WO2011018939A1 - 球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体及びその製造方法 - Google Patents

球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体及びその製造方法 Download PDF

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敏雄 内田
一郎 松原
敏雄 伊藤
ウソク 申
麻衣子 西堀
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Definitions

  • the present invention relates to an aggregate of spherical core-shell cerium oxide / polymer hybrid nanoparticles (hereinafter sometimes referred to as spherical CSCP nanoparticles) synthesized by a polyol method, and more specifically, spherical CSCP.
  • the volume ratio of nanoparticles is a high concentration of 32% or more, including a fixing agent composed of resin, spherical CSCP nanoparticles are uniformly distributed, excellent in mechanical strength, and easy to form a large area film
  • the present invention relates to an aggregate of spherical CSCP nanoparticles, a method for producing the same, and an antireflection film which is an application product thereof, which can be manufactured and which is excellent in light transmission and ultraviolet shielding properties.
  • the present invention provides a new technology and a new product relating to an aggregate of spherical CSCP nanoparticles useful for, for example, an antireflection material using a photonic crystal, an ultraviolet shielding fiber, a high refractive index film, and a high refractive index layer. Is.
  • Non-patent Document 1 photonic crystals using fine particles have attracted attention. This is because emission and light propagation can be artificially controlled by the fine particles. Performance required as fine particles for photonic crystals are spherical, particle size is about 50 to 200 nm, particle size distribution (standard deviation of particle size) is small, high refractive index (n> 2), good in liquid Dispersibility. However, until now, no fine particles satisfying these conditions have been developed.
  • cerium oxide has a high refractive index of 2.1 (Non-Patent Documents 2 and 3), and is a suitable material as a photonic crystal. Moreover, cerium oxide is a material that is famous for its ultraviolet shielding effect. For example, a prior art document discloses an ultraviolet shielding agent using cerium oxide (Patent Document 1). Since ultraviolet rays adversely affect the human body, fibers having an ultraviolet shielding effect are desired, but cerium oxide is promising for such fibers.
  • Non-Patent Document 2 spherical CSCP nanoparticles
  • the spherical CSCP nanoparticles obtained in this report have the following characteristics, unlike others (Non-Patent Documents 5-8). That is, (1) the shape of the nanoparticles is spherical, (2) the particle size distribution is narrow, (3) a structure in which primary cerium oxide particles of 2 to 3 nm are gathered into a spherical shape, and the periphery is covered with an organic polymer (4) The nanoparticles can be re-dispersed in aqueous and non-aqueous solvents very easily even when dried. (5) A highly concentrated dispersion of particles can be prepared.
  • the average particle diameter of the nanoparticles can be controlled in the range of 50 to 120 nm, for example, while the particle size distribution is narrow by changing the molecular weight of the polymer added at the time of preparation.
  • Simple It can be synthesized by the polyol method, which is a synthesis process.
  • spherical CSCP nanoparticles are spherical and have a narrow particle size distribution (monodisperse), they are promising as colloidal crystals.
  • spherical CSCP nanoparticles are very easily redispersed in aqueous and non-aqueous solvents, and are expected to be dispersed in various resins.
  • the prior art document discloses an aggregate of spherical CSCP nanoparticles (Patent Document 2).
  • Patent Document 2 the integrated body disclosed in the above prior art document (Patent Document 2) has a problem that it has no mechanical strength and is brittle when it is pinched with tweezers.
  • a fixing agent is not used.
  • the nanoparticle aggregated non-uniformly by self-organization was called an aggregate. Therefore, the technique described in this document cannot make a large-area film containing spherical CSCP nanoparticles uniformly.
  • Patent Document 3 discloses a composite in which a polymer is covalently bonded to the surface of primary particles of inorganic oxide fine particles and a coating composition (resin) containing the same.
  • Spherical CSCP nanoparticles and their aggregates are essentially different. It can be read from the text that the inorganic oxide fine particles disclosed in Patent Document 3 are primary particles in the first place.
  • spherical CSCP nanoparticles are spherical secondary particles in which primary particles are aggregated, and they are completely different particles.
  • patent document 3 describes that the shape of the inorganic oxide fine particles is arbitrary, the shape is also different.
  • the primary particles of inorganic oxide fine particles are rarely spherical. This is because the primary particles are crystals, and the crystal plane often appears on the surface. Primary particles having an arbitrary shape are often agglomerated, and the shape of the secondary particles is like a bunch of grapes. For this reason, in patent document 3, since the polymer is covalently bonded to the surface of something like a bunch of grapes, the shape of each secondary particle is different. For this reason, it was impossible to arrange such secondary particles in the resin at a high density.
  • the present inventors are composed of an aggregate in which spherical CSCP nanoparticles synthesized by the polyol method are uniformly distributed and accumulated, and have excellent mechanical strength.
  • the goal of producing new aggregates of spherical CSCP nanoparticles that can be manufactured at low cost it is possible to increase the area of the film and have excellent transparency.
  • the volume ratio of the spherical CSCP nanoparticles is a high concentration of 32% or more, the spherical CSCP nanoparticles are uniformly distributed, and excellent in mechanical strength.
  • the present invention has been completed by successfully producing spherical CSCP nanoparticle aggregates.
  • INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention provides a novel spherical CSCP nanoparticle aggregate having excellent mechanical strength, capable of increasing the area, and capable of producing a transparent film at low cost, and a method for producing the same. Is intended to provide.
  • Another object of the present invention is to provide an antireflection material including a high refractive index layer using such an aggregate of spherical CSCP nanoparticles.
  • the present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
  • the volume ratio of the core-shell type cerium oxide / polymer hybrid nanoparticles is a high concentration of at least 32%, 2) contains a fixing agent composed of resin, and 3) the core-shell type cerium oxide / It has a structure in which the fixing agent is filled between the polymer hybrid nanoparticles, 4) the core-shell cerium oxide / polymer hybrid nanoparticles are uniformly distributed, and 5) have mechanical strength.
  • An aggregate of spherical core-shell cerium oxide / polymer hybrid nanoparticles characterized in that (2) The spherical core-shell cerium oxide / in the above (1), wherein the fixing agent is a resin after being cured by irradiating light or applying heat to a photocurable resin or a thermosetting resin. A collection of polymer hybrid nanoparticles. (3) The spherical core-shell type cerium oxide / polymer hybrid according to (1), wherein no silane coupling agent or surfactant is present on the surface of the core part of the spherical core-shell type oxide / polymer hybrid nanoparticle. A collection of nanoparticles.
  • the spherical core-shell cerium oxide / polymer hybrid nanoparticle aggregate according to (1) which has a film-like structure formed on a substrate or a base material.
  • the spherical core-shell type cerium oxide / polymer hybrid nanoparticle aggregate according to (1) which has a refractive index of 1.65 at the lowest.
  • An antireflection film comprising the spherical core-shell type cerium oxide / polymer hybrid nanoparticle aggregate described in (1) above.
  • a method for producing an aggregate of spherical core-shell cerium oxide / polymer hybrid nanoparticles characterized by the following. (10) The method for producing an aggregate of spherical core-shell cerium oxide / polymer hybrid nanoparticles according to (9), wherein the solvent is methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl lactate, ethyl lactate, or butyl lactate.
  • the present invention relates to an aggregate in which spherical core-shell type cerium oxide / polymer hybrid nanoparticles having a core part of cerium oxide and a shell part of a polymer are uniformly distributed and accumulated, the core-shell type cerium oxide / high
  • the volume ratio of the molecular hybrid nanoparticles is a high concentration of at least 32%, and includes a fixing agent composed of a resin, and the fixing agent is filled between the particles of the core-shell type cerium oxide / polymer hybrid nanoparticles.
  • the core-shell type cerium oxide / polymer hybrid nanoparticles have a structure, are uniformly distributed, and have mechanical strength.
  • the present invention also provides an ink for producing the above spherical core-shell cerium oxide / polymer hybrid nanoparticle aggregate, comprising core-shell cerium oxide / polymer hybrid nanoparticles, a photocurable resin, and a solvent. It is characterized by being configured.
  • the present invention is a method for producing an aggregate of spherical core-shell type cerium oxide / polymer hybrid nanoparticles, wherein the core-shell type cerium oxide / polymer hybrid nanoparticles, photo-curing resin or thermosetting resin, And a step of preparing an ink composed of a solvent, a step of forming the ink to form a molded body, and a step of irradiating the obtained molded body with light or applying heat to cure. It is what.
  • the spherical CSCP nanoparticle is a particle in which a secondary particle in which primary particles of cerium oxide are assembled in a spherical shape is a core portion, and a polymer layer serving as a shell portion is present on the secondary particle surface. That is.
  • the polymer in the shell portion is a polymer in which the polymers are cross-linked. Thereby, even if it wash
  • the CSCP nanoparticle is a hybrid of cerium oxide and a polymer, and the hybrid refers to a complex of cerium oxide and a polymer.
  • hybrid may be omitted. Instead of nanoparticles, they are sometimes called fine particles.
  • the polymer of the shell portion is omitted, that is, it is described as core-shell type cerium oxide fine particles.
  • the polymer may be described as a polymer.
