WO2009113549A1 - 画像形成用下層膜組成物 - Google Patents

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真一 前田
豪 小野
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日産化学工業株式会社
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    • H10K85/113Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene

Definitions

  • the gate insulating film is generally designed to have a high dielectric constant for the purpose of lowering the driving voltage of the organic transistor, but the side chain containing a fluoroalkyl group is intended to increase the water repellency (hydrophobicity).
  • Increasing the content of the material significantly reduces the relative permittivity, and even if a fine image can be drawn due to high water repellency, the performance of the gate insulating film is degraded. That is, a material having a new hydrophobic side chain capable of obtaining high water repellency while suppressing a decrease in relative dielectric constant has been demanded.
  • each Y 1 independently represents a single bond, an ether bond, an ester bond, a thioether bond, an amide bond, an alkylene group which may have a branched structure having 1 to 3 carbon atoms, or the number of carbon atoms.
  • X 1 represents a single bond, —O—, —COO—, —OCO—, —CONH—, —CH 2 O—
  • X 2 represents a divalent organic compound having 3 to 18 carbon atoms.
  • R 3 represents a perfluoroalkyl group having 2 to 12 carbon atoms.
  • the organic solvent used in the above reaction is not particularly limited as long as the produced polyimide precursor can be dissolved, but specific examples thereof include N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylform.
  • Acetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, N-methylcaprolactam, dimethyl sulfoxide, tetramethyl urea, pyridine, dimethyl sulfone, hexamethyl sulfoxide, ⁇ -butyrolactone and the like can be mentioned. These may be used alone or in admixture of two or more. Furthermore, even if it is a solvent which does not dissolve a polyimide precursor, you may mix with the said solvent in the range which the produced
  • Catalytic imidation is possible by stirring the polyimide precursor in an organic solvent for 1 to 100 hours in the presence of a basic catalyst and an acid anhydride.
  • a basic catalyst examples include pyridine, triethylamine, trimethylamine, tributylamine, trioctylamine and the like. Of these, pyridine is preferable because it has a suitable basicity for proceeding with the reaction.
  • the imidation rate is not particularly limited.
  • polyimide it is possible to obtain a highly reliable film by low-temperature firing (180 ° C. or less) that can be used for plastic substrates, and polyimide has a lower polarity than polyimide precursor, and before ultraviolet irradiation. Since advantages such as a high water contact angle (high hydrophobicity) can be obtained, it is more preferable to use polyimide.
  • the content is preferably 0.1 to 30 parts by mass, more preferably 1 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the image forming lower layer film composition. is there.
  • the material of the high insulating layer and the material of the hydrophilic / hydrophobic conversion layer that is, the polyimide precursor and / or polyimide of the present invention
  • the polarity or molecular weight of the upper layer material is compared with that of the lower layer. If the mixture is small, the above-mentioned concentration gradient (herein referred to as layer) is used because the upper layer material moves to the surface and forms a layer while the mixture is applied to the substrate and dried to evaporate the solvent. Separation) can be easily controlled.
  • the lower layer film for image formation it is necessary to irradiate the lower layer film for image formation with an amount of ultraviolet light that sufficiently changes the contact angle of the image forming solution, but it is 40 J / cm 2 or less from the viewpoint of energy efficiency and shortening of the manufacturing process. Preferably, it is 20 J / cm 2 or less, and most preferably 10 J / cm 2 or less.
  • the charge transporting substance is not particularly limited as long as it has conductivity capable of transporting holes or electrons.
  • Examples thereof include, for example, metal fine particles such as gold, silver, copper and aluminum, inorganic materials such as carbon black, fullerenes and carbon nanotubes, and organic ⁇ -conjugated polymers such as polythiophene, polyaniline, polypyrrole, polyfluorene and derivatives thereof.
  • Etc. halogen, Lewis acid, proton acid, transition metal compound (specific examples include Br 2 , I 2 , Cl 2 , FeCl 3 , MoCl 5 , BF 4 , AsF 6 for the purpose of improving the charge transporting ability of the charge transport material.
  • image forming solution according to the present invention include conductive polymer solutions such as Baytron (registered trademark) P (polyethylenedioxythiophene, Bayer), Dotite XA-9069 (Fujikura Kasei), W4A (Sumitomo). And silver fine particle dispersions such as NPS-J (manufactured by Harima Chemicals).
  • Baytron registered trademark
  • P polyethylenedioxythiophene, Bayer
  • Dotite XA-9069 Frejikura Kasei
  • W4A Suditomo
  • silver fine particle dispersions such as NPS-J (manufactured by Harima Chemicals).
  • GPC device Shodex (registered trademark) (GPC-101) manufactured by Showa Denko KK
  • the polyimide film obtained from PI-6 (Comparative Example 2) exhibited liquid repellency, but the change in hydrophilicity / hydrophobicity due to ultraviolet irradiation was as small as 3.7 °, and the contact angle difference capable of forming an image was small. Can not get.
  • Example 9 Relative permittivity of polyimide film formed from PI-2>
  • the solution of PI-2 prepared in Synthesis Example 2 was dropped onto a glass substrate with ITO (2.5 cm square, thickness 0.7 mm) using a syringe with a 0.2 ⁇ m pore filter and applied by spin coating. Thereafter, heating was performed for 5 minutes on an 80 ° C. hot plate in the atmosphere to volatilize the organic solvent, followed by baking for 60 minutes on a 180 ° C. hot plate to obtain a polyimide film having a thickness of about 400 nm.
