하고, 용매를 증류 제거하여 반응 조 생성물을 얻었다.
이에 따라 얻어진 조 생성물을 박막 크로마토그래피로 분석한 결과, 하나의 점이 확인되었다. 또한, 실리카겔 크로마토그래피(용리액: n-헥산/에틸 아세테이트)로 정제한 후 조 생성물을 재결정하여 5.92 g(수율: 90％)의 백색 고체 물질을 얻었다. 액체 크로마토그래피에 의해 검출된 화합물의 순도는 99％ 이상이었다.
1H-NMR 및 13C-NMR(제올사(JEOL Ltd.) 제품)를 사용한 이하의 분석 결과로부터, 얻어진 화합물이 하기 화학식 7로 표시되는 1-{4-[2-(3-옥세타닐)부톡시페닐]}-3,3-비스{3-메틸-4-[2-(3-옥세타닐)부톡시페닐]}부탄임을 확인하였다.
Figure 112007026476376-PAT00012
Figure 112007026476376-PAT00013
<실시예 2>
광 도파로(도 1참조)는 하기에 기술한 바와 같이 언더클래딩층, 코어, 및 오버클래딩층을 형성함으로써 제조하였다. 이후에, 하기 기술된 바와 같이 광 도파로의 평가를 수행하였다.
언더클래딩층의 형성
실시예 1에서 얻어진 70 중량부(하기에 "부"로 간략하게 씀)의 1-{4-[2-(3- 옥세타닐)부톡시페닐]}-3,3-비스{3-메틸-4-[2-(3-옥세타닐)부톡시페닐]}부탄, 지환족 에폭시 화합물인 30 부의 3,4-에폭시시클로헥세닐메틸-3',4'-에폭시시클로헥센카르복실레이트(다이셀 케미칼 인더스트리즈, 리미티드(Daicel Chemical Industries, Ltd.); 셀록시드(celoxide) 2021P), 및 1 부의 4,4-비스(디(β-히드록시에톡시)페닐술피니오)페닐술파이드-비스-헥사플루오로안티모네이트의 50％ 프로피온 카바이드 용액을 시클로헥사논 중에 용해시켜 클래딩층 형성용 중합성 조성물 A를 제조하였다. 이어서, 유리 기판(5 cm × 5 cm × 두께 2 mm)의 표면 상에 중합성 조성물 A를 스핀 코팅으로 코팅한 후, 100℃에서 5분 동안 건조시켰다. 표면 전체를 2,000 mJ/㎠의 조사량으로 자외선 조사한 후, 100℃에서 30분 동안 열처리하여 언더클래딩층을 형성하였다(도 2b 참조). 접촉형 필름 두께 미터를 사용하여 측정한 언더클래딩층의 두께는 30 ㎛였다. 633 nm의 파장에서 언더클래드의 굴절률은 1.545였다.
코어의 형성
이후에, 실시예 1에서 얻어진 90 부의 1-{4-[2-(3-옥세타닐)부톡시페닐]}-3,3-비스{3-메틸-4-[2-(3-옥세타닐)부톡시페닐]}부탄, 10 부의 비스페녹시에탄올 플루오렌 디글리시딜에테르(에폭시 당량: 320), 및 1 부의 4,4-비스[디(β-히드록시에톡시)페닐술피니오]페닐술파이드-비스-헥사플루오로안티모네이트의 50％ 프로피온 카바이드 용액을 시클로헥사논 중에 용해시켜 코어 형성용 중합성 조성물 B를 제조하였다. 이어서, 중합성 조성물 B를 스핀 코팅으로 언더클래딩층 상에 코팅하였다(도 2c 참조). 코팅층을 150℃에서 20분 동안 건조한 후, 50 ㎛ 피치의 선형 광 도파로 패턴이 인쇄된 합성 석영 기재 크롬 마스크(포토마스크)를 코팅층 상에 배치한 후(도 2d 참조), 크롬 마스크를 통해 접촉 노광 방법으로 2,000 mJ/㎠의 조사량으로 자외선 조사하고 150℃에서 30분 동안 열처리하였다. 이후에, 조사되지 않은 부분을 제거하기 위해서, γ-부티로락톤 용액을 사용하여 현상을 수행한 후, 150℃에서 30분 동안 가열하여 코어 패턴을 형성하였다(도 2e 참조). 코어 패턴의 단면 형상은 길이 측정 현미경을 사용하여 측정하여 폭이 50 ㎛이고 높이가 50 ㎛인 사각형이었다. 633 nm의 파장에서 코어의 굴절률은 1.570이었다.
오버클래딩층의 형성
언더클래딩층 형성용으로 제조된 중합성 조성물 A를 스핀 코팅으로 코어 및 언더클래딩층 상에 코팅하였다. 100℃에서 5분 동안 건조한 후, 전체 표면을 2,000 mJ/㎠의 조사량으로 자외선 조사하고, 이어서 150℃에서 60분 동안 열처리하여 오버클래딩층을 형성하였다(도 2f 참조). 이에 따라, 1.6％의 비굴절률 Δ를 갖는 광 도파로가 제조되었다.