  • the spherical CSCP nanoparticles used in the present invention have the following characteristics: (1) the shape of the nanoparticles is spherical, (2) the particle size distribution is narrow, (3) the primary oxide of 2 to 3 nm (4) Nanoparticles are extremely easy to re-disperse in aqueous and non-aqueous solvents even when dried. (5) A high-concentration dispersion of particles can be prepared. (6) The average particle size of the nanoparticles can be changed from 10 to 1000 nm while the particle size distribution is narrow by changing the molecular weight of the polymer added during production. (7) It can be synthesized by a simple polyol method.
  • the aggregate of spherical CSCP nanoparticles is an aggregate of the spherical CSCP nanoparticles in a uniformly distributed state, and the shape is arbitrary, for example, a thin film, thick film, bulk, fiber, etc. Is mentioned.
  • the fixing agent means a resin component filled between the spherical CSCP nanoparticle particles in order to enhance the mechanical strength of the spherical CSCP nanoparticle aggregate.
  • thermosetting resin a photo-curing resin, or the like, which is cured by light irradiation or heat
  • the mechanical strength of the aggregate of spherical CSCP nanoparticles is the adhesion between the substrate and the aggregate when there is a substrate, and the difficulty of breaking when the aggregate surface is rubbed with a metal rod or the like. That is.
  • excellent mechanical strength means that when there is a base material, the aggregate does not peel from the base material, and even if the surface of the aggregate is rubbed with a metal rod, it is not broken. It means having strength. Moreover, when there is no base material, it means that it has a strength that does not break even if the assembly is pinched with tweezers or the like.
  • a photocurable resin means a resin that cures when irradiated with light (such as ultraviolet rays or visible light), and a thermosetting resin refers to a resin that cures when heat is applied to the resin. means.
  • the polyol method which is a method for producing spherical CSCP nanoparticles.
  • the cerium salt, polymer, and high-boiling organic solvent as raw materials are mixed.
  • the cerium salt is a metal salt whose cation is a cerium ion. Examples thereof include cerium nitrate, cerium sulfate, and cerium acetate, and cerium nitrate is preferred.
  • Cerium salts are usually hydrated.
  • the concentration of the cerium salt is preferably 0.4 kmol / m 3 or more, because this improves the yield.
  • the polymer is an organic polymer, and examples thereof include polyvinyl pyrrolidone, hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, and the like, and preferably polyvinyl pyrrolidone.
  • the concentration of the polymer is preferably 80 kg / m 3 to 120 kg / m 3 .
  • the polymer concentration is defined as the weight of the polymer added per unit solvent volume.
  • the concentration of the polymer is in the range of 80 kg / m 3 to 120 kg / m 3 is that if it is less than this, the cerium oxide fine particles are likely to aggregate and do not become a core-shell type. Moreover, it is because the nucleation reaction of cerium oxide does not advance when the concentration of the polymer is more than the above range.
  • the high boiling point organic solvent is a solvent having a boiling point higher than 100 ° C.
  • polyols such as ethylene glycol, diethylene glycol, glycerin and propylene glycol can be listed, and preferably ethylene glycol.
  • the raw material mixing step it is necessary to mix the raw materials so that they are sufficiently uniform.
  • the temperature cannot be increased. This is because, when the temperature is high, cerium oxide is generated, and nanoparticles having a uniform particle size cannot be obtained.
  • heating and refluxing are performed at a predetermined temperature of 110 ° C. or higher. This is the heating / refluxing step. At this time, it is preferable to raise the temperature to a predetermined temperature as quickly as possible from the temperature in the mixing step.
  • cerium oxide is generated.
  • the primary particles of cerium oxide are about a few nm, and these aggregate in a spherical shape to form secondary particles. This is the core part.
  • the polymer aggregates on the surface of the secondary particles to form a shell portion.
  • Some polymers forming the shell portion have the structure of the starting polymer, but the polymers may be crosslinked. In this way, a core part and an inseparable shell part are completed.
  • a method of separation / washing for example, there is a method of precipitating nanoparticles with a centrifuge, discarding the supernatant, redispersing with an arbitrary solvent, and further repeating separation and removal of the supernatant.
  • spherical CSCP nanoparticles can be dispersed in an arbitrary solvent to obtain a nanoparticle dispersion, or dried to obtain nanoparticle powder.
  • the spherical CSCP nanoparticles in which the shell portion is reduced by separating and washing after dispersing the spherical CSCP nanoparticles in a solution in which the shell portion is dissolved and dissolving the shell portion. Nanoparticles can be obtained.
  • the spherical CSCP nanoparticles are heated in air at a temperature of 150 ° C. or higher, more preferably at a temperature of 200 ° C. or higher, by partial combustion of the shell part, It is also possible to reduce the weight. In this case, separation and washing are performed as necessary. In this way, spherical CSCP nanoparticles having a reduced shell portion can be obtained.
  • the polyol method is a very simple process, and is extremely low in cost as compared with a method for imparting dispersibility to inorganic oxide fine particles disclosed so far (for example, Patent Document 3).
  • the spherical CSCP nanoparticles are mixed with, for example, a photocurable resin and a solvent to prepare an ink for manufacturing an aggregate of spherical CSCP nanoparticles.
  • a photocurable resin examples include an acrylate resin and an epoxy resin.
  • Monomers and oligomers having an acryloyl group include monofunctional monomers such as isooctyl acrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate, n-acryloyloxyethyl hexahydrophthalimide, N, N-dimethylacrylamide, triethylene glycol diacrylate, 1, Examples include bifunctional monomers such as 6-hexanediol diacrylate, trifunctional or higher monomers such as pentaerythritol triacrylate, dipentaerythritol hexaacrylate, and oligomers such as urethane acrylate, epoxy acrylate, polyester acrylate, and polyether acrylate.
  • monofunctional monomers such as isooctyl acrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate, n-acryloyloxyethyl hexahydrophthalimide, N, N-dimethylacrylamide, triethylene glycol diacrylate, 1, Examples include bifunctional monomers such as
  • polymerization initiator examples include diethoxyacetone phenone, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one, isobutyl benzoin ether, isopropyl benzoin ether, benzyl dimethyl ketal, 1-hydroxy-cyclohexyl-phenyl-ketone, Examples include benzophenone, 2-chlorothioxanthone, bis (2,4,6-trimethylbenzoyl) -phenylphosphine oxide.
  • solvents suitable for spherical CSCP nanoparticles there are solvents suitable for spherical CSCP nanoparticles and unsuitable solvents as solvents.
  • the solvent suitable for the spherical CSCP nanoparticles include methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl lactate, ethyl lactate, and butyl lactate.
  • solvents that are inappropriate for spherical CSCP nanoparticles include ethanol, propylene glycol monomethyl ether, and ethylene glycol monobutyl ether.
  • the influence of the solvent is not limited to the dispersibility of the spherical CSCP nanoparticles in the solvent, but the influence extends to the aggregate after immobilization, that is, after the solvent is volatilized.
  • thermosetting resin can also be used instead of the photocurable resin.
  • the spherical CSCP nanoparticles are mixed with a thermosetting resin and a solvent to prepare an ink for producing an aggregate of spherical CSCP nanoparticles.
  • the method for forming the aggregate of spherical CSCP nanoparticles is arbitrary.
  • the aggregate is formed on a substrate, screen printing, bar coating, spin coating, dip coating, etc. are exemplified.
  • the surface of the base material forming the aggregate is washed, if ethanol is used as a cleaning solvent, the strength of the aggregate is reduced.
  • a decrease in strength occurs only when spherical CSCP nanoparticles are included, and it is known that the strength decrease does not occur only with a fixative that does not include spherical CSCP nanoparticles. This is a unique phenomenon caused by CSCP nanoparticles. Therefore, in the case of spherical CSCP nanoparticles, ethanol cannot be used for cleaning purposes.
  • examples of a method for forming an integrated body when a substrate is not used include stereolithography and dispensing.
  • a solvent is a key point for immobilizing spherical CSCP nanoparticles with a fixing agent.
  • alcohol or alcohol derivative solvents such as ethanol, propylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, etc.
  • the characteristics mentioned above that is, the volume ratio of the spherical CSCP nanoparticles is a high concentration of 32% or more, and the fixing agent is used.
  • the fixing agent is, for example, a photocurable resin
  • the fixing agent is, for example, a thermocurable resin
  • the fixing agent is, for example, a thermosetting resin
  • it is cured by applying heat.
  • the spherical CSCP nanoparticles are fixed in the resin obtained by curing the thermosetting resin as a fixing agent, and have mechanical strength.
  • the volume ratio of spherical CSCP nanoparticles is the volume ratio of spherical CSCP nanoparticles occupying an aggregate of spherical CSCP nanoparticles.
  • V (%) 100-V (%) is a volume ratio other than the spherical CSCP nanoparticles.
  • a photocurable resin or the like is cured. Resin and voids are included.
  • the volume ratio of spherical CSCP nanoparticles in the aggregate of spherical CSCP nanoparticles of the present invention is 32% or more.
  • the volume ratio of the spherical CSCP nanoparticles is increased, the ratio of the fixing agent composed of the resin after the photocurable resin is cured is decreased, so that the mechanical strength is considered to be decreased.
  • the spherical CSCP nanoparticle aggregate of the present invention is excellent in mechanical strength even when the volume ratio of the spherical CSCP nanoparticles is as high as 32% or more.
  • the uniformity of the aggregate of spherical CSCP nanoparticles can be evaluated by SEM observation. Uniformity as used herein means that there is no change in the concentration of spherical CSCP nanoparticles present in the aggregate of spherical CSCP nanoparticles.