  • ⁇ Composition Preparation Example 2 Preparation of image-forming underlayer film composition> 9 g of a 6 wt% solution of polyimide (PI-15) prepared in Synthesis Example 12 and 1 g of a 6 wt% solution of polyimide (PI-13) prepared in Synthesis Example 11 were mixed and stirred for 6 hours at room temperature. B was obtained.
  • composition Preparation Example 3 Preparation of image-forming underlayer film composition> 8.5 g of a 6 wt% solution of polyimide (PI-15) prepared in Synthesis Example 12 and 1.5 g of a 6 wt% solution of polyimide (PI-13) prepared in Synthesis Example 11 were mixed and stirred at room temperature for 6 hours. And composition C was obtained.
  • Example 37 An organic transistor was produced using the same procedure as in Example 36 except that the silver electrode obtained in Example 21 was used.

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Abstract

【課題】形成された画像形成用下層膜が高い撥水性(疎水性)を有し、少ない紫外線露光量でもの親疎水性を容易に変化させることができ、しかも、比誘電率が高い、画像形成用下層膜組成物並びに該組成物を用いて得られる硬化膜を提供する。 【解決手段】下記式(1)及び(1a)で表される構造単位を含むポリイミド該ポリイミド前駆体を脱水閉環して得られるポリイミドからなる群より選ばれる少なくとも一種を含む事を特徴とする画像形成用下層膜組成物並びに該組成物を用いて得られる硬化膜。 (式中、Aは4価の有機基を表し、B1はフルオロアルキル基有する2価の有機基を表し、B2は2価の有機基を表し、R1、R2、R1a、R2aはそれぞれ独立して水素原子または一価の有機基を表し、nとmはそれぞれ正の整数を表し且つ0.01≦n/(n+m)≦0.3を満たす。)

Description

画像形成用下層膜組成物
 本発明は、ポリイミドの前駆体及び/又はこのポリイミドの前駆体を脱水閉環したポリイミドを含む画像形成用下層膜組成物に関するものであり、更には該組成物を用いて作製された硬化膜及び電子デバイスに関するものである。
 電子デバイスの製造工程において、電極や機能性薄膜のパターン形成にあたり、液体の濡れ性の差を利用した塗り分け技術を機能性薄膜のパターニングに応用することが提案されている。これは、基板表面に、液体に濡れやすい領域と液体に濡れにくい領域とからなるパターニング層を作り、次いでこのパターニング層上に機能性薄膜形成材料の含有液体を塗布し続いて乾燥させることで、液体に濡れやすい領域にのみ機能性薄膜を形成させ、有機EL(エレクトロルミネッセンス)素子や、有機FET(電界効果型トランジスタ)素子などの電子デバイスを作製するという方法である。
 上記電極のパターン形成に用いる画像形成液として、主にPEDOT/PSS水溶液が用いられているが、該PEDOT/PSS水溶液は表面張力が比較的高いことからスピンコート法や印刷法などの方法で成膜することが困難であるため、一般に表面張力が低くなるように調整されている。表面張力が低い画像形成液は、成膜対象となる基板に対して濡れ広がる性質を示すため、目的とする部位以外の領域に液の濡れ広がりを抑えるためには、目的とする部位のみを親水性化し、該領域表面は疎水性化する必要がある。
 近年、電極や機能性薄膜等のパターニング層として疎水性側鎖を含有するポリイミド前駆体または該ポリイミド前駆体から得られるポリイミドを採用し、ポリイミド膜の親疎水性を変化させることにより、水接触角を変化する事が可能であることを利用して、塗布型機能材料を塗り分ける技術が広く研究されている。
 例えば、脂肪族環を有するポリイミド前駆体又はポリイミドを用いて得られる濡れ性変化層の特性が明示されている(例えば特許文献1参照)。該文献においては、ポリイミドの脂肪族環が開裂することが、親疎水性の変化をもたらす要因の一つであると推察されており、側鎖の量(すなわち側鎖の数)が多いほど、表面エネルギー(臨界表面張力)が低くなり、疎液性になるとも推察されている。
 また同文献の実施例において、脂肪族環を有する酸二無水物と炭化水素基を側鎖に有するジアミンを用いて得られるポリアミド酸を濡れ性変化層として用いた場合に、紫外線照射により親疎水性が大きく変化したとする結果が示されており、また該濡れ性変化層上にPEDOT/PSSからなる電極層を形成して、電子素子を作製したことが示されている。
国際公開第2006/137366号パンフレット
 通常、画像形成液は成膜可能とするために、水よりも低い表面張力を有するように設計されている。そのため、画像形成液は、塗布のし易さを考慮して、水よりも表面張力が低い有機溶媒系であることが多い。
 しかし、上記文献に例示される疎水性の側鎖では、側鎖の含有量を十分に多くした場合においても、未露光部の疎水性(すなわち撥水性)は十分に高いとは言えず、例えば未露光部に画像形成液がはみ出した場合、そのまま画像形成液が乾燥してしまい、目的の画像が得られないという問題があった。
 さらに、疎水性基は一般に比誘電率が低く、側鎖含有量の増加は比誘電率の低下を招き、特に疎水性の高いフルオロアルキル基は他の疎水性基と比較しても比誘電率が極めて低いことから、有機トランジスタなどに使われるゲート絶縁膜においては好ましいとは言えないという問題があった。
 このため、主に有機トランジスタのソース・ドレイン電極のパターニングに用いられる画像形成用下層膜は、ゲート絶縁膜としての機能をも併せ持つ必要性があることから、上述のフルオロアルキル基を側鎖に含むポリイミド系材料を画像形成用下層膜として用いられた例は無かった。
 このように、一般にゲート絶縁膜は有機トランジスタの駆動電圧を下げる目的で比誘電率が高くなるように材料設計されているが、撥水性(疎水性)を高める目的でフルオロアルキル基を含む側鎖の含有量を増やすだけでは、比誘電率が大幅に低下してしまい、例え高い撥水性によって微細な画像が描けたとしても、ゲート絶縁膜の性能が低下する問題があった。つまり、比誘電率の低下を抑えつつ、高い撥水性が得られる新たな疎水性側鎖を有する材料が求められていた。
 本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、形成された画像形成用下層膜が高い撥水性(疎水性)を有し、少ない紫外線露光量で親疎水性を容易に変化させることができ、しかも、比誘電率の低下を抑制できる、画像形成用下層膜組成物を提供することを目的とする。
 また、形成された下層膜が、低表面張力溶媒を主溶媒とした画像形成液を、スピンコート法やインクジェットプリント法などの塗布方法で塗布し、高精細なパターニング(画像形成)が可能である、画像形成用下層膜組成物を提供することを目的とする。
 さらに、200℃以下(180℃以下)の温度で焼成可能で、電気絶縁性や化学的安定性が高い画像形成用下層膜形成組成物、並びに、絶縁性に優れゲートリーク電流が少ない良好な特性の有機トランジスタ用ゲート絶縁膜を提供することを目的とする。
 本発明者らは、上記目的を達成するため、鋭意検討を重ねた結果、ポリイミド前駆体及び/又は該ポリイミド前駆体から得られるポリイミドの構造内に、フルオロアルキル基を有するフェニル基を30モル%を超えない範囲で導入させることにより、紫外線照射によって親水性/疎水性を大きく変化させることができるだけでなく、また高い撥水性を付与し、比誘電率の低下が起こらないことを見出し、本発明を完成するに至った。
 即ち、本発明は第1観点として、下記式(1)及び式(1a)で表される構造単位を含むポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体を脱水閉環して得られるポリイミドからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を含む事を特徴とする画像形成用下層膜組成物に関する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
(式中、Aは4価の有機基を表し、B1は下記式(2)で表される少なくとも1種の2価の有機基を表し、B2は2価の有機基を表し、R1、R2、R1a、R2aはそれぞれ独立して水素原子または一価の有機基を表し、nは式(1)で表される構造単位の合計モル数であり、mは式(1a)で表される構造単位の合計モル数であって、nとmはそれぞれ正の整数を表し且つ0.01≦n/(n+m)≦0.3を満たす。)
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
(式中、X1は、単結合、-O-、-COO-、-OCO-、-CONH-、-CH2O-を表し、X2は、炭素原子数3乃至18の2価の有機基を表し、R3は炭素原子数2乃至12のパーフルオロアルキル基を表す。)
 第2観点として、前記式(1a)中、B2が下記式(3)乃至(5)からなる群より選択される少なくとも一種の基である、第1観点に記載の画像形成用下層膜組成物。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
(式中、Y1は、それぞれ独立して、単結合、エーテル結合、エステル結合、チオエーテル結合、アミド結合、炭素原子数1乃至3の分岐構造を有していても良いアルキレン基又は炭素原子数1乃至3の分岐構造を有していても良いアルキレンジオキソ基を表し、Y2は、単結合、エーテル結合、エステル結合、チオエーテル結合、アミド結合を表し、R4はそれぞれ独立して、水素原子、メチル基、エチル基、トリフルオロメチル基を表し、R5は、水素原子、メチル基、トリフルオロメチル基を表し、R6は、メチレン基、エチレン基を表し、jはそれぞれ独立して0又は1を表す。)
 第3観点として、前記式(1)及び式(1a)中、Aで表される4価の有機基が下記式(6)乃至(11)からなる群より選択される少なくとも一種の基である、第1観点又は第2観点に記載の画像形成用下層膜組成物。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
(式中、R7、R8、R9、R10、はそれぞれ独立して水素原子、フッ素原子または炭素原子数1乃至4の炭化水素基を表す。)
 第4観点として、前記式(1)及び式(1a)で表される構造単位を含むポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体を脱水閉環して得られるポリイミドが、下記式(16)で表されるテトラカルボン酸二無水物と、下記式(17)及び(18)で表されるジアミン成分を反応させて得られるポリイミド前駆体及びポリイミドである、第1観点乃至第3観点のうち何れか一項に記載の画像形成用下層膜組成物。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000010
(式中、A、B1及びB2は前記式(1)及び式(1a)における定義と同義である。)
 第5観点として、第1観点乃至第4観点のうちいずれか一項に記載の画像形成用下層膜組成物を用いて得られる画像形成用下層膜。
 第6観点として、第1観点乃至第5観点のうちいずれか一項に記載の画像形成用下層膜組成物を用いて得られる電極パターン形成用下層膜。
 第7観点として、第1観点乃至第5観点のうちいずれか一項に記載の画像形成用下層膜組成物を用いて得られる有機トランジスタ用ゲート絶縁膜。
 第8観点として、第7観点に記載の有機トランジスタ用ゲート絶縁膜を用いて得られる有機トランジスタ。
 本発明のポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体から得られるポリイミドからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を含む画像形成用下層膜組成物は、これより形成された膜において、低表面張力の溶媒を主溶媒として用いた画像形成液に対して、紫外線照射によって大きな接触角変化つまり親疎水性の変化を付与する事ができる。従って、こうした特性を利用して電極などの機能性材料等の画像形成が可能な下層膜を形成することができる。
 さらに、本発明の組成物から形成される硬化膜は、比誘電率が高い画像形成用下層膜を形成することができる。比誘電率の高い画像形成用下層膜は、有機トランジスタ用ゲート絶縁膜としても用いる事ができる。また、比誘電率の高い画像形成用下層膜は、有機トランジスタの駆動電圧を下げることができる。
 さらに、本発明の組成物から形成される硬化膜は、画像形成液をインクジェットのみならずスピンコートやディップ法など様々な方法で塗布することが可能であるため、生産性の点で有効な材料となる。