평가
다이싱 장치(디스코 코퍼레이션(Disco Corporation); 모델 522)를 사용하여 10 cm의 길이로 광 도파로를 절단한 후, 말단 표면 처리를 하였다. 이어서, 광 도파로의 단면 형상을 길이 측정 현미경을 사용하여 관찰하여, 언더클래딩층의 두께가 30 ㎛이고 코어의 크기가 50 ㎛ × 50 ㎛이며; 오버클래딩층의 두께가 70 ㎛인 내장형 다모드 광 도파로임을 확인하였다. 850 nm 파장의 레이저 비임을 사용하는 통상의 컷-백(cut-back) 방법으로 측정한 광 도파로의 광 전파 손실은 0.07 dB/cm 였다. 또한, 기판으로부터 박리된 광 도파로를 필름형 도파로로서 사용하는 것이 가능하였다. 필름형 도파로는 20 mm의 R로 휘어지는 것에 대한 손실 감소가 없었고 5 mm의 R로 휘어질 수 있어서, 그의 양호한 가요성을 입증하였다.
본 발명의 트리스옥세탄 화합물은 광 경화성 수지 조성물 또는 열 경화성 수지 조성물의 성분으로 사용되고, 각 수지 조성물은 코팅 조성물, 코팅 재료, 접착제, 광학 렌즈, 광 도파로 등을 형성하기 위한 재료로 사용될 수 있다. 광 도파로의 예는 선형 광 도파로, 곡선형 광 도파로, 교차 광 도파로, Y 분지형 광 도파로, 슬랩 광 도파로, 마하 젠더형 광 도파로, AWG형 광 도파로, 격자, 및 광 도파로 렌즈를 포함한다. 광 도파로를 사용하는 광학 소자의 예는 파장 필터, 광 스위치, 광 브랜처, 광 다중화기, 광 다중화기/브랜처, 광 증폭기, 도파로 전환기, 도파로 분할기, 광 분열기, 방향성 결합기, 및 레이저 다이오드 및 광 다이오드가 혼성 집적된 광 전송 모듈 등을 포함한다.
구체적인 실시양태를 참조하여 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 각종 변화 및 변경을 가할 수 있음이 당업자에게는 명백할 것이다.
본 발명은 본원에 참고로 전문이 포함된, 2006년 4월 6일에 출원된 일본 특허 출원 제2006-105203호를 기초로 한다.
본 발명에 따르면, 두꺼운 막 형성성, 경화성, 내열성 등이 우수한 중합체를 제조할 수 있는 신규한 트리스옥세탄 화합물, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 광 도파로를 얻을 수 있다.

Claims (5)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 트리스옥세탄 화합물.
    <화학식 1>
    Figure 112007026476376-PAT00014
    상기 식 중, R1 및 R3 내지 R8은 동일하거나 상이하고 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타내되, 단 R3 내지 R8 중 하나 이상은 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고;
    R2는 탄소수 0 내지 16의 2가 지방족 사슬형 유기기를 나타내며;
    R9는 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타낸다.
  2. 하기 화학식 2로 표시되는 페놀 화합물을 세슘 염과 반응시켜 세슘 페놀레이트를 얻고;
    세슘 페놀레이트를 하기 화학식 3으로 표시되는 3-알킬-3-히드록시메틸옥세 탄의 에스테르 술포네이트와 반응시키는 것
    을 포함하는, 제1항에 따른 트리스옥세탄 화합물의 제조 방법.
    <화학식 2>
    Figure 112007026476376-PAT00015
    상기 식 중, R1 및 R3 내지 R8은 동일하거나 상이하고 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타내되, 단 R3 내지 R8 중 하나 이상은 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, R2는 탄소수 0 내지 16의 2가 지방족 사슬형 유기기를 나타낸다.
    <화학식 3>
    Figure 112007026476376-PAT00016
    상기 식 중, R9는 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타내고, X는 메틸기, 에틸기, 페닐기, 또는 톨릴기를 나타낸다.
  3. 제2항에 있어서, 세슘 염이 세슘 카르보네이트인 방법.
  4. 기판;
    기판 상에 배치된 클래딩층; 및
    소정의 패턴을 가지며 클래딩층 상에 배치된, 광 신호를 전달하는 코어를 포함하고,
    클래딩층 및 코어 중 하나 이상이 하기 화학식 1로 표시되는 트리스옥세탄 화합물을 함유하는 수지 조성물로 구성되는 광 도파로.
    <화학식 1>
    Figure 112007026476376-PAT00017
    상기 식 중, R1 및 R3 내지 R8은 동일하거나 상이하고 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타내되, 단 R3 내지 R8 중 하나 이상은 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고;
    R2는 탄소수 0 내지 16의 2가 지방족 사슬형 유기기를 나타내며;
    R9는 각각 수소 원자 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기를 나타낸다.
  5. 제4항에 있어서, 클래딩층 및 코어 중 하나 이상이 트리스옥세탄 화합물 및 에폭시기 또는 비닐에테르기를 갖는 화합물을 함유하는 수지 조성물로 구성되는 광 도파로.
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