  • a typical example of the case where there is no uniformity is a case where spherical CSCP nanoparticles having a diameter of 10 ⁇ m are divided into a region where almost no spherical CSCP nanoparticles are present and a region where spherical CSCP nanoparticles are present at a high density.
  • being uniform means that a uniform distribution of spherical CSCP nanoparticles is observed even when magnified 10,000 times in SEM observation.
  • the uniformity is poor, the mechanical strength is deteriorated and the transparency is lowered.
  • the measuring method is not limited.
  • a method for obtaining the refractive index of the aggregate formed on the substrate for example, there is a method using a spectroscopic ellipsometer (spectral ellipsometry). In this method, a method is used in which light is incident on the sample surface and the optical constants (refractive index and extinction coefficient) of the sample are determined from changes in the polarization state before and after reflection.
  • the refractive index of the aggregate of spherical CSCP nanoparticles formed on the substrate is preferably 1.65 or more, more preferably 1.70 or more.
  • Turbidity is an index representing transparency, and a method for obtaining this is, for example, the method of JIS 7361.
  • turbidity was investigated using the haze meter (Nippon Denshoku Industries Co., Ltd. make, NDH5000).
  • the turbidity of the aggregate of spherical CSCP nanoparticles formed on the substrate was 2% or less (the turbidity of the aggregate was determined by subtracting and correcting the turbidity of the substrate alone).
  • the aggregate of spherical CSCP nanoparticles having excellent mechanical strength means that if there is a base material, the aggregate does not peel off from the base material, and the surface of the aggregate may be rubbed with a metal rod.
  • a general spatula was rubbed against a thin film-like aggregate having a base material, and it was tested and evaluated whether the aggregate did not peel or break.
  • the aggregate of spherical CSCP nanoparticles of the present invention has characteristics suitable for such a test.
  • the aggregate of spherical CSCP nanoparticles obtained in the present invention has optical characteristics such as unprecedented mechanical strength, uniformity and transparency, and a large refractive index.
  • spherical CSCP nanoparticles and their production methods are known, and it is also known to form an antireflection film with a polymer layer containing a high refractive index metal oxide.
  • an aggregate of spherical CSCP nanoparticles is a self-organized aggregation of nanoparticles, no uniformity, no mechanical strength, fragile, large area There was a problem that the film could not be made and there was no light transmission.
  • the present invention has a uniform distribution of spherical CSCP nanoparticles, contains a fixing agent composed of a resin, has excellent mechanical strength, and can easily produce a large-area film.
  • Excellent in light transmission and ultraviolet shielding properties in particular, has excellent performance as an antireflection material used in displays, and is essentially different from conventional aggregates of spherical CSCP nanoparticles It has characteristics.
  • An aggregate of spherical core-shell cerium oxide / polymer hybrid nanoparticles (spherical CSCP nanoparticles) can be produced and provided.
  • the volume ratio of the spherical CSCP nanoparticles is a high concentration of 32% or more, contains the immobilizing agent, the spherical CSCP nanoparticles are uniformly distributed, has excellent mechanical strength, and facilitates large area membranes.
  • the cerium oxide constituting the spherical CSCP nanoparticle aggregate has a high refractive index, and the spherical CSCP nanoparticle aggregate is dispersed in a photocurable resin (photosensitive resin) or a thermosetting resin. By fixing, a high refractive index layer suitably used for an antireflection agent can be produced. (4) A large-area film or film-shaped antireflection material having the high refractive index layer can be provided. (5) The high refractive index layer is useful as an antireflection material used in a display because it has transparency, uniformity, and ultraviolet absorption. (6) The spherical CSCP nanoparticle aggregate can be applied to a photonic crystal and can provide a high-performance optical device. (7) Since cerium oxide is excellent in ultraviolet shielding property, an ultraviolet shielding film can be produced and provided.
  • the microstructure of sample 1-3 (Example 1) by SEM observation is shown.
  • the microstructure (low magnification) of SEM observation of Sample 1-3 (Example 1) is shown.
  • the portion that appears slightly white at the center is a color change at the time of observation at high magnification.
  • the result of having evaluated the relationship between the wavelength and refractive index of the high refractive index layer of Sample 1-3 (Example 1) and the relationship between the wavelength and the extinction coefficient by spectroscopic ellipsometry is shown.
  • the microstructure of Comparative Sample 1-1 is shown.
  • spherical CSCP nanoparticles were synthesized. Ethylene glycol (EG), polyvinyl pyrrolidone (PVP), and cerium nitrate hexahydrate were used as raw materials, and these were mixed to prepare a raw material mixture. The concentrations of PVP and cerium nitrate hexahydrate on EG were 120 kg / m 3 and 0.6 kmol / m 3 , respectively.
  • EG Ethylene glycol
  • PVP polyvinyl pyrrolidone
  • cerium nitrate hexahydrate were 120 kg / m 3 and 0.6 kmol / m 3 , respectively.
  • the average molecular weight of PVP is 10,000 as a catalog value.
  • the organic synthesizer CC200 manufactured by SIBATA
  • the raw material mixture was heated to reflux at a predetermined temperature and time.
  • the set temperature at this time was 165 ° C.
  • the heating reflux time was 120 min after reaching the set temperature.
  • the raw material mixture became cloudy.
  • the cloudy liquid was quenched.
  • the white turbid liquid was centrifuged at 18000 rpm, and washed with water and ethanol. After washing, it was dried at 80 ° C. to obtain a powder.
  • This powder is spherical CSCP nanoparticles.
  • As the solvent a mixed solvent of methyl ethyl ketone (MEK) and isophorone was used.
  • the volume ratio of MEK to isophorone was 90:10.
  • the weight of the spherical CSCP nanoparticle powder, the photocurable resin, and the spherical CSCP nanoparticle powder and the photocurable resin contained in the ink after mixing the solvent with respect to 1 mL of the ink. It was 0.1 g.
  • the weight ratio of the spherical CSCP nanoparticle powder, PETA, and Irgacure 184 was 40: 20: 1.
  • Samples 1-1 (Lot. 1020-2) and 1-2 (Lot. 1020-4) were obtained when slide glass and Si / SiO 2 were used as the base materials, respectively.
  • a final sample was obtained by irradiating the integrated body with ultraviolet rays using a high-pressure mercury lamp.
  • the ink for making Sample 1-3 is exactly the same as the above method except that the solvent is a mixed solvent of methyl isobutyl ketone (MIBK) and isophorone.
  • MIBK methyl isobutyl ketone
  • the volume ratio of MIBK to isophorone was 95: 5.
  • Sample 1-3 (Lot. 1114-6) was prepared under the same conditions as described above.
  • the TAC film was used without washing the surface with ethanol before coating.
  • Table 1 Various characteristics of the obtained samples are summarized in Table 1. In this table, comparative examples described later are also described.
  • FIG. 1 shows the microstructure of sample 1-3 (Example 1) by SEM observation.
  • FIG. 2 shows the microstructure (low magnification) of Sample 1-3 (Example 1) by SEM observation. From these figures, the particle distribution was uniform and uniform (FIGS. 1 and 2). In FIG. 2, the portion that appears slightly white at the center is a color change during SEM observation at high magnification. This is presumably because the resin changed due to the electron beam.
  • FIG. 3 shows the relationship between the wavelength and refractive index of the high refractive index layer of Sample 1-3 (Example 1), and the relationship between the wavelength and the extinction coefficient.
  • a 54 nm layer having a refractive index of 1.548 (wavelength 550 nm) on the substrate was found to exist.
  • a high refractive index layer and a low refractive index layer could be easily formed on a substrate.
  • the average refractive index of the aggregate was 1.702.
  • the haze value was evaluated with a haze meter. As a result, the haze value was 1.65% (corrected by removing the haze value of the base material).
  • the volume ratio of the spherical CSCP nanoparticles in the sample 1-3 aggregate was 40% or more.
  • the densities of the core (cerium oxide), the shell (polymer), and the cured resin after irradiating the photocurable resin with light are 7.28, 1.26, and 1.41 g, respectively.
  • the volume fraction was calculated as / cm 3 .
  • the volume ratio of the spherical CSCP nanoparticles in the layer having a refractive index of 1.720 is 73.8% as predicted from the refractive index.
  • the refractive indexes of the core (cerium oxide), the shell (polymer), and the cured resin after irradiating light to the photocurable resin are 2.1, 1.52, and 1.
  • the volume fraction was calculated as 53.
  • Comparative Example 1 For comparison with the present invention, Comparative Samples 1-1 to 6 will be described.
  • the method for producing the comparative sample is basically the same as in Example 1, but the differences from Example 1 are shown below.
  • Comparative Sample 1-1 (Lot. 902-5) ...
  • Solvent Ethanol, Aggregate Forming Method: Ink Dropping Only, Base Material: Slide Glass Comparative Sample 1-2 (Lot. 902-6) ...
  • Solvent Ethanol, aggregate formation method: Ink dripping only, substrate: Si / SiO 2
  • Comparative Sample 1-3 (Lot. 116-1)
  • Solvent Propylene glycol monomethyl ether
  • Base material Polyethylene terephthalate (PET) film
  • Comparative sample 1-4 (Lot. 116-4) ...