 本発明は、新規な構造を有するポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体から得られるポリイミドからなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物を含有する画像形成用下層膜組成物である。更に、前記組成物を用いて得られる硬化膜(画像形成用下層膜、電極パターン形成用下層膜、有機トランジスタ用ゲート絶縁膜)、及びその硬化膜を用いる電子デバイスに関する。
 以下、詳細を説明する。
[ポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体より得られるポリイミド]
 本発明は下記式(1)及び式(1a)で表される構造単位単位を含むポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体を脱水開環して得られるポリイミドからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を含む、画像形成用下層膜組成物である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000011
(式中、Aは4価の有機基を表し、B1は前記式(2)で表される少なくとも1種の2価の有機基を表し、B2は2価の有機基を表し、R1、R2、R1a、R2aはそれぞれ独立して水素原子または一価の有機基を表し、nは式(1)で表される構造単位の合計モル数であり、mは式(1a)で表される構造単位の合計モル数であって、nとmはそれぞれ正の整数を表し且つ0.01≦n/(n+m)≦0.3を満たす。)
 上記式(1)及び式(1a)中、Aで表される有機基の構造は4価の有機基であれば特に限定されない。また、式(1)及び式(1a)で表されるポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体より得られるポリイミドからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物において、Aで表される有機基の構造は1種類であっても、複数種が混在していてもよい。
 Aで表される有機基の具体例としては、下記式A-1乃至A-36の有機基を挙げることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000013
 上記式A-1乃至A-36は、画像形成用下層膜と為したとき、求められる特性によって適宜選択され得る。
 例えば、上記式A-1乃至A-36のうち、A-1乃至A-11は、式(1)及び式(1a)で表される構造単位を含むポリイミド前駆体をポリイミドとなした場合に、芳香族環がイミド環に直接結合することとなるため、絶縁性が低下する(リーク電流が大きい)と考えられるが、脂肪族環がイミド環に直接結合した場合と比べて比誘電率が高くなるという特徴を有する。
 一方、A-12乃至A-35は、基内に脂環構造を有していることから、絶縁性が高くなる(リーク電流が少ない)だけでなく、後述する接触角変化に必要な紫外線の照射量を減ずることができるという観点からも好適であり、特にA-12乃至A-15が好ましい。
 また、A-17、A-27、A-29、A-30、A-31、A-32又はA-36などが、接触角変化に必要な紫外線の照射量を減ずることができ、且つ、ポリイミドとした際に溶媒への溶解性が高いことから最も好ましい。また、溶解性の向上と親疎水性の変化に必要な紫外線の照射量の低減を目的に脂環構造を有する4価の有機基を複数種類組み合わせて用いても良い。
 上記式(1)中、B1はフルオロアルキル基を有する2価の有機基であり、具体的には下記式(2)で表される少なくとも1種の2価の有機基を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000014
(式中、X1は、単結合、-O-、-COO-、-OCO-、-CONH-、-CH2O-を表し、X2は、炭素原子数3乃至18の2価の有機基を表し、R3は炭素原子数2乃至12のパーフルオロアルキル基を表す。)
 前記R3で表されるフルオロアルキル基は、表面自由エネルギーが小さく高い撥水性を付与することができるが、炭素原子数が2未満では高い撥水性が得られず、また長すぎると撥水性のコントロールが困難になるだけでなく、比誘電率が低くなるなどの理由から、炭素原子数は2以上乃至12、より好ましくは4乃至8であることが望ましい。
 また、フッ素含有量を増加させることで、より高い撥水性を得ることができるが、長鎖アルキルすべてがフッ素化された構造では、反対に比誘電率の大きな低下を引き起こすこととなる。
 このため、フッ素原子を含有しないアルキレン基などの炭素鎖をスペーサー(式(2)中、X2)として用いることにより、比誘電率の低下を抑えつつ、高い撥水性を得る事が可能となる。
 X2は炭素原子数3乃至18の2価の有機基であり、より好ましくは炭素原子数6乃至18、最も好ましくは炭素原子数9乃至18の2価の有機基である。
 X2は炭素原子数3乃至18の2価の有機基であれば構造は特に限定されないが、好ましくはアルキレン基、芳香族環又は脂肪族環、或いはその両方を有する2価の炭化水素基から選択される。
 式(2)中、上記X2は直接ベンゼン環に結合していてもよいが、結合基を介して結合していてもよい。すなわち、式(2)において、X1としては、単結合、-O-、-COO-、-OCO-、-CONH-、-CH2O-が挙げられる。
 前記式(2)で表される2価の有機基であるB1の具体例としては、下記式(12)乃至(15)が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000015
 なお、親水性-疎水性の変化を示す接触角の変化は、紫外線照射によって式(1)中B1のフルオロ含有側鎖が分解することで起こると考えられる。それに加え、前述のAで表される4価の有機基も紫外線によって分解し、接触角が大きく変化する事が知られている(特許文献1)。
 前記一般式(1)中、B1で表されるフルオロアルキルを有する2価の有機基(式(2)で表される基)は少量でも高い撥水性を付与できる。しかしながら、含有量を多くしすぎると比誘電率が低くなり、また、紫外線の照射による親疎水性の変化量も小さくなることから、下記B2で表される2価の有機基を併用する。
 上記式(1a)中、B2は2価の有機基であり、以下の要件を満たすような有機基が好ましい。
 従来、撥水性付与を目的として長鎖側鎖が導入されてきたが、前述の通り、B1基内のフルオロアルキル基は、少量で高い撥水性を付与できることから、長鎖側鎖の導入割合を低減できる
 従って、撥水性付与、すなわち、表面自由エネルギーを下げるというという観点からは、フルオロアルキル基以外の長鎖アルキル基は必要なく、むしろ比誘電率の低下を引き起こすことから、含まれない方が好ましい。
 なお、長鎖側鎖の導入割合の低減は、接触角変化部位(酸無水物成分)の密度を高めることとなり、感度向上の期待ができるという観点からも好ましい。本明細書において、感度とは、露光量(紫外線照射量)当たりの疎水性から親水性への変換度合いを表す。
 すなわち、B2で表される2価の有機基は、上記条件を満たし、そして紫外線を効率的に吸収し、接触角変化が効率よく進行するという観点から芳香族環を有している方が好ましい。例えば、以下の式(3)乃至(5)で表される有機基であることが望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000016
(式中、Y1は、それぞれ独立して、単結合、エーテル結合、エステル結合、チオエーテル結合、アミド結合、炭素原子数1乃至3の分岐構造を有していても良いアルキレン基又は炭素原子数1乃至3の分岐構造を有していても良いアルキレンジオキソ基を表し、Y2は、単結合、エーテル結合、エステル結合、チオエーテル結合、アミド結合を表し、R4はそれぞれ独立して、水素原子、メチル基、エチル基、トリフルオロメチル基を表し、R5は、水素原子、メチル基、トリフルオロメチル基を表し、R6は、メチレン基、エチレン基を表し、jはそれぞれ独立して0又は1を表す。)
 上記式(3)乃至(5)で表されるB2の具体例として、下記B-1乃至B-23の2価の有機基が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000017
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000018
 このなかで、B-2、B-3、B-5、B-10、B-13は溶解性が高く、溶解性の高い可溶性ポリイミドを製造可能なことからより好ましい。
 また、B2で表される2価の有機基は、溶解性、露光量の低減などの観点から2種類以上を組み合わせて用いてもよい。また、比誘電率が低下しない範囲においては、長鎖アルキル側鎖を有するその他の2価の有機基を用いることも可能である。
 前述したように、前記一般式(1)中、B1基内に含まれるフルオロアルキルは、含有量を多くしすぎると比誘電率の低下及び紫外線の照射による親疎水性の変化量の低下につながることから、上記B2で表される2価の有機基を併用する。
 但し、フルオロアルキル基の含有量を少なくしすぎると、未露光部の撥水性が低くなり、表面張力の低い画像形成液をパターニングすることが出来なくなる。
 従って、B1とB2の含有割合、すなわち、式(1)中に表されるnと式(1a)中に表されるmの割合は、好ましくは0.01≦n/(n+m)<0.1、最も好ましくは、0.01≦n/(n+m)<0.06の範囲にあることが望ましい。
《ポリイミド前駆体の製造方法》
 前記式(1)及び式(1a)で表される構造単位を含むポリイミド前駆体を得るには、下記式(16)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分と下記式(17)及び(18)で表されるジアミン成分とを、有機溶媒中で混合させる方法が簡便である。なお、これらのテトラカルボン酸二無水物成分及びジアミン成分は、それぞれ一種又は二種以上のものであってもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000019
(式中、Aは4価の有機基であり、B1は前記一般式(2)で表される2価の有機基であり、B2はB1以外の2価の有機基を表す。)
 上記式(16)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分において、Aで表される4価の有機基の具体例は、上述の式A-1乃至A-36に示したものが挙げられる。
 上記式(17)又は(18)で表されるジアミン成分において、B1はフルオロアルキル基を含む2価の有機基であって、具体的には前述の式(12)乃至(15)で表されるものが挙げられる。また、B2で表される2価の有機基の具体例は、上述の式B-1乃至B-23に示したものが挙げられる。
 前述において示したとおり、Aは脂肪族環を含む4価の有機基を多く含む有機基であること、すなわち、テトラカルボン酸二無水物成分は脂肪族酸二無水物の割合が多いものであるものが好ましい。
 これは、芳香族酸無水物を用いてポリイミド前駆体等を製造し、硬化膜を為した場合、該硬化膜に高電界を印加すると絶縁性が著しく低下することとなるが、脂肪族酸無水物は高電界における絶縁性が優れていることによる。
 例えば有機トランジスタの動作電圧は1MV/cm程度になることもあり、該用途の場合には、絶縁性の観点から、脂肪族酸無水物をポリイミド前駆体の原料として用いることが望ましい。
 上述のテトラカルボン酸二無水物成分とジアミン成分とを有機溶媒中で混合させる方法としては、ジアミン成分を有機溶媒に分散あるいは溶解させた溶液を攪拌させ、テトラカルボン酸二無水物成分をそのまま、または有機溶媒に分散あるいは溶解させて添加する方法、逆にテトラカルボン酸二無水物成分を有機溶媒に分散あるいは溶解させた溶液にジアミン成分を添加する方法、テトラカルボン酸二無水物成分とジアミン成分を交互に添加する方法などが挙げられる。
 また、テトラカルボン酸二無水物成分とジアミン成分が複数種の化合物は、これら複数種の成分をあらかじめ混合した状態で重合反応させても良く、個別に順次重合反応させてもよい。
 本発明で用いられる上記ポリイミド前駆体が、上記式(16)で表されるテトラカルボン酸二無水物成分と上記式(17)及び(18)で表されるジアミンから製造される場合、両成分の配合比、すなわち即ち〈テトラカルボン酸二無水物成分の総モル数〉:〈ジアミン成分の総モル数〉は1:0.5乃至1:1.5であることが望ましい。通常の重縮合反応同様、このモル比が1:1に近いほど生成するポリイミド前駆体の重合度は大きくなり、分子量が増加する。
 前記ポリイミド前駆体の製造方法において、テトラカルボン酸二無水物成分とジアミン成分とを有機溶媒中で反応させる際の温度は通常-20乃至150℃、好ましくは0乃至80℃である。
 反応温度を高温に設定すると重合反応は迅速に進行し完了するが、高すぎると高分子量のポリイミド前駆体が得られない場合がある。
 また、有機溶媒中で行う重合反応において、溶媒中の両成分(テトラカルボン酸二無水物成分及びジアミン成分)の固形分濃度は特に限定されないが、濃度が低すぎると高分子量のポリイミド前駆体を得ることが難しくなり、濃度が高すぎると反応液の粘度が高くなり過ぎて均一な攪拌が困難となるので、好ましくは1乃至50質量%、より好ましくは5乃至30質量%である。重合反応初期は高濃度で行い、重合体(ポリイミド前駆体)の生成と共に、その後、有機溶媒を追加しても構わない。
 上記反応の際に用いられる有機溶媒は、生成したポリイミド前駆体が溶解するものであれば特に限定されないが、あえてその具体例を挙げるならば、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルホルムアセトアミド,N-メチル-2-ピロリドン、N-メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルスルホキシド、γ-ブチロラクトン等を挙げることができる。これらは単独でも、また二種以上を混合して使用してもよい。さらに、ポリイミド前駆体を溶解させない溶媒であっても、生成したポリイミド前駆体が析出しない範囲で、上記溶媒に混合してもよい。
 このようにして得られたポリイミド前駆体を含む溶液は、後述する画像形成下層膜塗布液の調製にそのまま用いることができる。また、ポリイミド前駆体を水、メタノール、エタノール等の貧溶媒に沈殿単離させて回収して用いることもできる。
《ポリイミドへの変換》
 一般式(1)及び式(1a)で表される構造単位を有するポリイミド前駆体は脱水閉環によりポリイミドとすることができる。このイミド化反応の方法は特に限定されないが、塩基性触媒と酸無水物を用いる触媒イミド化が、イミド化反応の際にポリイミドの分子量低下が起こりにくく、またイミド化率の制御が容易なため好ましい。
 触媒イミド化は、前記ポリイミド前駆体を有機溶媒中において、塩基性触媒と酸無水物の存在下で1乃至100時間攪拌することにより可能である。
 なおここで、ポリイミド前駆体は、前述のテトラカルボン酸二無水物成分及びジアミン成分の重合によって得られたポリイミド前駆体を含む溶液をそのまま(単離せずに)用いてもよい。
 塩基性触媒としてはピリジン、トリエチルアミン、トリメチルアミン、トリブチルアミン、トリオクチルアミン等を挙げることができる。なかでも、ピリジンは、反応を進行させるのに適度な塩基性を持つので好ましい。
 酸無水物としては無水酢酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸などを挙げることができる。中でも無水酢酸は、イミド化終了後に、得られたポリイミドの精製が容易となるので好ましい。
 有機溶媒としては前述したポリイミド前駆体の重合反応時に用いる溶媒を使用することができる。
 触媒イミド化させるときの反応温度は-20乃至250℃が好ましく、より好ましくは0乃至180℃である。反応温度が高温に設定するとイミド化は迅速に進行するが、高すぎるとポリイミドの分子量が低下する場合がある。
 塩基性触媒の量は前記ポリイミド前駆体中の酸アミド基に対して0.5乃至30モル倍が好ましく、より好ましくは2乃至20モル倍である。また、酸無水物の量は前記ポリイミド前駆体中の酸アミド基に対して1乃至50モル倍が好ましく、より好ましくは3乃至30モル倍である。
 上記反応温度及び触媒量を調整することで、得られるポリイミドのイミド化率を制御することができる。
 以上のようにして得られた溶媒可溶性ポリイミドの反応溶液は、そのまま後述するゲート絶縁膜の作製に用いることが可能であるものの、反応液中にはイミド化触媒等が含まれているのでポリイミドを精製・回収・洗浄してから、後の膜の作製に使用することが好ましい。
 ポリイミドの回収は、攪拌させている貧溶媒に反応液を投入してポリイミドを沈殿させ、これを濾過する方法が簡便である。
 この際に用いる貧溶媒としては特に限定されないが、メタノール、ヘキサン、ヘプタン、エタノール、トルエン、水などが例示できる。沈殿を濾過して回収した後は、上記貧溶媒で洗浄することが好ましい。
 回収したポリイミドは常圧あるいは減圧下で、常温あるいは加熱乾燥してポリイミド粉末とすることができる。
 このポリイミド粉末をさらに良溶媒に溶解して、貧溶媒に再沈殿する操作を2乃至10回繰り返すと、ポリマー中の不純物を更に少なくすることもできる。
 このとき用いる良溶媒としては、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、2-ピロリドン、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、N-ビニル-2-ピロリドン、N-メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、γ-ブチロラクトン等が挙げられる。これらは単独で用いても混合して用いても良い。
 また、再沈殿に用いる貧溶媒として例えばアルコール類、ケトン類、炭化水素など3種類以上の貧溶媒を用いると、より一層精製の効率が上がる。
[画像形成用下層膜組成物]
 本発明の画像形成用下層膜組成物は、前記ポリイミド前駆体及び/又は前記ポリイミド、並びに溶媒を含有し、所望により後述のカップリング剤や界面活性剤等を更に含有することができる組成物である。
 本発明の画像形成用下層膜組成物に用いる前記ポリイミド前駆体及び/又はポリイミドの分子量は、取扱いの容易さ、膜形成した際の耐溶剤性等の安定性の観点から、重量平均分子(GPCによる測定結果)で2,000乃至200,000が好ましく、より好ましくは5,000乃至50,000であるものを用いることが望ましい。
 本発明の画像形成用下層膜組成物を用いて硬化膜を作製し、紫外線を照射したとき、親疎水性の変化量に関してはポリイミド前駆体とポリイミドの間に大きな差がないため、得られる硬化膜がこの点に重点をおく場合、イミド化率は特には限定されない。
 但し、ポリイミドを用いることにより、プラスチック基板が対応できる低温焼成(180℃以下)で信頼性の高い膜を得られる点、ポリイミドの方がポリイミド前駆体に比して極性が低く、紫外線照射前の水接触角を高くできる(疎水性を高くできる)点などの利点が得られることから、ポリイミドを用いることがより好ましい。
 本発明の画像形成用下層膜組成物においては、主な用途として有機トランジスタ用の電極形成が想定され、画像形成用下層膜としての機能だけでなく、高い絶縁性も要求される。
 このように、絶縁性を重点におく硬化膜(例えばゲート絶縁膜)に用いる場合、ポリイミド前駆体をイミド化したポリイミドを直接溶媒に溶解させ、画像形成用下層膜形成組成物とすることが好ましい。
 この場合、イミド化率が高いと溶媒溶解性が低下するが、溶解性が損なわれない範囲でイミド化率は高いほうが好ましく、具体的には80%以上、より好ましくは90%以上である。
 なお本発明において、イミド化率とは、ポリイミドをd6-DMSO(ジメチルスルホキシド-d6)に溶解し、1H-NMRを測定し、アミドプロトン数と芳香族プロトン数の比率から、イミド化せずに残存しているアミド酸基の比率を求めイミド化率を算出したものを指す。
 本発明の画像形成用下層膜組成物に用いる溶媒としては、ポリイミド前駆体又はポリイミドを溶解することができれば特に限定はされず、その例としては、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、2-ピロリドン、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、N-ビニル-2-ピロリドン、N-メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、γ-ブチロラクトン等の良溶媒が挙げられる。これらは一種単独で用いても混合して用いても良く、さらに、アルコール類、ケトン類、炭化水素などの貧溶媒を前記良溶媒と混合して用いてもよい。
 本発明の画像形成用下層膜組成物におけるポリイミド前駆体及び/又はポリイミドの合計質量の割合は、ポリイミド前駆体及び/又はポリイミドが均一に溶媒に溶解している限り、特に限定されるものではないが、例えば1乃至30質量%であり、また例えば5乃至20質量%である。
 本発明の画像形成用下層膜組成物の調製方法は特に限定されないが、前述のテトラカルボン酸二無水物成分及びジアミン成分の重合によって得られたポリイミド前駆体を含む溶液、あるいは該溶液を用いて得られたポリイミドの反応溶液をそのまま用いてもよい。
 また、本発明の画像形成用下層膜組成物にあっては、該組成物と基板との密着性を向上させる目的で、本発明の効果を損なわない限りにおいてカップリング剤を更に含有することができる
 上記カップリング剤としては、官能性シラン含有化合物やエポキシ基含有化合物を挙げることができ、具体的には、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、2-アミノプロピルトリメトキシシラン、2-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-(2-アミノエチル)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-(2-アミノエチル)-3-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、3-ウレイドプロピルトリメトキシシラン、3-ウレイドプロピルトリエトキシシラン、N-エトキシカルボニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-エトキシカルボニル-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-トリメトキシシリルプロピルトリエチレントリアミン、N-トリエトキシシリルプロピルトリエチレントリアミン、10-トリメトキシシリル-1,4,7-トリアザデカン、10-トリエトキシシリル-1,4,7-トリアザデカン、9-トリメトキシシリル-3,6-ジアザノニルアセテート、9-トリエトキシシリル-3,6-ジアザノニルアセテート、N-ベンジル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-ベンジル-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-ビス(オキシエチレン)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-ビス(オキシエチレン)-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、エチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、トリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、グリセリンジグリシジルエーテル、2,2-ジブロモネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、6-テトラグリシジル-2,4-ヘキサンジオール、N,N,N',N'-テトラグリシジル-m-キシレンジアミン、1,3-ビス(N,N-ジグリシジルアミノメチル)シクロヘキサン、N,N,N',N'-テトラグリシジル-4,4'-ジアミノジフェニルメタンなどの化合物を挙げることができる。
 これらは一種単独で用いても、二種以上を組合せて用いてもよい。
 該カップリング剤を使用する場合、その含有量は、画像形成用下層膜組成物100質量部に対して0.1乃至30質量部で添加することが好ましく、より好ましくは1乃至20質量部である。
 さらに、本発明の画像形成用下層膜組成物には、該組成物の塗布性、該組成物から得られる膜の膜厚均一性や表面平滑性を向上させる目的で、界面活性剤を含有することもできる。
 前記界面活性剤としては特に制限されないが、例えば、フッ素系界面活性剤、シリコーン系界面活性剤、ノ二オン系界面活性剤などが挙げられる。この種の界面活性剤としては、例えば、エフトップEF301、EF303、EF352((株)ジェムコ製))、メガファックF171、F173、R-30(大日本インキ化学工業(株)製)、フロラードFC430、FC431(住友スリーエム(株)製)、アサヒガードAG710、サーフロンS-382、SC101、SC102、SC103、SC104、SC105、SC106(旭硝子(株))などが挙げられる。
 該界面活性剤を使用する場合、その含有量は、画像形成用下層膜組成物に含有されるポリマー成分100質量部に対して、好ましくは0.01乃至2質量部、より好ましくは0.01乃至1質量部である。
[ポリマーブレンドについて]
 本発明の画像形成用下層膜組成物は、本発明のポリイミド前駆体及び/又はポリイミドに加えて、膜形成可能な他のポリマー(例えば高絶縁性ポリマー)を混合し、所謂ポリマーブレンドの形態をとることも可能である。
 このポリマーブレンドにおいて、含有するポリマー(本発明のポリイミド前駆体、ポリイミド、及びその他のポリマー)の構造等を適宜調整することにより、硬化膜を形成した際に膜内の厚さ方向で各ポリマーの濃度勾配を生じさせることが可能となるため、有用な手段として利用できる。
 例えば、親疎水性の変化が問題となるのは膜表面のみであるため、この観点からは、本発明のフルオロアルキル基を有するポリイミド前駆体及び/又はポリイミドは硬化膜の上層(表面層)にのみ存在すればよい。
 したがって、前記画像形成用下層膜組成物をポリマーブレンドの形態とした場合、本発明のポリイミド前駆体又はポリイミドの配合割合としては、ブレンドしたポリマーの全質量に対して1質量%乃至100質量%である。1質量%以下であると、形成された膜の最表面における本発明のポリイミド前駆体又はポリイミドが過少となり、画像形成能力が劣化する恐れがある。
 上記ポリマーブレンドが有用となるのは、例えば特に高絶縁性を求められるゲート絶縁膜用途に本発明の画像形成用下層膜組成物を用いる場合を挙げることができる。
 ゲート絶縁膜用途に用いる場合、該塗布液は180℃以下の焼成温度への対応、塗布による成膜が可能、有機半導体塗布液に対する耐溶剤性(キシレン、トリメチルベンゼンなどの無極性溶媒)、低吸水率などの数々の特性が要求されるが、特に絶縁性に関する要求性能は高い。この高絶縁性を達成するため、本発明の画像形成用下層膜組成物のイミド化率は少なくとも80%以上、場合によっては90%以上を求められることもあるが、反面、イミド化率が90%を超えると溶媒に対する溶解度が低下する場合もある。このとき、該絶縁膜の最下層にのみ高絶縁性の層を位置させ、上層に本発明の画像形成用下層膜組成物からなる層が位置させることにより、該絶縁膜の高絶縁性を保ち、且つ溶解性の問題も解消できる。