  • Solvent ethylene glycol monobutyl ether
  • substrate TAC film
  • Comparative sample 1-5 (Lot. 1104-1)
  • Solvent ethanol
  • Base material TAC film comparison sample 1-6 (Lot. 1114-3)
  • Base material TAC film, the surface was washed with ethanol before coating.
  • Comparative Samples 1-1 to 4 used ethanol, propylene glycol monomethyl ether, and ethylene glycol monobutyl ether as the solvent.
  • FIG. 4 shows the microstructure of comparative sample 1-1. As can be seen from the figure, there was a problem in the non-uniformity of the microstructure (FIG. 4), and there was a problem in the mechanical strength. The upper right portion of FIG. 4 is where only the resin is present, and the lower left portion is where the spherical CSCP nanoparticles are densely present. Thus, in Comparative Sample 1-1, spherical CSCP nanoparticles are present non-uniformly.
  • Comparative Sample 1-5 is a case where ethanol is used as a solvent and ink containing no spherical CSCP nanoparticles is used. In this case, a film is formed. Therefore, when the spherical CSCP nanoparticles are not contained, ethanol is suitable as the solvent. However, when the spherical CSCP nanoparticles are contained, there arises a problem that the spherical CSCP nanoparticles have an uneven distribution.
  • spherical CSCP nanoparticles were synthesized in the same manner as in Example 1 above.
  • the spherical CSCP nanoparticle powder was mixed with a photocurable resin and a solvent to prepare an ink.
  • the monomer of the photocurable resin and the polymerization initiator are the same as in Example 1.
  • the weight ratio of PETA, which is a monomer of the photocurable resin, and Irgacure 184, which is a polymerization initiator was also the same as in Example 1, and was 100: 5.
  • As the solvent a mixed solvent of MIBK and isophorone was used.
  • the volume ratio of MIBK to isophorone was 95: 5.
  • the weight of the spherical CSCP nanoparticle powder and the photocurable resin (PETA and Irgacure 184) contained in the ink after mixing the spherical CSCP nanoparticle powder, the photocurable resin, and the solvent is 0 with respect to 1 mL of the ink. 0.1 g.
  • the weight ratio of the spherical CSCP nanoparticle powder, PETA, and Irgacure 184 was 40: 20: 1.
  • Sample 2-1 was not damaged and was found to have excellent mechanical strength in a scratch test with a spatula. Further, when the microstructure was examined by SEM observation, it was confirmed that the resin was present between the spherical CSCP nanoparticles without any gap. Further, the particle distribution was uniform with no roughness.
  • Refractive index was evaluated by spectroscopic ellipsometry. As a result, there is a 158.6 nm layer with a refractive index of 1.686 (wavelength 550 nm) on the substrate, and a 35.6 nm layer with a refractive index of 1.576 (wavelength 550 nm) on the substrate. It was found that there was a 122.6 nm layer having a refractive index of 1.698 (wavelength 550 nm) and a 42.5 nm layer having a refractive index of 1.529 (wavelength 550 nm).
  • the average refractive index of the entire layer was 1.661.
  • the haze value was evaluated with a haze meter. As a result, the haze value was 0.77% (corrected by removing the haze value of the base material). Similar to Sample 1-3 of Example 1, the volume fraction of spherical CSCP nanoparticles in the aggregate was calculated to be 40% or more.
  • spherical CSCP nanoparticles were synthesized in the same manner as in Example 1.
  • the spherical CSCP nanoparticle powder was heat-treated at 200 ° C. in the air for 4 hours to reduce the shell weight.
  • the spherical CSCP nanoparticle powder after firing was mixed with a photocurable resin and a solvent to prepare an ink.
  • the monomer of the photocurable resin and the polymerization initiator are the same as in Example 1.
  • As the solvent a mixed solvent of MIBK and 3-methoxy-3-methyl-1-butanol was used.
  • the volume ratio of MIBK to 3-methoxy-3-methyl-1-butanol was 80:20.
  • the weight of the sintered spherical CSCP nanoparticle powder and the photocurable resin (PETA and Irgacure 184) contained in the ink after mixing the spherical CSCP nanoparticle powder, the photocurable resin, and the solvent is 1 mL of ink. 0.05 g.
  • the weight ratio of the spherical CSCP nanoparticle powder, PETA, and Irgacure 184 was 40: 20: 1.
  • Sample 3-1 was found not to be scratched and excellent in mechanical strength by a scratch test using a spatula. Further, when the microstructure was examined by SEM observation, it was confirmed that the resin was present between the spherical CSCP nanoparticles without any gap. Further, the particle distribution was uniform with no roughness.
  • an aggregate was produced under the same conditions as in Example 3 except for the weight ratio of spherical CSCP nanoparticle powder, PETA, and Irgacure 184.
  • the weight ratio of spherical CSCP nanoparticle powder, PETA, and Irgacure 184 was 60: 20: 1.
  • the aggregate thus obtained is Sample 4-1 (Lot. 615-2).
  • Sample 4-1 was also scratched with a spatula and was found not to be scratched and excellent in mechanical strength. Further, when the microstructure was examined by SEM observation, it was confirmed that the resin was present between the spherical CSCP nanoparticles without any gap. Further, the particle distribution was uniform with no roughness.
  • Refractive index was evaluated by spectroscopic ellipsometry. As a result, there is a 75 nm layer with a refractive index of 1.834 (wavelength 550 nm) on the substrate, and there is a 61 nm layer with a refractive index of 1.565 (wavelength 550 nm) on it. As a result.
  • the volume ratio of the spherical CSCP nanoparticles having a refractive index exceeding 1.8 is 72% or more when predicted from the refractive index when it is fired.
  • the refractive indexes of the core (cerium oxide), the shell (polymer), and the cured resin after irradiating light to the photocurable resin are 2.1, 1.52, and 1.
  • the volume fraction was calculated as 53. In this way, by accumulating spherical CSCP nanoparticles, it was possible to produce a CSCP nanoparticle aggregate having a very high concentration.
  • spherical CSCP nanoparticles were synthesized in the same manner as in Example 1. However, the average molecular weight of PVP was a catalog value of 55,000, and the heating reflux time was changed to 100 min. The spherical CSCP nanoparticles thus obtained had a particle size of about 60 nm.
  • Example 3 The same baking treatment (heat treatment) as in Example 3 was added to the obtained spherical CSCP nanoparticle powder. Next, this was mixed with a photocurable resin and a solvent to prepare an ink. Dipentaerythritol hexaacrylate (DPHA) was used as a monomer for the photocurable resin.
  • the polymerization initiator is Irgacure 184 as in the previous examples.
  • the same solvent as in Example 3 was used.
  • the weight of the fired spherical CSCP nanoparticle powder and the photocurable resin contained in the ink after mixing the spherical CSCP nanoparticle powder, the photocurable resin, and the solvent was 0.046 g with respect to 1 mL of the ink. It was.
  • the weight ratio of the spherical CSCP nanoparticle powder, DPHA, and Irgacure 184 was 40: 20: 1.
  • the refractive index was evaluated by spectroscopic ellipsometry and calculated with a one-layer model, which was about 1.733. Further, a scratch test using a spatula revealed that the scratch was not found and the mechanical strength was excellent. Further, when the microstructure was examined by SEM observation, it was confirmed that the resin was present between the spherical CSCP nanoparticles without any gap. Further, the particle distribution was uniform with no roughness.
  • the present invention relates to an aggregate of spherical core-shell cerium oxide / polymer hybrid nanoparticles, and according to the present invention, the volume ratio of spherical CSCP nanoparticles is a high concentration of 32% or more.
  • the cerium oxide constituting the spherical core-shell type cerium oxide / polymer hybrid nanoparticle aggregate of the present invention has a high refractive index and has various properties such as absorption of ultraviolet rays.
  • the present invention is useful as a new spherical CSCP nanoparticle aggregate, a method for producing the same, and an antireflection material having a high refractive index layer.

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Abstract

　本発明は、球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体、その製造方法、及び高屈折率層を有する光反射防止膜などの製品を提供するものであり、本発明は、コアとシェルが、それぞれ酸化セリウムと高分子である球状のコアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体であって、該コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の体積割合が３２％以上の高濃度であり、固定剤を含み、該コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子間に、固定剤が充填されており、該コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子が均一に分布し、球状二次粒子であり、ポリオール法を用いて合成されたものであり、優れた機械的強度を有し、光の透過性と紫外線遮蔽性に優れている、球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体、その製造方法、光反射防止膜及びインク、である。

Description

球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体及びその製造方法
　本発明は、ポリオール法で合成される球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子（以下、球状ＣＳＣＰナノ粒子と記載することがある。）の集積体に関するものであり、更に詳しくは、球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合が３２％以上の高濃度であり、樹脂から構成される固定剤を含み、球状ＣＳＣＰナノ粒子が均一に分布し、機械的強度に優れていて、大面積の膜を容易に作製することができ、しかも、光の透過性と紫外線遮蔽性に優れている、球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体、その製造方法、及びその応用製品である光反射防止膜などに関するものである。本発明は、例えば、フォトニック結晶、紫外線遮蔽繊維、高屈折率膜、高屈折率層を使った反射防止材などに有用な、球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体に関する新技術・新製品を提供するものである。
　近年、微粒子を用いたフォトニック結晶が注目されている（非特許文献１）。これは、微粒子により、発光や光の伝搬を、人工的に制御できるためである。フォトニック結晶用の微粒子として必要な性能は、球状、粒径が５０～２００ｎｍ程度、粒径分布（粒径の標準偏差）が小さい、高屈折率（ｎ＞２）、液中での良好な分散性、である。しかし、これまで、これらの条件を満たす微粒子は、開発されていなかった。
　しかるに、酸化セリウムは、屈折率が２．１と高く（非特許文献２、３）、フォトニック結晶として好適な材料である。また、酸化セリウムは、その紫外線遮蔽効果が有名な材料であり、例えば、先行技術文献には、酸化セリウムを使った紫外線遮蔽剤について開示されている（特許文献１）。紫外線は、人体に悪影響を及ぼすために、紫外線遮蔽効果のある繊維などが望まれているが、酸化セリウムは、そのような繊維に有望である。
　最近、球状ＣＳＣＰナノ粒子が、先行技術として報告されている（特許文献２、非特許文献４）。この報告で得られる球状ＣＳＣＰナノ粒子は、他のもの（非特許文献５－８）と異なり、次のような特徴を有している。すなわち、（１）ナノ粒子の形状は、球状である、（２）粒度分布は、狭い、（３）２から３ｎｍの酸化セリウム一次粒子が球状に集合し、その周りを有機ポリマーが被覆した構造を持つ、コアシェル構造である、（４）ナノ粒子は、乾燥させても、水系及び非水系溶媒への再分散が非常に容易である、（５）粒子の高濃度分散液を調製可能である、（６）このナノ粒子の平均粒径は、作製時に添加するポリマーの分子量を変化させることで、粒度分布が狭いまま、例えば、５０から１２０ｎｍの範囲で制御可能である、（７）簡便な合成プロセスであるポリオール法で合成できる、などの特徴を有している。
　この球状ＣＳＣＰナノ粒子は、球状で、粒度分布が狭い（単分散である）ことから、コロイド結晶として有望である。また、球状ＣＳＣＰナノ粒子は、水系及び非水系溶媒への再分散が非常に容易であるため、種々の樹脂中への分散が期待される。そして、上記先行技術文献には、球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体が開示されている（特許文献２）。
　しかしながら、上記先行技術文献（特許文献２）に開示されている集積体は、機械的強度がなく、ピンセットでつまむと砕ける程もろいという問題があるが、この文献では、固定剤を使用しておらず、ナノ粒子が自己組織的に凝集して不均一に集積したものを集積体と称していた。したがって、この文献に記載の技術では、球状ＣＳＣＰナノ粒子を均一に含有する大面積の膜を作ることはできなかった。
　更に、先行技術文献には、無機酸化物微粒子の一次粒子の表面にポリマーを共有結合させた複合体やそれを含むコーティング組成物（樹脂）が開示されている（特許文献３）が、これらと球状ＣＳＣＰナノ粒子やそれの集積体とは本質的に異なる。特許文献３に開示されている無機酸化物微粒子は、そもそも一次粒子であることが文章から読み取れる。一方、球状ＣＳＣＰナノ粒子は一次粒子が集合した球状の二次粒子であり、両者は、まったく異なる粒子である。また、特許文献３には、無機酸化物微粒子の形状は、任意であることが記載されているので、形状も異なる。
　一般に、無機酸化物微粒子の一次粒子は、球状であることは珍しい。というのは、一次粒子は、結晶であるので、結晶面が表面に出ることが多いためである。任意の形状を有する一次粒子は、凝集していることが多く、二次粒子の形状は、ブドウの房のような形状である。このため、特許文献３では、ブドウの房のようなものの表面にポリマーを共有結合させているため、それぞれの二次粒子の形状は異なる。このため、このような二次粒子を高密度で樹脂に配置することは不可能であった。
　そこで、ごく最近、本発明者らは、上記球状ＣＳＣＰナノ粒子を、光硬化性樹脂（感光性樹脂）で固定化しようと試みたが、球状ＣＳＣＰナノ粒子が自己組織的に凝集して不均一に集積することが原因して、樹脂のみの部分が出現し、均一な集積体を得ることができないという問題を生じた。また、溶剤として、エタノール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテルを使用した場合、光の透過性や、均一性がない、などの問題を生じた。そこで、当技術分野においては、球状ＣＳＣＰナノ粒子が均一に分布し、機械的強度に優れている、球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体、その製造技術、その製品を開発することが強く要請されていた。
特開２００４－３５６３２号公報 特開２００８－１１５３７０公報 特開２００３－０４１１５２公報
柴田修一、セラミックス４１（２００６）３３４ Ｍ．Ｇ．Ｋｒｉｓｈｎａ，Ａ．Ｈａｒｔｒｉｄｇｅ，Ａ．Ｋ．Ｂｈａｔｔａｃｈａｒｙａ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｂ５５（１９９８）１４ Ｍ．Ｍｏｇｅｎｓｅｎ，Ｎ．Ｍ．Ｓａｍｍｅｓ，Ｇ．Ａ．Ｔｏｍｐｓｅｔｔ，Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｉｏｎｉｃｓ　１２９（２０００）６３ Ｎ．Ｉｚｕ，Ｉ．Ｍａｔｓｕｂａｒａ，Ｔ．Ｉｔｏｈ，Ｗ．Ｓｈｉｎ，Ｍ．Ｎｉｓｈｉｂｏｒｉ，Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ｊａｐａｎ　８１（２００８）７６１－７６６ Ｃ．Ｈｏ，Ｊ．Ｃ．Ｙｕ，Ｔ．Ｋｗｏｎｇ，Ａ．Ｃ．Ｍａｋ，Ｓ．Ｌａｉ，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．，１７（２００５）４５１４ Ｎ．Ｕｅｋａｗａ，Ｍ．Ｕｅｔａ，Ｙ．Ｊ．Ｗｕ，Ｋ．Ｋａｋｅｇａｗａ，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．，１９（２００４）１０８７ Ｘ．Ｃｈｕ，Ｗ．Ｃｈｕｎｇ，Ｌ．Ｄ．Ｓｃｍｉｄｔ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，７６（１９９３）２１１５ Ｗ．Ｐ．Ｈｓｕ，Ｌ．Ｒｏｎｎｑｕｉｓｔ，Ｅ．Ｍａｔｉｊｅｖｉｃ，Ｌａｎｇｍｕｉｒ，４（１９８８）３１
　このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、ポリオール法で合成される球状ＣＳＣＰナノ粒子が均一に分布して集積した集積体で構成され、優れた機械的強度を有し、面積を大きくすることが可能で、透明性に優れている膜を、安価に作ることを可能とする、新しい球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体を製造することを目標として鋭意研究を重ねた結果、特定の溶剤、及び、固定化剤を使用することで、球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合が３２％以上の高濃度であり、球状ＣＳＣＰナノ粒子が均一に分布し、機械的強度に優れている、球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体を製造することに成功し、本発明を完成するに至った。本発明は、優れた機械的強度を有し、面積を大きくすることが可能で、透明性を有する膜を、安価に作ることができる、新規球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体、及びその製造方法などを提供することを目的とするものである。また、本発明は、そのような球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体を用いた高屈折率層を含む反射防止材を提供することを目的とするものである。
　上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）コア部が酸化セリウムの一次粒子が集合した球状の二次粒子であり、シェル部が高分子である球状のコアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子を均一分布させて集積した集積体であって、１）当該コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の体積割合が少なくとも３２％の高濃度であり、２）樹脂から構成される固定剤を含み、３）当該コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の粒子間に、当該固定剤が充填された構造を有し、４）当該コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子が均一に分布し、５）機械的強度を有している、ことを特徴とする球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体。
（２）前記固定剤が、光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂に、光を照射して又は熱を与えて、硬化した後の樹脂である、前記（１）記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体。
（３）前記球状のコアシェル型酸化物／高分子ハイブリッドナノ粒子のコア部分の表面に、シランカップリング剤又は界面活性剤が存在しない、前記（１）記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体。