 上述のように、硬化膜の下層を高絶縁層、上層を親疎水性変換層と為すには、それらの層を順次積層して作製することも可能であるが、操作が煩雑である。
 このとき、高絶縁層の材料と親疎水性変換層の材料(すなわち本発明のポリイミド前駆体及び/又はポリイミド)とを混合し、その際、上層の材料の極性又は分子量を、下層のものと比較して小さいものとすれば、混合液を基板に塗布・乾燥して溶媒が蒸発する間、上層の材料が表面に移行し層を形成する挙動を示すため、上述の濃度勾配(ここでいう層分離)を容易に制御することができる。
 前記下層を形成し得る高絶縁性の膜の形成材料として最も好ましいものは可溶性ポリイミドである。可溶性ポリイミドを下層材として用いる場合、絶縁性の観点から、溶液中のポリイミドのイミド化率は高いことが望まれ、少なくとも50%以上、好ましくは80%以上、最も好ましくは90%以上である。
 下層材として用いられ得るその他の材料としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリイソブチレン、ポリメチルメタクリレートなどの一般的な有機ポリマーが挙げられる。
 また、上記ポリマーブレンドを、例えば膜厚400nm前後を要求される有機トランジスタ用途に用いる場合、上層(親疎水性変換層)を設けるのに必要な本発明のポリイミド前駆体及び/又はポリイミドの該ポリマーブレンド中の含有割合は、理論上は1%程度となるが、少なすぎると硬化膜表面物性の面内におけるばらつきが大きくなることから、該ポリイミド前駆体及び/又はポリイミドを少なくとも5%以上含有することが好ましい。
[塗膜及び硬化膜の製造方法]
 本発明の画像形成用下層膜組成物をポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリエチレンナフタレート、ポリイミドなどの汎用のプラスチック基板やガラス基板などの上に、ディップ法、スピンコート法、転写印刷法、ロールコート法、インクジェット法、スプレー法、刷毛塗り等によって塗布し、その後、ホットプレートまたはオーブン等で予備乾燥することにより、塗膜を形成することができる。その後、この塗膜を加熱処理することにより、画像形成用下層膜や絶縁膜として使用できる硬化膜が形成される。
 上記加熱処理の方法としては特に限定されるものでないが、ホットプレートやオーブンを用いて、適切な雰囲気下、即ち大気、窒素等の不活性ガス、真空中等で行う方法を例示することができる。
 焼成温度は、ポリイミド前駆体の熱イミド化を促進する観点から、180℃乃至250℃であることが好ましく、プラスチック基板上に成膜するという観点からは180℃以下であることがより好ましい。
 焼成は2段階以上の温度変化をつけてもよい。段階的に焼成することで得られる膜の均一性をより高めることができる。
 また硬化膜を作製する際、画像形成用下層膜組成物はポリイミド前駆体及び/またはポリイミドと上述の溶媒とを含む形態であるため、そのまま基板への塗布に用いることができるが、濃度調整のため、又は塗膜の平坦性を確保や、塗布液の基板への濡れ性の向上、塗布液の表面張力、極性、沸点の調整等の目的で、上述の溶媒、さらにはその他種々の溶媒を添加し、塗布液として用いてもよい。
 このような溶媒の具体例としては、上述の段落(0071)で述べた溶媒に加え、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、エチレングリコールなど、1-メトキシ-2-プロパノール、1-エトキシ-2-プロパノール、1-ブトキシ-2-プロパノール、1-フェノキシ-2-プロパノール、プロピレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールジアセテート、プロピレングリコール-1-モノメチルエーテル-2-アセテート、プロピレングリコール-1-モノエチルエーテル-2-アセテート、ジプロピレングリコール、2-(2-メトキシプロポキシ)プロパノール、2-(2-エトキシプロポキシ)プロパノール及び2-(2-ブトキシプロポキシ)プロパノールなどのプロピレングリコール誘導体、乳酸メチルエステル、乳酸エチルエステル、乳酸n-プロピルエステル、乳酸n-ブチルエステル、乳酸イソアミルエステルなどの乳酸誘導体などが挙げられる。これらは単独で用いても併用して用いても良い。
 なお、画像形成用下層膜組成物の保存性、塗膜の膜厚均一性を向上させる観点からは、全溶媒量の20乃至80質量%を、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン、γ-ブチロラクトン、ジメチルスルホキシドから選ばれる少なくとも1種類の溶媒とすることが好ましい。
 画像形成用下層膜組成物の濃度は、特に制限はないが、ポリイミド前駆体及びポリイミドの固形分濃度として0.1乃至30質量%が好ましく、より好ましくは1乃至10質量%である。これらは、塗布装置の仕様や得ようとする膜厚によって任意に設定する。
 上述の通り作製された本発明の硬化膜は、画像形成用下層膜として用いる際、膜厚が薄すぎると紫外線照射後のパターニング性が低下し、また厚すぎると表面の均一性が損なわれる。従って、その膜厚としては、5nm乃至1000nmが好ましく、より好ましくは10nm乃至300nmであり、最も好ましくは20nm乃至100nmである。
 また、本発明の硬化膜は、十分絶縁性が高い場合、絶縁膜として機能させることもできる。その場合、該硬化膜は、例えば有機FET素子において、直接ゲート電極上に配置しゲート絶縁膜として使用される。その際、該硬化膜の膜厚は絶縁性を確保する目的で、上述の画像形成用下層膜として用いる場合よりも厚い方が望ましい。その膜厚としては好ましくは20nm乃至1000nmであり、より好ましくは50nm乃至800nmであり、最も好ましくは100nm乃至500nmである。
[画像形成用下層膜としての使用:画像形成用電極の製造方法]
 本発明の画像形成用下層膜に紫外線をパターン状に照射し、続いて、後述する画像形成液を塗布することにより、画像形成用電極を製造することができる。
 本発明において、上記画像形用成下層膜に対して紫外線をパターン状に照射する方法は特に限定されないが、例えば電極パターンが描かれたマスクを介して照射する方法、レーザー光を用いて電極パターンを描画する方法などが挙げられる。
 上記マスクとしては、材質や形状は特に限定されることはなく、電極を必要とする領域が紫外線を透過し、それ以外の領域が紫外線に不透過であればよい。
 このとき、一般に200nm乃至500nmの範囲の波長を有する紫外線を照射に用いる事が出来、使用するポリイミドの種類によりフィルタ等を介して適宜波長を選択する事が望ましい。具体的には、248nm、254nm、303nm、313nm、365nmなどの波長が挙げられる。特に好ましくは、248nm、254nmである。
 本発明の画像形成用下層膜は、紫外線の照射によってその表面エネルギーが徐々に上昇し、十分な照射量とともに飽和する。この表面エネルギーの上昇は、画像形成液の接触角の低下をもたらし、結果として紫外線照射部における画像形成液の濡れ性が向上する。
 従って、紫外線照射後の本発明の画像形成用下層膜上に画像形成液を塗布すると、画像形成用下層膜に表面エネルギーの差として描かれているパターン形状に沿って、画像形成液が自己組織的にパターンを形成し、任意のパターン形状の電極を得ることができる。
 このため、画像形成用下層膜に対する紫外線の照射量は、画像形成液の接触角が十分変化する量を照射する必要があるが、エネルギー効率および製造工程の時間短縮など点から40J/cm2以下であることが好ましく、20J/cm2以下であることがより好ましく、10J/cm2以下であることがもっとも好ましい。
 また、画像形成用下層膜の紫外線照射部と未照射部とで画像形成液の接触角の差が大きいほどパターニングが容易となり、複雑なパターンや微細なパターン形状に電極を加工する事が可能となる。表面張力が低い溶液を用いた場合、露光部と未露光部の接触角差は5°以上であることが好ましく、10°以上であることがより好ましく、20°以上であることが最も好ましい。しかし、画像形成液の塗布方法、画像形成液の表面張力、画像の精細度、膜の平坦性を考慮し適宜最適化したほうがよい。
 同様の理由で、画像形成液の接触角が、紫外線未照射部では30°以上であり、紫外線照射部では20°以下であることが好ましい。
 本発明における画像形成液とは、基板に塗布した後、そこに含まれる溶媒を蒸発させることで、機能性薄膜として使用することができる塗布液であり、例えば、電荷輸送性物質が少なくとも一種の溶媒に溶解もしくは均一に分散したものが挙げられる。ここで、電荷輸送性とは導電性と同義であり、正孔輸送性、電子輸送性、正孔および電子の両電荷輸送性のいずれかを意味する。
 上記の電荷輸送性物質としては、正孔または電子を輸送可能な導電性を有していれば、特に限定されない。その例としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属微粒子やカーボンブラック、フラーレン類、カーボンナノチューブなどの無機材料や、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリフルオレンおよびこれらの誘導体など有機π共役ポリマーなどが挙げられる。
 また、電荷輸送物質の電荷輸送能を向上させる目的でハロゲン、ルイス酸、プロトン酸、遷移金属化合物(具体例としてはBr2、I2、Cl2、FeCl3、MoCl5、BF4、AsF6、SO4、HNO4、H2SO4、ポリスチレンスルホン酸等)などの電荷受容性物質、あるいはアルカリ金属、アルキルアンモニウムイオン(具体例としてはLi、Na、K、Cs、テトラエチレンアンモニウム、テトアブチルアンモニウム等)などの電荷供与性物質をドーパントとして更に画像形成液に加えても良い。
 画像形成液の溶媒としては、上記電荷輸送性物質あるいはドーパントを溶解もしくは均一に分散させるものであればとくに限定されない。正確な電極画像(パターン)を得るという観点からは、画像形成液の表面張力は25mN/m乃至50mN/mである事が好ましい。表面張力が上記範囲より低すぎる場合、紫外線未照射部に対して、十分大きな接触角を示さず、また、表面張力が上記範囲より高すぎる場合、紫外線照射部の接触角が高くなり、紫外線の照射量が増えてしまうことから好ましくない。
 画像形成液の溶媒としては特に限定されないが、アルコール類、ケトン類、エーテル類、エステル類、芳香族炭化水素類、グリコール類などの各種有機溶剤を用いる事ができる。アルコール類としては、メタノール、イソプロパノール、ノルマルブタノール、イソブタノール、セカンダリーブタノール、イソアミルアルコール、オクタノールなどが挙げられる。ケトン類としては、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン・ジアセトンアルコールなどが挙げられる。エーテル類としては、エーテル・イソプロピルエーテル、ジオキサン、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブなどなどが挙げられる。エステル類としては、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸アミル、酢酸セロソルブ、脂肪酸メチルエステルなどが挙げられる。芳香族炭化水素類としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレンなどが挙げられる。
脂肪族炭化水素類としては、ノルマルヘキサン、イソヘキサン、シクロヘキサン、ミネラルターペン、ノルマルペンタンなどが挙げられる。グリコール類としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテルなどが挙げられる。
 また、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、2-ピロリドン、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、N-ビニル-2-ピロリドン、N-メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素などの極性溶媒も有機系の電荷輸送性物質の溶解性に優れる観点から好ましいが、これらは、本発明の画像形成用下層膜へのダメージが少ない範囲において使用することが好ましい。
 また、水など特に表面張力の大きな溶媒も用いる事が可能であるが、界面活性剤などを添加し表面張力を調整した方が好ましい。
 画像形成液における電荷輸送性物質の濃度は、0.01乃至30質量%が好ましく、0.1乃至10質量%であることがより好ましく、最も好ましくは1乃至5質量%である。
 本発明に係る画像形成液の具体例としては、Baytron(登録商標) P(ポリエチレンジオキシチオフェン、バイエル社製)などの導電性ポリマー溶液、ドータイトXA-9069(藤倉化成社製)、W4A(住友電工製)、NPS-J(ハリマ化成社製)などの銀微粒子分散液などが挙げられる。
 本発明に係る電極は、本発明の画像形成用下層膜上に上記画像形成液を塗布し、画像を形成した後に、溶媒を蒸発させることで作製される。溶媒の蒸発方法としては特に限定されるものではないが、ホットプレートやオーブンを用いて、適切な雰囲気下、即ち大気、窒素等の不活性ガス、真空中等で蒸発を行い、均一な成膜面を得る事が可能である。
 溶媒を蒸発させる温度は特に限定されないが、40乃至250℃で行うのが好ましい。画像形成用下層膜形状の維持及び膜厚の均一性を達成させる等の観点から、2段階以上の温度変化をつけても良い。
 この画像形成液から作成された電極は、電子デバイス同士を接続する配線としてのみならず電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、各種ダイオード、各種センサーなどの電子デバイスの電極などとして利用される。