（４）基板又は基材上に成膜された膜状構造を有する、前記（１）記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体。
（５）屈折率が、低くても１．６５である、前記（１）記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体。
（６）濁度が、高くても２％である、前記（１）記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体の集積体。
（７）前記（１）記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体で構成されることを特徴とする光反射防止膜。
（８）前記（１）記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体を作製するためのインクであって、コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子、光硬化性樹脂、及び溶剤から構成されることを特徴とするインク。
（９）前記（１）記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体を製造する方法であって、コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子、光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂、及び溶剤から構成されるインクを調製する工程と、そのインクを成形して成形体とする工程と、得られた成形体に光を照射して又は熱を与えて硬化する工程からなることを特徴とする球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体の製造方法。
（１０）前記溶剤が、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、乳酸メチル、乳酸エチル、又は乳酸ブチルである、前記（９）に記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体の製造方法。
　次に、本発明について更に詳細に説明する。
　本発明は、コア部が酸化セリウムで、シェル部が高分子である球状のコアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子を均一分布させて集積した集積体であって、当該コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の体積割合が少なくとも３２％の高濃度であり、樹脂から構成される固定剤を含み、当該コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の粒子間に、当該固定剤が充填された構造を有し、当該コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子が均一に分布し、機械的強度を有している、ことを特徴とするものである。
　また、本発明は、上記球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体を作製するためのインクであって、コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子、光硬化性樹脂、及び溶剤から構成されることを特徴とするものである。更に、本発明は、上記球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体を製造する方法であって、コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子、光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂、及び溶剤から構成されるインクを調製する工程と、そのインクを成形して成形体とする工程と、得られた成形体に光を照射して又は熱を与えて硬化する工程からなることを特徴とするものである。
　本発明において、球状ＣＳＣＰナノ粒子とは、酸化セリウムの一次粒子が球状に集合した二次粒子が、コア部分であり、その二次粒子表面に、シェル部分となる高分子の層が存在する粒子のことである。ここで、シェル部分の高分子は、高分子同士が架橋されたものである。このことにより、洗浄しても、シェル部分はコア部分から分離しない。このＣＳＣＰナノ粒子は、酸化セリウムと高分子のハイブリッドであり、ハイブリッドとは、酸化セリウムと高分子の複合体であることを指す。
　本明細書では、ハイブリッドとの表記は、省略することがある。ナノ粒子の代わりに、微粒子ということがある。また、シェル部分のポリマーを省略して記載する場合、すなわち、コアシェル型酸化セリウム微粒子と記載する場合がある。高分子は、ポリマーと記載することがある。
　本発明で用いる球状ＣＳＣＰナノ粒子は、次のような特徴、すなわち、（１）ナノ粒子の形状は、球状である、（２）粒度分布は、狭い、（３）２から３ｎｍの酸化物一次粒子が球状に集合し、その周りを有機ポリマーが被覆した構造を持つコアシェル構造である、（４）ナノ粒子は、乾燥させても、水系及び非水系溶媒への再分散が非常に容易である、（５）粒子の高濃度分散液を調製可能である、（６）このナノ粒子の平均粒径は、作製時に添加するポリマーの分子量を変化させることで、粒度分布が狭いまま、１０から１０００ｎｍの範囲で制御可能である、（７）簡便なポリオール法で合成できる、という特徴を有する。
　本発明において、球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体とは、上記球状ＣＳＣＰナノ粒子が、均一分布した状態で集積したものであり、形状は、任意であり、例えば、薄膜、厚膜、バルク、繊維などが挙げられる。本発明において、固定剤とは、上記球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体の機械的強度を増強するために、球状ＣＳＣＰナノ粒子の粒子間に充填する樹脂成分のことを意味する。
　この固定剤としては、熱硬化樹脂、光硬化樹脂などが、光照射又は熱により硬化した樹脂が用いられるが、これらに限定されるものではない。球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体の機械的強度とは、基材がある場合は、基材と集積体の密着性、また、集積体表面を金属棒などでこすったときの破壊しにくさなどのことである。また、基材がないときは、集積体の硬さ、力を加えたときの壊れにくさのことである。
　すなわち、本発明において、機械的強度に優れているとは、基材がある場合は、集積体が基材からはがれず、また、集積体表面を金属棒でこすっても、破壊されない程度の強度を有することを意味する。また、基材がない場合は、ピンセットなどで集積体をつまんでも、壊れない程度の強度を有することを意味する。光硬化性樹脂とは、光（紫外線や可視光など）を樹脂に照射すると硬化する樹脂のことを意味し、また、熱硬化性樹脂とは、熱を樹脂に与えると硬化する樹脂のことを意味する。
　次に、本発明で用いる球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体、及びその製造方法について説明する。まず初めに、球状ＣＳＣＰナノ粒子の製造方法であるポリオール法を、以下に示す。原料となるセリウムの塩、高分子、高沸点有機溶媒を、まず混合する。ここで、セリウムの塩とは、陽イオンがセリウムイオンである金属塩のことであり、例えば、硝酸セリウム、硫酸セリウム、酢酸セリウムなどが列挙でき、好適には、硝酸セリウムである。セリウムの塩は、通常、水和物が多い。セリウムの塩の濃度は、０．４ｋｍｏｌ／ｍ３以上であることが好ましいが、これは、歩留まりが向上するためである。
　高分子とは、有機高分子であり、例えば、ポリビニルピロリドン、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースなどが列挙でき、好適には、ポリビニルピロリドンである。高分子の濃度は、８０ｋｇ／ｍ３から１２０ｋｇ／ｍ３であることが好ましい。ここで、高分子の濃度とは、単位溶媒体積当たりに添加した高分子の重量として定義される。
　高分子の濃度が、８０ｋｇ／ｍ３から１２０ｋｇ／ｍ３の範囲である理由は、これより少な過ぎると、酸化セリウム微粒子が凝集し易くなるためであり、コアシェル型にならないためである。また、高分子の濃度が、上記範囲より多過ぎると、酸化セリウムの核生成反応が進行しないためである。
　高沸点有機溶媒とは、沸点が１００℃より高い溶媒のことであり、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン、プロピレングリコールなどのポリオールが列挙でき、好適には、エチレングリコールである。
　上記原料の混合工程においては、十分に均一になるように原料混合を行う必要がある。この混合工程では、温度を高くすることはできない。温度が高いと、酸化セリウムが生成してしまい、均一な粒径をもつナノ粒子が得られなくなるためである。
　原料を均一になるように混合した後、１１０℃以上の所定の温度で、加熱・還流を行う。これが、加熱・還流工程である。このとき、混合工程における温度から、できるだけ速やかに、所定の温度に昇温することが好ましい。
　この加熱・還流工程において、酸化セリウムが生成する。酸化セリウムの一次粒子は、数ｎｍ程度であり、これが、球状に集合し、二次粒子を形成する。これが、コア部である。二次粒子の形成と同時に、二次粒子の表面に、高分子が集合し、シェル部を形成する。シェル部を形成する高分子は、原料の高分子の構造をもつものもあるが、高分子同士が架橋することもある。このようにして、コア部と不可分なシェル部が完成する。
　所定の時間、加熱・還流を行い、次に、溶液の冷却を行う。こうして、球状ＣＳＣＰナノ粒子が含まれる分散液が得られる。この分散液には、未反応物質が含まれるため、用途によっては、分離・洗浄により、未反応物質を取り除くことが必要とされる。
　分離・洗浄の方法としては、例えば、遠心分離機で、ナノ粒子を沈殿させ、上澄み液を捨て、任意の溶媒によって、再分散し、更に、分離、上澄み除去を繰り返す方法がある。このように、用途に応じて、球状ＣＳＣＰナノ粒子を、任意の溶媒に分散させて、ナノ粒子分散液として得たり、乾燥させて、ナノ粒子粉体として得たりすることができる。
　球状ＣＳＣＰナノ粒子のシェル部を減量するときは、例えば、シェル部が溶解する溶液に、球状ＣＳＣＰナノ粒子を分散させ、シェル部が溶解した後、分離・洗浄により、シェル部が減量した球状ＣＳＣＰナノ粒子を得ることができる。
　また、別の方法としては、球状ＣＳＣＰナノ粒子を、１５０℃以上の温度で、より好ましくは、２００℃以上の温度で、空気中において、加熱することにより、シェル部の部分的な燃焼により、減量することも可能である。この場合、必要に応じて、分離・洗浄を行う。こうして、シェル部が減量した、球状ＣＳＣＰナノ粒子を得ることができる。このように、ポリオール法は、非常に簡便なプロセスであり、これまで開示されている無機酸化物微粒子に分散性を付与する方法（例えば、特許文献３）と比べると、極めて低コストである。
　次に、球状ＣＳＣＰナノ粒子を、例えば、光硬化性樹脂、及び溶剤と混合して、球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体製造用のインクを調製する。ここで、光硬化性樹脂として、例えば、アクリレート系樹脂、及びエポキシ樹脂が例示される。好適には、アクリレート系樹脂であり、これには、アクリロイル基を有するモノマー、及びオリゴマー、並びに、重合開始剤が含まれる。
　アクリロイル基を有するモノマー、及びオリゴマーとしては、イソオクチルアクリレート、２－ヒドロキシエチルメタクリレート、ｎ－アクリロイルオキシエチルヘキサヒドロフタルイミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルアクリルアミドなどの１官能モノマー、トリエチレングリコールジアクリレート、１，６－ヘキサンジオールジアクリレートなどの２官能モノマー、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレートなどの３官能以上のモノマー、及び、ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリエステルアクリレート、ポリエーテルアクリレートなどのオリゴマーが例示される。