 本発明に係る電子デバイスは、上記本発明の画像形成用下層膜上に形成された、画像形成液より作製された電極を有するものである。
 以下に本発明の画像形成用下層膜を有機FET素子に用いた例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
 はじめにITO電極が片面に成膜されたガラス基板を用意する。基板は予め、洗剤、アルコール、純水等による液体洗浄を行って浄化しておき、使用直前にオゾン処理、酸素-プラズマ処理等の表面処理を行う事が好ましい。ITO電極付基板上に、前記一般式(1)及び式(1a)で表される構造単位を有するポリイミド前駆体及び/又はポリイミドを含有する層を、前述の[塗膜及び硬化膜の製造方法]の手順に従い形成する。層の膜厚は、駆動電圧と電気絶縁性の兼ね合いから100nm乃至1000nmとするのがもっとも好ましい。その後、紫外線をマスク等を用いるなどしてパターン状に照射する。
 続いて、PGMEなどの低表面張力溶媒を用いた画像形成液を、画像形成用下層膜表面に塗布する。塗布された画像形成液は疎水性部(紫外線未照射部)をはじくように親水性部(紫外線照射部)に速やかに広がって安定化し、乾燥させることで、パターン化したソース及びドレイン電極が形成される。画像形成液の塗布法は、スピンコート法、キャスト法など特に限定されないが、液量がコントロールしやすいインクジェットプリント法やスプレー塗布法が好ましい。
 最後に、有機FETの活性層である、ペンタセン、ポリチオフェンなどの有機半導体材料を成膜する事により完成する。有機半導体材料の成膜方法は特に限定されないが、例えば真空蒸着や溶液をスピンコート法、キャスト法、インクジェットプリント法やスプレー塗布法などが挙げられる。
 このようにして、作製された有機FETは、製造工程が大幅に削減可能であり、さらには、マスク蒸着法よりも短いチャネルの有機FETが作製可能であるため、活性層として低移動度の有機半導体材料を用いた場合においても大電流を取り出すことが可能となる。また、有機トランジスタ向けの絶縁膜として、可能なものは比誘電率が3.0以上の値を有する膜である。本発明の方法により得られる画像形成用下層膜は優れた電気絶縁性と3.0という高い比誘電率も有しているので、ゲート絶縁層(絶縁膜)としても用いることも可能であり、製造工程の更なる簡略化が可能である。
 上記の方法で作成した有機トランジスタの概略断面図を図1に示す。
 以下に実施例をあげて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
[数平均分子量及び重量平均分子量の測定]
 以下の合成例に従い得られるポリイミド前駆体の数平均分子量(以下、Mnと称する)及び重量平均分子量(以下、Mwと称する)は、GPC(常温ゲル浸透クロマトグラフィー)によって下記の装置及び測定条件にて測定し、ポリエチレングリコール(又はポリエチレンオキシド)換算値として算出した。
 GPC装置:昭和電工(株)製 Shodex(登録商標)(GPC-101)
 カラム:昭和電工(株)製 Shodex(登録商標)(KD803、KD805の直列)
 カラム温度:50℃
 溶離液:N,N-ジメチルホルムアミド
(添加剤として、臭化リチウム-水和物(LiBr・H2O)30mmol/L、リン酸・無水結晶(o-リン酸)30mmol/L、テトラヒドロフラン(THF)10ml/L)
 流速:1.0ml/分
 検量線作成用標準サンプル:
 東ソー(株)製 TSK標準ポリエチレンオキシド(分子量:900,000、150,000、100,000、30,000)
 ポリマー・ラボラトリー社製 ポリエチレングリコール(分子量:約12,000、4,000、1,000)。
[膜厚の測定]
 ポリイミド膜の膜厚は、カッターナイフで膜の一部を剥離し、その段差を全自動微細形状測定機(ET4000A、(株)小坂研究所製)を用い、測定力を10μN、掃引速度を0.05mm/secとして測定することにより求めた
[紫外線の照射]
 紫外線は、高圧水銀ランプを光源として波長254nm付近の光を通すバンドパスフィルタを介してポリイミド膜上に照射した。
 なお、ポリイミド膜上の紫外線の照度に露光時間を乗じたものを、ポリイミド膜上の露光量(J/cm2)として算出した。
 上記紫外線の照度は、照度計(OAI社製 MODEL306)に波長253.7nmにピーク感度を持つDeep UV用のプローブを装着し測定し、得られた照度は45~50mW/cm2であった。
[接触角の測定]
 接触角の測定は、恒温恒湿環境(25℃±2℃、50%RH±5%)において、全自動接触角計 CA-W(協和界面科学(株)製)を使用し測定した。
 なお、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)の接触角は、液量3.0~3.5μl、着液後5秒間静止してから、また、純水の接触角は、液量3μl、着液後5秒間静止してから測定した。
<合成例1>
ポリイミド前駆体(PI-1)の重合
 窒素気流下中、50mLの4つ口フラスコに、4,4’-ジアミノジフェニルエーテル(以後ODA)1.8823g(0.0094mol)と3、5-ジアミノ安息香酸 11-(パーフルオロ-n-ヘキシル)-n-ウンデシル(以後APC11-6F)0.3579g(0.0006mol)を入れ、N-メチル-2-ピロリドン(以後NMP)23.58gに溶解させた後、1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物(以後CBDA)1.9219g(0.0098mol)を加え、これを23℃で12時間攪拌して重合反応を行い、さらにNMPで希釈することで、ポリイミド前駆体(PI-1)の6質量%溶液を得た。
 得られたポリイミド前駆体(PI-1)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(M
w)はそれぞれMn=35,200、Mw=83,600であった。
<合成例2>
ポリイミド(PI-2)の重合
 窒素気流下中、100mLの4つ口フラスコに、ODA 3.3501g(0.0167325mol)、2,2-ビス(3-アミノ-4-メチルフェニル)ヘキサフルオロプロパン(以後AMF)1.6164g(0.004462mol)、APC11-6F 0.6965g(0.0011155mol)、を入れ、NMP 49.44gに溶解させた後、3,4-ジカルボキシ-1,2,3,4-テトラヒドロ-1-ナフタレンコハク酸二無水物(以後TDA)6.6981g(0.02231mol)を加え、これを50℃で24時間攪拌して重合反応を行った。得られたポリアミド酸の溶液をNMPで8質量%に希釈した。
 この溶液60gにイミド化触媒として無水酢酸22.1g、ピリジン10.3gを加え、50℃で3時間反応させポリイミド溶液を得た。この溶液を大量のメタノール中に投入し、得られた白色沈殿をろ別、乾燥し、白色のポリイミド粉末を得た。このポリイミド粉末は1H-NMRより90%以上イミド化されていることを確認した。この粉末4gをγ-ブチロラクトン 30gとジプロピレングリコールモノメチルエーテル 6gの混合溶媒に溶解させて、ポリイミド(PI-2)の10質量%溶液を得た。
 得られたポリイミド(PI-2)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=13,900、Mw=28,400であった。
<合成例3>
ポリイミド(PI-3)の重合
 窒素気流下中、50mLの4つ口フラスコに、1,3-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン(以後DA-4P)2.7769g(0.0095mol)、APC11-6F 0.3122g(0.0005mol)、を入れ、NMP 21.96gに溶解させた後、ビシクロ[3.3.0]-オクタン-2,4,6,8-テトラカルボン酸二無水物(以後BODA)2.402g(0.0099mol)を加え、これを40℃で24時間攪拌して重合反応を行った。得られたポリアミド酸の溶液をNMPで8質量%に希釈した。
 この溶液23gにイミド化触媒として無水酢酸8.5g、ピリジン3.9gを加え、100℃で3時間反応させポリイミド溶液を得た。この溶液を大量のメタノール中に投入し、得られた白色沈殿をろ別、乾燥し、白色のポリイミド粉末を得た。このポリイミド粉末は1H-NMRより90%以上イミド化されていることを確認した。この粉末3gをγ-ブチロラクトン 22.5gとジプロピレングリコールモノメチルエーテル 4.5gの混合溶媒に溶解させて、ポリイミド(PI-3)の10質量%溶液を得た。
 得られたポリイミド(PI-3)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=19,300、Mw=50,300であった。
<合成例4>
ポリイミド前駆体(PI-4)の重合
 窒素気流下中、100mLの4つ口フラスコに、ODA 2.8234g(0.0141mol)とAPC11-6F 0.5620g(0.0009mol)を入れ、NMP36.97gに溶解させた後、ピロメリット酸二無水物(以後PMDA)3.1084g(0.01425mol)を加え、これを23℃で5時間攪拌して重合反応を行い、さらにNMPで希釈することで、ポリイミド前駆体(PI-4)の8質量%溶液を得た。
 得られたポリイミド前駆体(PI-4)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(M
w)はそれぞれMn=15,500、Mw=35,000であった。
<比較合成例1>
ポリイミド前駆体(PI-5)の重合
 窒素気流下中、200mLの4つ口フラスコに、1-オクタデシルオキシ-2、4-ジアミノベンゼン(以後APC18)15.065g(0.040mol)を入れ、NMP 127.6gに溶解させた後、CBDA 7.45g(0.038mol)を加え、これを23℃で12時間攪拌して重合反応を行い、さらにNMPで希釈することで、ポリアミド酸(PI-5)の2質量%溶液を得た。
 得られたポリアミド酸(PI-5)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=16,000、Mw=48,000であった。
<比較合成例2>
ポリイミド前駆体(PI-6)の重合
 窒素気流下中、50mLの4つ口フラスコに、ODA 2.9856(0.01491mol)とAPC11-6F 0.0562g(0.00009mol)を入れ、NMP 24.93gに溶解させた後、CBDA 2.7946g(0.01425mol)を加え、これを23℃で12時間攪拌して重合反応を行い、さらにNMPで希釈することで、ポリイミド前駆体(PI-6)の6質量%溶液を得た。
 得られたポリイミド前駆体(PI-6)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(M
w)はそれぞれMn=14,200、Mw=28,500であった。
 以下に合成例及び比較合成例で使用したテトラカルボン酸二無水物及びジアミンの一覧を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000020
<実施例1:PI-1より形成したポリイミド膜の紫外線感度特性(PGMEの接触角)>
 ITO付きガラス基板(2.5cm角、厚み0.7mm)に、合成例1で調製したPI-1の溶液を0.2μm孔フィルタを付けたシリンジで滴下し、スピンコート法により塗布した。その後大気下で、80℃のホットプレートで5分間加熱処理し、有機溶媒を揮発させ、次いで180℃のホットプレートで30分間焼成し、膜厚約400nmのポリイミド膜を得た。このポリイミド膜のPGMEの接触角を測定した。
 同様の手順にて得たポリイミド膜に紫外線を6J/cm2の照射量で照射し、PGMEの接触角を測定した。
 PGMEの接触角の測定結果を表2に示す。
<実施例2乃至実施例4、比較例1及び比較例2:PI-2乃至PI-6より形成したポリイミド膜の紫外線感度特性(PGMEの接触角)>
 合成例2乃至合成例4、比較合成例1及び比較合成例2で調製したPI-2乃至PI-6の溶液を用い、実施例1と同様の手順を用いてポリイミド膜を作製し、紫外線未照射、紫外線6J/cm2照射後のPGMEの接触角をそれぞれ測定した。
 PGMEの接触角の測定結果を表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000021
 上記表2に示すとおり、本発明の画像形成用下層膜組成物に係るポリイミド前駆体又はポリイミドから得られる硬化膜に相当する実施例1乃至実施例4は撥液性を示し、紫外線照射による親疎水性の変化量は8~21°であり、画像形成が可能な接触角差(5°以上)を得ることができた。
 一方、PI-5から得られたポリイミド膜(比較例1)は撥液性を示さず、さらに、紫外線を照射してもより親水性には変化しなかった。むしろ紫外線照射後の接触角はわずかに増加したことから、画像の形成は不可能であるとみられる。
 またPI-6から得られたポリイミド膜(比較例2)は、撥液性を示したものの、紫外線照射による親疎水性の変化量は3.7°と小さく、画像の形成が可能な接触角差を得ることはできなかった。
<実施例5乃至8:PI-1乃至PI-4より形成したポリイミド膜の紫外線感度特性(水の接触角)>
 前記合成例1乃至合成例4で調製したPI-1乃至PI-4の溶液を用い、実施例1と同様の手順を用いてポリイミド膜を作製し、紫外線未照射、紫外線40J/cm2照射後の水の接触角をそれぞれ測定した。
 水の接触角の測定結果を表3に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000022
 表3に示すように、本発明の画像形成用下層膜組成物に係るポリイミド前駆体又はポリイミドから得られる硬化膜に相当する実施例5乃至実施例8は、紫外線照射によって大きな接触角差を得ることができた。
 すなわち、本発明の画像形成用下層膜は、様々な表面張力の画像形成液パターニング可能であることが示された。
<実施例9:PI-2より成膜したポリイミド膜の比誘電率>
 ITO付きガラス基板(2.5cm角、厚み0.7mm)に、合成例2で調製したPI-2の溶液を、0.2μm孔フィルタを付けたシリンジで滴下し、スピンコート法により塗布した。その後大気下で、80℃のホットプレートで5分間加熱を行って有機溶剤を揮発させ、次いで180℃のホットプレートで60分焼成する事で、膜厚約400nmのポリイミド膜を得た。
 次にITO電極と測定装置の探針との良好なコンタクトを得るため、ポリイミド膜の一部分を削り取りITOを露出させた後、真空蒸着装置を用いてポリイミド膜上およびITO上に直径1.0mm、膜厚100nmのアルミニウム電極を積層させた。このときの真空蒸着条件は、室温、真空度3×10-3Pa以下、アルミニウム蒸着速度0.3nm/sec以下とした。このようにしてポリイミド膜の上下に電極を形成し、ポリイミド膜の比誘電率評価用のサンプルを作製した。
 このポリイミド膜の比誘電率評価用のサンプルの比誘電率は3.0であり、撥水性が高いにもかかわらず、有機トランジスタ向けゲート絶縁膜として使用可能な3.0以上の比誘電率を確保し、優れた特性を示すことが判った。
 また、電界を1MV/cm加えたときのリーク電流密度は2×10-10A/cm2であり、有機トランジスタ向けゲート絶縁膜として絶縁性についても実用上問題がないことを確認した。
 なお、本実施例において、ポリイミド膜の比誘電率は、安藤電気(株)製AG-4311Bを用い、静電容量を測定し求めた。静電容量は窒素雰囲気中、周波数1KHzにて測定した。また、ポリイミド膜のリーク電流密度の測定には、アジレント・テクノロジー社製HP4156Cを用いた。
<比較例3:PI-5より成膜したポリイミド膜の比誘電率>
 比較合成例1で調製したPI-5の溶液を用い、膜の焼成温度を真空中250℃、60分とし、膜厚を270nmとした以外は実施例9と同様の方法でPI-5より成膜したポリイミド膜の比誘電率を評価した。
 PI-5より成膜したポリイミド膜は、リーク電流密度が1×10-10A/cm2以下であるが、比誘電率が2.7であった。ゲート絶縁膜として用いるには比誘電率が低く、たとえ画像形成下層膜としての性能は得られたとしても、ゲート絶縁膜として用いることは不可能であるとみられる。
<合成例5>
ポリイミド前駆体(PI-7)の重合
 窒素気流下中、100mLの4つ口フラスコに、ODA 1.7621(0.0088mol)と以後APC11-6F 0.7158g(0.0012mol)を入れ、NMP24.93gに溶解させた後、CBDA 1.9219g(0.0098mol)を加え、これを23℃で12時間攪拌して重合反応を行い、さらにNMPで希釈することで、ポリイミド前駆体(PI-7)の6質量%溶液を得た。
 得られたポリイミド前駆体(PI-7)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(M
w)はそれぞれMn=29,630、Mw=67,400であった。
<合成例6>
ポリイミド(PI-8)の重合
 窒素気流下中、100mLの4つ口フラスコに、ODA 3.4366g(0.01716mol)、AMF 1.6151g(0.004458mol)、APC11-6F 0.4176g(0.000669mol)、を入れ、NMP 48.65gに溶解させた後、TDA 6.6927g(0.02229mol)を加え、これを50℃で24時間攪拌して重合反応を行った。得られたポリアミド酸の溶液をNMPで8質量%に希釈した。
 この溶液148gにイミド化触媒として無水酢酸22.2g、ピリジン10.3gを加え、50℃で3時間反応させポリイミド溶液を得た。この溶液を大量のメタノール中に投入し、得られた白色沈殿をろ別、乾燥し、白色のポリイミド粉末を得た。このポリイミド粉末は1H-NMRより90%以上イミド化されていることを確認した。この粉末4gをγ-ブチロラクトン 30gとジプロピレングリコールモノメチルエーテル 6gの混合溶媒に溶解させて、ポリイミド(PI-8)の10質量%溶液を得た。
 得られたポリイミド(PI-8)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=15,300、Mw=31,500であった。
<合成例7>
ポリイミド前駆体(PI-9)の重合
 窒素気流下中、100mLの4つ口フラスコに、ODA 3.5683g(0.01782mol)、1-(4-パーフルオロオクチル)フェノキシ-2,4-ジアミノベンゼン(以後DA-1) 0.1113g(0.00018mol)、を入れ、NMP 27.99gに溶解させた後、CBDA 3.3182g(0.01692mol)を加え、これを23℃で12時間攪拌して重合反応を行い、さらにNMPで希釈することで、ポリイミド前駆体(PI-9)の8質量%溶液を得た。
 得られたポリイミド前駆体(PI-9)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(M
w)はそれぞれMn=31,500、Mw=67,200であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000023
<合成例8>
ポリイミド前駆体(PI-10)の重合
 窒素気流下中、100mLの4つ口フラスコに、ODA 1.9624g(0.0098mol)、DA-1 0.1237g(0.0002mol)、を入れ、NMP 15.72gに溶解させた後、CBDA 1.8434g(0.0094mol)を加え、これを23℃で12時間攪拌して重合反応を行い、さらにNMPで希釈することで、ポリイミド前駆体(PI-10)の8質量%溶液を得た。
 得られたポリイミド前駆体(PI-10)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(M
w)はそれぞれMn=31,200、Mw=68,100であった。
<合成例9>
ポリイミド(PI-11)の重合
 窒素気流下中、100mLの4つ口フラスコに、ODA 5.887g(0.0294mol)、DA-1 0.371g(0.0006mol)、を入れ、NMP 60.88gに溶解させた後、TDA 8.9631g(0.03mol)を加え、これを50℃で24時間攪拌して重合反応を行った。得られたポリアミド酸の溶液をNMPで8質量%に希釈した。
 この溶液170gにイミド化触媒として無水酢酸27.8g、ピリジン12.9gを加え、50℃で3時間反応させポリイミド溶液を得た。この溶液を大量のメタノール中に投入し、得られた白色沈殿をろ別、乾燥し、白色のポリイミド粉末を得た。このポリイミド粉末は1H-NMRより90%以上イミド化されていることを確認した。この粉末4gをγ-ブチロラクトン 30gとジプロピレングリコールモノメチルエーテル 6gの混合溶媒に溶解させて、ポリイミド(PI-11)の10質量%溶液を得た。
 得られたポリイミド(PI-11)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=30,470、Mw=66,900であった。
<合成例10>
ポリイミド(PI-12)の重合
 窒素気流下中、100mLの4つ口フラスコに、DA-3 8.0458g(0.0196mol)、DA-1 0.2473g(0.0004mol)、を入れ、NMP 56.7gに溶解させた後、TDA 5.8853g(0.0196mol)を加え、これを50℃で24時間攪拌して重合反応を行った。得られたポリアミド酸の溶液をNMPで8質量%に希釈した。
 この溶液177gにイミド化触媒として無水酢酸19.3g、ピリジン8.9gを加え、50℃で3時間反応させポリイミド溶液を得た。この溶液を大量のメタノール中に投入し、得られた白色沈殿をろ別、乾燥し、白色のポリイミド粉末を得た。このポリイミド粉末は1H-NMRより90%以上イミド化されていることを確認した。この粉末4gをγ-ブチロラクトン 52.67gとジプロピレングリコールモノメチルエーテル 10gの混合溶媒に溶解させて、ポリイミド(PI-12)の6質量%溶液を得た。
 得られたポリイミド(PI-12)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=19,700、Mw=47,960であった。
<合成例11>
ポリイミド(PI-13)の重合
 窒素気流下中、100mLの4つ口フラスコに、DA-3 5.1764g(0.01261mol)、DA-1 0.2411g(0.00039mol)、を入れ、NMP 36.77gに溶解させた後、TDA 5.1764g(0.012571mol)を加え、これを50℃で24時間攪拌して重合反応を行った。得られたポリアミド酸の溶液をNMPで8質量%に希釈した。
 この溶液130gにイミド化触媒として無水酢酸11.6g、ピリジン5.4gを加え、50℃で3時間反応させポリイミド溶液を得た。この溶液を大量のメタノール中に投入し、得られた白色沈殿をろ別、乾燥し、白色のポリイミド粉末を得た。このポリイミド粉末は1H-NMRより90%以上イミド化されていることを確認した。この粉末4gをγ-ブチロラクトン 52.67gとジプロピレングリコールモノメチルエーテル 10gの混合溶媒に溶解させて、ポリイミド(PI-13)の6質量%溶液を得た。
 得られたポリイミド(PI-13)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=20,970、Mw=51,220であった。
<比較合成例3>
ポリイミド前駆体(PI-14)の重合
 窒素気流下中、50mLの4つ口フラスコに、DA-3 1.0673(0.0026mol)とDA-1 0.8656g(0.0014mol)を入れ、NMP 15.31gに溶解させた後、CBDA 0.7688g(0.00392mol)を加え、これを23℃で12時間攪拌して重合反応を行い、さらにNMPで希釈することで、ポリイミド前駆体(PI-14)の6質量%溶液を得た。
 得られたポリイミド前駆体(PI-14)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(M
w)はそれぞれMn=20,130、Mw=48,280であった。
 以下に合成例5から合成例11及び比較合成例3で使用したテトラカルボン酸二無水物及びジアミンの一覧を示す。表内の数字はテトラカルボン酸二無水物とジアミンの添加量を各々100とした場合のモル比率である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000024
<合成例12>
ポリイミド(PI-15)の重合
 窒素気流下中、200mLの4つ口フラスコに、p-フェニレンジアミン 4.86g(0.045mol)、4-ヘキサデシルオキシ-1、3-ジアミノベンゼン 1.74g(0.005mol)を入れ、NMP 122.5gに溶解させた後、TDA 15.01g(0.05mol)を加え、これを室温で10時間攪拌して重合反応を行った。得られたポリアミド酸の溶液をNMPで8質量%に希釈した。
 この溶液50gにイミド化触媒として無水酢酸10.8g、ピリジン5.0gを加え、50℃で3時間反応させポリイミド溶液を得た。この溶液を大量のメタノール中に投入し、得られた白色沈殿をろ別、乾燥し、白色のポリイミド粉末を得た。このポリイミド粉末は1H-NMRより90%以上イミド化されていることを確認した。この粉末4gをγ-ブチロラクトン 52.67gとジプロピレングリコールモノメチルエーテル 10gの混合溶媒に溶解させて、ポリイミド(PI-15)の6質量%溶液を得た。
 得られたポリイミド(PI-15)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=18,000、Mw=54,000であった。
<実施例10:PI-1より形成したポリイミド膜の銀微粒子分散液(W4A)の塗れ性変化の観察>
 ITO付きガラス基板(2.5cm角、厚み0.7mm)に、合成例1で調製したPI-1の溶液を0.2μm孔フィルタを付けたシリンジで滴下し、スピンコート法により塗布した。その後大気下で、80℃のホットプレートで5分間加熱処理し、有機溶媒を揮発させ、次いで180℃のホットプレートで30分間焼成し、膜厚約400nmのポリイミド膜を得た。このポリイミド膜上に銀微粒子分散液(製品名W4A、住友電工製)を3μl滴下したところ、ポリイミド膜は銀微粒子分散液に対して撥液性を示した。
 同様の手順にて得たポリイミド膜に紫外線を6J/cm2の照射量で照射し、このポリイミド膜上に銀微粒子分散液を3μl滴下したところ、ポリイミド膜は銀微粒子分散液に対して親液性を示した。
 PI-1から得られたポリイミド膜は、紫外線照射による銀微粒子分散液の撥液性・親液性の制御が可能であった。
<実施例11乃至実施例19、比較例4乃至比較例6:PI-1乃至PI-3、PI-5乃至PI-13より形成したポリイミド膜の塗れ性変化の観察>
 PI-2、PI-3,PI-5乃至PI-14の溶液を用い、実施例1と同様の手順を用いてポリイミド膜を作製し、紫外線未照射、紫外線6J/cm2照射後におけるポリイミド膜の銀微粒子分散液に対する撥液性・親液性を観察した。結果を表5に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000025
※1:カッコ内の数字は全ジアミン中の各アミンのモル分率を示す。
※2:ポリイミド膜に紫外線を6J/cm2照射したとき、ポリイミド膜が撥液性から親液性に変化したものをぬれ性の変化有りとし、それ以外のものをぬれ性の変化無しとした。
 上記表5に示すとおり、本発明の画像形成用下層膜組成物に係るポリイミド前駆体又はポリイミドから得られる硬化膜に相当する実施例10乃至実施例19は紫外線照射により
銀微粒子分散液に対するぬれ性の変化があった。ぬれ性の差を変化を利用した画像の形成が可能である。