　重合開始剤としては、ジエトキシアセトンフェノン、２－ヒドロキシ－２－メチル－１－フェニルプロパン－１－オン、イソブチルベンゾインエーテル、イソプロピルベンゾインエーテル、ベンジルジメチルケタール、１－ヒドロキシ－シクロヘキシル－フェニル－ケトン、ベンゾフェノン、２－クロロチオキサントン、ビス（２，４，６－トリメチルベンゾイル）－フェニルフォスフィンオキサイドなどが例示される。
　本発明において、溶剤としては、球状ＣＳＣＰナノ粒子に適した溶剤と、不適当な溶剤があることが見出された。球状ＣＳＣＰナノ粒子に適した溶剤としては、例えば、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチルなどが例示される。また、球状ＣＳＣＰナノ粒子に不適当な溶剤としては、例えば、エタノール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテルなどが例示される。
　一般に、酸化物微粒子を、溶剤に分散させるときには、通常、溶剤の選択性というものはなく、任意の溶剤を使用することが可能である。但し、光硬化性樹脂に対しては、溶剤選択性がある。しかし、以上に示されるように、球状ＣＳＣＰナノ粒子を溶剤に分散させる場合には、任意の溶剤が用いられるというわけではなく、球状ＣＳＣＰナノ粒子に適用可能な溶剤と、適用不可能な溶剤があり、この点が、球状ＣＳＣＰナノ粒子の特異な特性であるといえる。この場合、溶剤の影響は、球状ＣＳＣＰナノ粒子の溶剤への分散性だけではなく、その影響は、固定化後、すなわち、溶剤を揮発させた後の集積体へも及ぶ。
　アクリレート系樹脂には、アクリロイル基を有するモノマー、及びオリゴマー、重合開始剤の他に、重合禁止剤、非反応性ポリマー、充填剤など、その他の添加剤を加えても良い。光硬化性樹脂の代わりに、熱硬化性樹脂も使用可能である。この場合、球状ＣＳＣＰナノ粒子を、熱硬化性樹脂、及び溶剤と混合して、球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体製造用のインクを調製する。
　球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体の成型方法は、任意であり、例えば、基材に、集積体を形成する場合は、スクリーン印刷、バーコーティング、スピンコーティング、ディップコーティングなどが例示される。集積体を形成する基材の面を洗浄する場合に、エタノールを洗浄溶剤として使用すると、集積体の強度低下が生じる。
　このような、強度低下は、球状ＣＳＣＰナノ粒子を含む場合のみに生じ、球状ＣＳＣＰナノ粒子を含まない固定剤だけの場合には、強度低下は生じないことが分かっており、強度低下は、球状ＣＳＣＰナノ粒子に起因する特有の現象である。したがって、球状ＣＳＣＰナノ粒子の場合は、洗浄目的にも、エタノールを使用することはできない。また、基材を使わないときの集積体を形成する方法としては、ステレオリソグラフィー、ディスペンシングなどが例示される。
　前述のとおり、球状ＣＳＣＰナノ粒子を固定剤で固定化するには、溶剤の選択がキーポイントである。エタノール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテルなどのアルコールやアルコール誘導体の溶剤では、上記課題に挙げた特性、すなわち、球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合が３２％以上の高濃度であり、固定剤を含み、球状ＣＳＣＰナノ粒子が均一に分布し、機械的強度に優れている、という特性を有する球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体を製造することはできない。
　これは、上述のように、球状ＣＳＣＰナノ粒子に特有の性質であることが、これまでの本発明者らの研究開発の過程で、明らかとなっている。この場合、例えば、メチルイソブチルケトン、メチルエチルケトン、それらを主成分とした混合溶剤などの特定の溶剤を使用した場合には、上記課題に挙げた特性を示す球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体を作製することが可能である。
　球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体の成型後、固定剤が、例えば、光硬化性樹脂の場合は、紫外線や可視光を照射し、硬化させる。こうして、球状ＣＳＣＰナノ粒子が、固定剤である光硬化性樹脂が硬化した樹脂中に固定され、機械的強度を有するようになる。また、固定剤が、例えば、熱硬化性樹脂の場合は、熱を与えて、硬化させる。こうして、球状ＣＳＣＰナノ粒子が、固定剤である熱硬化性樹脂が硬化した樹脂中に固定され、機械的強度を有するようになる。
　次に、上記課題に挙げた特性、すなわち、球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合が３２％以上の高濃度であり、固定剤を含み、球状ＣＳＣＰナノ粒子が均一に分布し、機械的強度に優れているという特性について説明する。球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合とは、球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体に占める球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合のことである。ここで、球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合をＶ（％）とすると、１００－Ｖ（％）は、球状ＣＳＣＰナノ粒子以外の体積割合であり、これには、例えば、光硬化性樹脂などが硬化した後の樹脂や空隙などが含まれる。
　本発明の球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体における球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合は、３２％以上である。一般に、球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合が増えると、光硬化性樹脂などが硬化した後の樹脂から構成される固定剤の割合が減少するため、機械的強度が小さくなると考えられる。しかし、本発明の球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体では、球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合が３２％以上の高濃度でも、機械的強度に優れている。
　球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体の均一性については、ＳＥＭ観察で評価することができる。ここでいう均一性とは、球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体中に存在する球状ＣＳＣＰナノ粒子の濃度に変化がないことを意味する。均一性のない場合の典型例としては、直径１０μｍの球状ＣＳＣＰナノ粒子が、ほとんど存在しない領域と、球状ＣＳＣＰナノ粒子が高密度に存在する領域とに分かれる場合などである。
　本発明において、均一性があるとは、ＳＥＭ観察において、１０，０００倍に拡大しても、一様な球状ＣＳＣＰナノ粒子の分布が観察される場合のことである。均一性が悪いと、機械的強度が悪くなり、また、透明性が低下する。
　屈折率を求める方法としては、種々の方法があり、その測定方法は限定されない。基材上に形成した集積体の屈折率を求める方法としては、例えば、分光エリプソメータを用いる方法（分光エリプソメトリー）がある。この方法では、サンプル表面に光を入射し、反射前と反射後の偏光状態の変化から、サンプルの光学定数（屈折率、消衰係数）を決定する手法が用いられる。基材上に形成した球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体の屈折率は、好ましくは１．６５以上、より好ましくは１．７０以上である。
　濁度とは、透明性を表す指標であり、これを求める方法として、例えば、ＪＩＳ７３６１の方法などがある。本発明では、ヘーズメータ（日本電色工業株式会社製、ＮＤＨ５０００）を用いて濁度を調べた。基材上に形成した球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体の濁度は、２％以下であった（集積体の濁度は、基材のみの濁度を求め、それを減じて、補正した）。
　前述のとおり、機械的強度に優れている球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体とは、基材がある場合は、集積体が基材からはがれず、また、集積体表面を金属棒でこすっても破壊されない機械的強度を有する球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体のことであり、また、基材がない場合は、ピンセットなどで集積体をつまんでも壊れない機械的強度を有する球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体のことである。後記する実施例では、基材がある、薄膜状の集積体に対して、一般的なスパチュラをこすりつけ、集積体が剥離しないか、また、壊れないかを試験して評価した。本発明の球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体は、このような試験に適合する特性を有するものである。本発明で得られる球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体は、これまでにない、機械的強度、均一性、透明性に優れており、屈折率が大きいなどの光学的特徴を有するものである。
　従来、球状ＣＳＣＰナノ粒子、及びその製造方法は、公知であり、また、反射防止フィルムを、高屈折率金属酸化物を含有するポリマー層で形成することは、公知である。しかし、従来、球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体と称しているものは、ナノ粒子が自己組織的に凝集したものであり、均一性がなく、機械的強度がない、もろいものであり、大面積の膜を作ることができず、光の透過性がないなどの問題があった。これに対し、本発明は、球状ＣＳＣＰナノ粒子が均一に分布し、樹脂で構成される固定剤を含み、機械的強度が優れていて、大面積の膜を容易に作製することができ、しかも、光の透過性と紫外線遮蔽性に優れており、特に、ディスプレイに使用される反射防止材として優れた性能を有しており、従来の球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体とは、本質的に異なる特徴を有するものである。
　本発明により、次のような効果が奏される。
（１）球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子（球状ＣＳＣＰナノ粒子）の集積体を製造し、提供することができる。
（２）球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合が３２％以上の高濃度であり、固定化剤を含み、球状ＣＳＣＰナノ粒子が均一に分布し、機械的強度に優れていて、大面積の膜を容易に作製することができ、光の透過性と紫外線遮蔽性に優れている球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体を提供することができる。