 一方、PI-5、PI-6から得られたポリイミド膜(比較例4、比較例5)は、紫外線を照射しても、ぬれ性は変化しなかった。
[ポリマーブレンドについて]
<組成物の調製例1:画像形成用下層膜組成物の調製>
 合成例12で調整したポリイミド(PI-15)の6wt%の溶液8.5gと合成例10で調製したポリイミド(PI-12)の6wt%の溶液1.5gを混ぜ合わせ、室温で6時間撹拌し、組成物Aを得た。
<組成物の調製例2:画像形成用下層膜組成物の調製>
 合成例12で調整したポリイミド(PI-15)の6wt%の溶液9gと合成例11で調製したポリイミド(PI-13)の6wt%の溶液1gを混ぜ合わせ、室温で6時間撹拌し、組成物Bを得た。
<組成物の調製例3:画像形成用下層膜組成物の調製>
 合成例12で調整したポリイミド(PI-15)の6wt%の溶液8.5gと合成例11で調製したポリイミド(PI-13)の6wt%の溶液1.5gを混ぜ合わせ、室温で6時間撹拌し、組成物Cを得た。
<組成物の調製例4:画像形成用下層膜組成物の調製>
 合成例12で調整したポリイミド(PI-15)の6wt%の溶液8gと合成例11で調製したポリイミド(PI-13)の6wt%の溶液2gを混ぜ合わせ、室温で6時間撹拌し、組成物Dを得た。
<組成物の調製例5:画像形成用下層膜組成物の調製>
 合成例12で調整したポリイミド(PI-15)の6wt%の溶液7.5gと合成例11で調製したポリイミド(PI-13)の6wt%の溶液2.5gを混ぜ合わせ、室温で6時間撹拌し、組成物Eを得た。
<組成物の調製例6:画像形成用下層膜組成物の調製>
 合成例12で調整したポリイミド(PI-15)の6wt%の溶液7gと合成例11で調製したポリイミド(PI-13)の6wt%の溶液3gを混ぜ合わせ、室温で6時間撹拌し、組成物Fを得た。
<組成物の調製例7:画像形成用下層膜組成物の調製>
 合成例12で調整したポリイミド(PI-15)の6wt%の溶液9gと比較例合成例3で調製したポリイミド(PI-14)の6wt%の溶液1gを混ぜ合わせ、室温で6時間撹拌し、組成物Gを得た。
<実施例20:電極のパターニング性>
 ITO付きガラス基板(2.5cm角、厚み0.7mm)に、組成物の調整例1で調製した組成物Aを0.2μm孔フィルタを付けたシリンジで滴下し、スピンコート法により塗布した。その後大気下で、80℃のホットプレートで5分間加熱処理し、有機溶媒を揮発させ、次いで180℃のホットプレートで30分間焼成し、膜厚約450nmのポリイミド膜を得た。このポリイミド膜にフォトマスクを介して紫外線6J/cm2をパターン状に照射した。次いで、銀微粒子分散液を紫外線照射部に極微量滴下したところ、ポリイミド膜の紫外線照射部は親液性を示した。その後、180℃のホットプレートで60分間焼成し、膜厚50nmの銀電極を形成した。
 この銀電極の顕微鏡写真を図2に示す。
<実施例21乃至実施例27:電極のパターニング性>
 組成物B乃至組成物F、及びPI-12乃至PI-13の溶液を用いた以外は、実施例20と同様の手順を用いてポリイミド膜を成膜し、銀微粒子分散液を用いて銀電極を形成した。全てのポリイミド膜で、電極間隔10μmの銀電極を形成することが可能であった。
<比較例7>
 組成物Gの溶液を用いた以外は実施例20と同様の手順を用いてポリイミド膜を成膜し、銀微粒子分散液を用いて銀電極の形成を試みた。組成物Gの溶液から得られたポリイミド膜は、紫外線照射部が撥水性を示し、目的の銀電極は形成できなかった(図3)。
<比較例8乃至比較例9>
 PI-5乃至PI-6の溶液を用いた以外は実施例20と同様の手順を用いてポリイミド膜を成膜し、銀微粒子分散液を用いて銀電極の形成を試みた。PI-5乃至PI-6の溶液から得られたポリイミド膜は、紫外線照射の有る無しに関わらず電極が形成され、目的の銀電極は形成できなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000026
<実施例28:比抵抗の比誘電率の測定>
 ITO付きガラス基板(2.5cm角、厚み0.7mm)に、組成液調整例1で調製した組成物Aを0.2μm孔フィルタを付けたシリンジで滴下し、スピンコート法により塗布した。その後大気中で、80℃のホットプレートで5分間加熱処理し、有機溶媒を揮発させた。次いで180℃のホットプレートで30分間焼成し、膜厚約450nmのポリイミド膜を得た。
 次に真空蒸着装置を用いて、上記ポリイミド膜上に直径1.0mm乃至2.0mm、膜厚100nmのアルミニウム電極を積層させ、ポリイミド膜の上下に電極を設置したポリイミド膜の絶縁性評価用サンプルを作製した。なおこのときの真空蒸着条件は、室温、真空度3×10-3Pa以下、アルミニウムの蒸着速度0.5nm/sec以下とした。
 該サンプルを用いて、室温、湿度45%±5%の大気雰囲気中で電流-電圧特性を測定した。電圧はアルミニウム電極側に正の電圧を0Vから80Vまで2Vステップ毎に3秒間の保持時間を設けながら印加し、電界1MV/cmのときの電流値から比抵抗を求めた。比抵抗と比誘電率の測定結果を表7に示す。
<実施例29乃至実施例35>
 組成物B乃至組成物F、及びPI-12乃至PI-13の溶液を用いた以外は、実施例28と同様の手順を用いてポリイミド膜を成膜し、比抵抗と比誘電率を測定した。
結果を表7に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000027
<実施例36:有機トランジスタ作製>
 実施例20で得た銀電極上に、ポリ(3-ヘキシルチオフェン-2,5-ジイル)(メルク(株)より入手、以後、P3HTと略す)を2質量%の濃度でキシレンに溶解してP3HTの塗布溶液を調整し、該塗布溶液を前述のポリイミド膜上にスピンコート法を用い、酸素濃度0.5ppm以下の窒素雰囲気下で塗布した。
 その後、溶媒を完全に揮発させるため、真空状態で100℃、60分間加熱処理し、半導体層を形成し、有機薄膜トランジスタを完成した。
 上述の通り得られた有機薄膜トランジスタの電気特性を、ゲート電圧に対するドレイン電流の変化を測定することにより評価した。
 詳細には、ソース・ドレイン電圧(VD)を-40Vとして、ゲート電圧(VG)を+30Vから-30Vまで、2Vステップで変化させ、電流が十分安定するまで1秒間電圧を保持した後の値をドレイン電流の測定値として記録した。なお測定には、半導体パラメータアナライザー HP4156C(アジレント・テクノロジー(株)製)を用いた。
 ゲート電圧をマイナスに印加したとき、ドレイン電流の大幅な増加が見られており、P3HTはp型半導体として動作している事を確認した(図4)。
 次に、ゲート電圧(VG)を+20Vから-30Vまで、10Vステップで変化させたときのドレイン電流とドレイン電圧の関係を測定し、有機トランジスタが正常に動作している事を確認した(図5)。
 一般に、飽和状態におけるドレイン電流IDは下記式で表すことができる。つまり、有機半導体の移動度μは、ドレイン電流IDの絶対値の平方根を縦軸に、ゲート電圧VGを横軸にプロットしたときのグラフの傾きから求めることができる。
   ID=WCμ(VG-VT2/2L
 上記式において、Wはトランジスタのチャネル幅、Lはトランジスタのチャネル長、Cはゲート絶縁膜の静電容量、VTはトランジスタの閾値電圧、μは移動度である。P3HTの移動度μをこの式を元に計算したところ、2×10-3cm2/Vsとなった。また、閾値電圧は16V、オン状態とオフ状態の比(オン/オフ比)は102のオーダーであった(表8)。
 なお、有機薄膜トランジスタ電気特性は、周辺の湿度および活性物質の影響を取り除くために、素子完成後、速やかに真空中(真空度5×10-2Pa以下)に移し、30分ほど放置させた後、真空度5×10-2Pa以下を保ったまま測定した。
<実施例37:有機トランジスタ>
実施例21で得た銀電極を用いた以外は、実施例36と同様の手順を用いて有機トランジスタを作製した。
<実施例38:有機トランジスタ>
実施例27で得た銀電極を用いた以外は、実施例36と同様の手順を用いて有機トランジスタを作製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000028
 本発明のポリイミドは、親疎水の差を用いた電極のパターニングが可能であり、チャネル長10μmを持つ有機トランジスタを作製可能であることが示された。
 さらに、1015Ωcm以上の高い絶縁性と3.0以上の比誘電率を示しており、画像形成用下層膜としてのみならず、有機トランジスタ用ゲート絶縁膜としても高い性能を有していることが示された。
 以上の結果より、フルオロアルキル基を含有するポリイミド前駆体及び/又は該ポリイミド前駆体より得られるポリイミドを含む本発明の画像形成用下層膜組成物から得られる硬化膜は、撥水性が極めて高く、比誘電率が高いためゲート絶縁膜として用いた場合も有用であることが示された。
本発明の画像形用下層膜を有する有機トランジスタの構造を示す概略断面図である。 実施例20で得た銀微粒子分散液のパターニング例 比較例7で得た銀微粒子分散液のパターニング例 実施例36において、組成物Aから得られたポリイミド膜を画像形成用下層兼ゲート絶縁膜とした有機トランジスタのドレイン電流(Drain Current)とゲート電圧(Gate Voltage)の関係を示すグラフである。 実施例36において、組成物Aから得られたポリイミド膜を画像形成用下層兼ゲート絶縁膜とした有機トランジスタのドレイン電流(Drain Current)とドレイン電圧(Drain Voltage)の関係を示すグラフである。
符号の説明

1 ・・・・・・・・ 基板
2 ・・・・・・・・ ゲート電極
3 ・・・・・・・・ 電極形成用下層膜兼ゲート絶縁膜
4 ・・・・・・・・ ソース電極、ドレイン電極
5 ・・・・・・・・ 半導体層

Claims (8)

  1. 下記式(1)及び式(1a)で表される構造単位を含むポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体を脱水閉環して得られるポリイミドからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を含む事を特徴とする画像形成用下層膜組成物。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
    (式中、Aは4価の有機基を表し、B1は下記式(2)で表される少なくとも1種の2価の有機基を表し、B2は2価の有機基を表し、R1、R2、R1a、R2aはそれぞれ独立して水素原子または一価の有機基を表し、nは式(1)で表される構造単位の合計モル数であり、mは式(1a)で表される構造単位の合計モル数であって、nとmはそれぞれ正の整数を表し且つ0.01≦n/(n+m)≦0.3を満たす。)
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
    (式中、X1は、単結合、-O-、-COO-、-OCO-、-CONH-、-CH2O-を表し、X2は、炭素原子数3乃至18の2価の有機基を表し、R3は炭素原子数2乃至12のパーフルオロアルキル基を表す。)
  2. 前記式(1a)中、B2が下記式(3)乃至(5)からなる群より選択される少なくとも一種の基である、請求項1に記載の画像形成用下層膜組成物。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
    (式中、Y1は、それぞれ独立して、単結合、エーテル結合、エステル結合、チオエーテル結合、アミド結合、炭素原子数1乃至3の分岐構造を有していても良いアルキレン基又は炭素原子数1乃至3の分岐構造を有していても良いアルキレンジオキソ基を表し、Y2は、単結合、エーテル結合、エステル結合、チオエーテル結合、アミド結合を表し、R4はそれぞれ独立して、水素原子、メチル基、エチル基、トリフルオロメチル基を表し、R5は、水素原子、メチル基、トリフルオロメチル基を表し、R6は、メチレン基、エチレン基を表し、jはそれぞれ独立して0又は1を表す。)
  3. 前記式(1)及び式(1a)中、Aで表される4価の有機基が下記式(6)乃至(11)からなる群より選択される少なくとも一種の基である、請求項1又は請求項2に記載の画像形成用下層膜組成物。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
    (式中、R7、R8、R9、R10、はそれぞれ独立して水素原子、フッ素原子または炭素原子数1乃至4の炭化水素基を表す。)
  4. 前記式(1)及び式(1a)で表される構造単位を含むポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体を脱水閉環して得られるポリイミドが、下記式(16)で表されるテトラカルボン酸二無水物と、下記式(17)及び(18)で表されるジアミン成分を反応させて得られるポリイミド前駆体及びポリイミドである、請求項1乃至請求項3のうち何れか一項に記載の画像形成用下層膜組成物。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
    (式中、A、B1及び及びB2は前記式(1)及び式(1a)における定義と同義である。)
  5. 請求項1乃至請求項4のうちいずれか一項に記載の画像形成用下層膜組成物を用いて得られる画像形成用下層膜。
  6. 請求項1乃至請求項4のうちいずれか一項に記載の画像形成用下層膜組成物を用いて得られる電極パターン形成用下層膜。
  7. 請求項1乃至請求項4のうちいずれか一項に記載の画像形成用下層膜組成物を用いて得られる有機トランジスタ用ゲート絶縁膜。
  8. 請求項7に記載の有機トランジスタ用ゲート絶縁膜を用いて得られる有機トランジスタ。
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