（３）上記球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体を構成する酸化セリウムは、屈折率が高く、該球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体を、光硬化性樹脂（感光性樹脂）又は熱硬化性樹脂に分散して、固定化することで、反射防止剤に好適に使われる高屈折率層を作製することができる。
（４）上記高屈折率層を有する大面積の膜ないしフィルム状の反射防止材を提供することができる。
（５）上記高屈折率層は、透明性、均一性があり、紫外線吸収性があることから、ディスプレイに使用される反射防止材として有用である。
（６）上記球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体は、フォトニック結晶への応用が可能であり、高機能光学デバイスを提供することができる。
（７）酸化セリウムが紫外線遮蔽性に優れていることから、紫外線遮蔽フィルムを作製し、提供することができる。
サンプル１－３（実施例１）のＳＥＭ観察による微細構造を示す。 サンプル１－３（実施例１）のＳＥＭ観察による微細構造（低倍率）を示す。図において、中心の少し白く見えるところは、高倍率を観察時に変色したものである。 サンプル１－３（実施例１）の高屈折率層の波長と屈折率の関係、及び波長と消衰係数の関係を、分光エリプソメトリーにより評価した結果を示す。 比較サンプル１－１の微細構造を示す。
　次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
１）球状ＣＳＣＰナノ粒子の合成
　本実施例では、まず初めに、球状ＣＳＣＰナノ粒子の合成を行った。原料として、エチレングリコール（ＥＧ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、硝酸セリウム六水和物を使用し、これらを混合し、原料混合液を調製した。ＰＶＰ及び硝酸セリウム六水和物のＥＧに対する濃度は、それぞれ１２０ｋｇ／ｍ３及び０．６ｋｍｏｌ／ｍ３であった。
　ＰＶＰの平均分子量は、カタログ値で、１０，０００である。有機合成装置ＣＣ２００（ＳＩＢＡＴＡ製）を用いて、上記原料混合液を、所定の温度及び時間で、加熱還流した。この時の設定温度は、１６５℃であり、加熱還流時間は、設定温度に達してから、１２０ｍｉｎとした。加熱還流中、原料混合液は、白濁した。所定の温度で加熱還流した後、白濁液を急冷した。未反応物や、余分なポリマーを除去するために、白濁液を、１８０００ｒｐｍの条件で遠心分離し、水及びエタノールで洗浄した。洗浄後、８０℃で乾燥させ、粉体を得た。この粉体が、球状ＣＳＣＰナノ粒子である。
２）球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体、及び光硬化性樹脂を含むインクの調製
　次に、上記球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体を、光硬化性樹脂、及び溶剤と混合して、インクを調製した。光硬化性樹脂のモノマーとして、ペンタエリスリトールトリアクリレート（ＰＥＴＡ、ＮＫエステル　Ａ－ＴＭＭ－３ＬＭ－Ｎ、新中村化学製、トリエステル含量５７％）を使用し、光硬化性樹脂の重合開始剤として、イルガキュア１８４（チバスペシャリティケミカルズ製、１－ヒドロキシ－シクロヘキシル　フェニルケトン）を使用した。
　光硬化性樹脂のモノマーであるＰＥＴＡと、光硬化性樹脂の重合開始剤であるイルガキュア１８４の重量比は、１００：５であった。溶剤としては、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）とイソホロンの混合溶剤を使用した。ＭＥＫとイソホロンの体積比は、９０：１０であった。
　球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体、光硬化性樹脂、及び溶剤の混合後のインクに含まれる球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体、及び光硬化性樹脂（ＰＥＴＡとイルガキュア１８４）の重量は、インク１ｍＬに対して、０．１ｇであった。また、球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体、ＰＥＴＡ、及びイルガキュア１８４の重量比は、４０：２０：１であった。
　このようにして得られたインクを使って、バーコーターにより、基材の上に、集積体を形成した。基材として、スライドガラス、及びＳｉ／ＳｉＯ２を用いた場合を、それぞれサンプル１－１（Ｌｏｔ．１０２０－２）、サンプル１－２（Ｌｏｔ．１０２０－４）とした。高圧水銀ランプを用いて、紫外線を、集積体に照射して、最終サンプルを得た。
　サンプル１－３を作るためのインクは、溶剤が、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）とイソホロンの混合溶剤であること以外は、上記方法と全く同じである。ＭＩＢＫとイソホロンの体積比は、９５：５であった。
　サンプル１－３用の基材として、セルローストリアセテート（ＴＡＣ）フィルムを使用し、上記方法と同条件で、サンプル１－３（Ｌｏｔ．１１１４－６）を調製した。ＴＡＣフィルムは、塗膜前に、エタノールで表面を洗浄することなしに使用した。得られたサンプルの種々の特性について、表１にまとめて示す。この表には、後記する比較例も併せて記載する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　サンプル１－１から３については、スパチュラによる引っかき試験で、傷がつかず、機械的強度に優れていることが分かった。また、ＳＥＭ観察により微細構造を調べると、球状ＣＳＣＰナノ粒子間に、隙間なく樹脂が存在していることが確認された。図１に、サンプル１－３（実施例１）のＳＥＭ観察による微細構造を示す。また、図２に、サンプル１－３（実施例１）のＳＥＭ観察による微細構造（低倍率）を示す。これらの図より、粒子の分布に粗密がなく、均一であった（図１，２）。図２において、中心の少し白く見えるところは、高倍率でのＳＥＭ観察時に変色したものである。これは、電子線により、樹脂が変化したためと推察される。
　サンプル１－３については、屈折率、及びヘーズ値の光学特性について調査した。屈折率は、分光エリプソメトリーにより評価した。図３に、サンプル１－３（実施例１）の高屈折率層の波長と屈折率の関係、及び波長と消衰係数の関係を示す。その結果、基材の上に、屈折率が１．７２０（波長５５０ｎｍ）の４６１ｎｍの層があり（図３）、更に、その上に、屈折率が１．５４８（波長５５０ｎｍ）の５４ｎｍの層が存在することが分かった。
　本実施例により、簡便に、基材上に、高屈折率層、及び低屈折率層を形成することができた。集積体の平均屈折率は、１．７０２であった。ヘーズ値は、ヘーズメータにより評価した。その結果、ヘーズ値は、１．６５％（基材のヘーズ値を除去して補正した）であった。
　サンプル１－３の集積体に占める球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合は、４０％以上であることが、計算により求められた。ここで、コア（酸化セリウム）、シェル（ポリマー）、及び、光硬化性樹脂に光を照射した後の硬化後の樹脂、の密度を、それぞれ、７．２８、１．２６、及び１．４１ｇ／ｃｍ３として、体積割合を計算した。
　なお、屈折率が１．７２０である層に占める球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合は、屈折率から予想すると、７３．８％である。ここで、コア（酸化セリウム）、シェル（ポリマー）、及び、光硬化性樹脂に光を照射した後の硬化後の樹脂、の屈折率を、それぞれ、２．１、１．５２、及び１．５３として、体積割合を計算した。
比較例１
　本発明と対比するために、比較サンプル１－１から６について説明する。比較サンプルの作製方法については、基本的には、実施例１と同条件であるが、実施例１との相違点を、以下に示す。
比較サンプル１－１（Ｌｏｔ．９０２－５）・・・溶剤：エタノール、集積体形成方法：インクの滴下のみ、基材：スライドガラス
比較サンプル１－２（Ｌｏｔ．９０２－６）・・・溶剤：エタノール、集積体形成方法：インクの滴下のみ、基材：Ｓｉ／ＳｉＯ２
比較サンプル１－３（Ｌｏｔ．１１６－１）・・・溶剤：プロピレングリコールモノメチルエーテル、基材：ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）フィルム
比較サンプル１－４（Ｌｏｔ．１１６－４）・・・溶剤：エチレングリコールモノブチルエーテル、基材：ＴＡＣフィルム
比較サンプル１－５（Ｌｏｔ．１１０４－１）・・・溶剤：エタノール、球状ＣＳＣＰナノ粒子は含有しない、基材：ＴＡＣフィルム
比較サンプル１－６（Ｌｏｔ．１１１４－３）・・・基材：ＴＡＣフィルム、塗膜前にエタノールで表面を洗浄した。
　比較サンプル１－１から４までは、溶剤としては、エタノール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテルを使用した。図４に、比較サンプル１－１の微細構造を示す。図から分かるように、微細構造の不均一性に問題があり（図４）、また、機械的強度に問題があった。図４の右上の部分は、樹脂のみ存在するところであり、左下は、球状ＣＳＣＰナノ粒子が密に存在するところである。このように、比較サンプル１－１では、球状ＣＳＣＰナノ粒子が不均一に存在する。
　比較サンプル１－５は、溶剤として、エタノールを使用し、球状ＣＳＣＰナノ粒子を含有しないインクを用いた場合である。この場合、膜は形成される。したがって、球状ＣＳＣＰナノ粒子を含有しない場合、溶剤としては、エタノールが好適であるが、球状ＣＳＣＰナノ粒子を含有すると、球状ＣＳＣＰナノ粒子が不均一な分布となるという問題を生じる。
　先行技術文献、例えば、特開２００６－２５６３１０号公報には、エタノールは、溶剤として、実施例で使用されることが記載されており、また、特開２００３－２７００３号公報の段落００９７には、溶剤として、エタノールが好適であることが述べられている。これらのことから明らかなように、通常、エタノールは、決して特殊な溶剤ではなく、ごく一般的な溶剤であるといえる。
　しかしながら、このような、一般的な溶剤であっても、球状ＣＳＣＰナノ粒子には、使用できない場合があり、球状ＣＳＣＰナノ粒子の場合は、溶剤の種類は、任意ではなく、好適な溶剤を格別に選定することが必要とされる。この点は、球状ＣＳＣＰナノ粒子に関する本発明者らの新しい発見であり、本発明は、この発見を利用して、従来の球状ＣＳＣＰナノ粒子を更に発展させたものである。
　基材であるＴＡＣフィルムを、エタノールで洗浄すると、機械的強度に問題を生じ、また、粒子分布は均一であるが、粒子間に樹脂がなく、微細構造にも問題を生じた。このように、球状ＣＳＣＰナノ粒子は、エタノールとの相性が非常に悪いといえる。
　本実施例では、まず初めに、上記実施例１と同様に、球状ＣＳＣＰナノ粒子の合成を行った。次に、球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体を、光硬化性樹脂、及び溶剤と混合して、インクを調製した。光硬化性樹脂のモノマー、及び重合開始剤は、実施例１と同じである。光硬化性樹脂のモノマーであるＰＥＴＡと重合開始剤であるイルガキュア１８４の重量比も、実施例１と同じであり、１００：５であった。溶剤としては、ＭＩＢＫとイソホロンの混合溶剤を使用した。ＭＩＢＫとイソホロンの体積比は、９５：５であった。
　球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体、光硬化性樹脂、及び溶剤の混合後のインクに含まれる球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体、及び光硬化性樹脂（ＰＥＴＡとイルガキュア１８４）の重量は、インク１ｍＬに対して０．１ｇであった。また、球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体、ＰＥＴＡ、及びイルガキュア１８４の重量比は、４０：２０：１であった。
　このようにして得られたインクを使って、バーコーターにより、基材の上に、集積体を形成した。基材として、ＰＥＴフィルムを用いた。高圧水銀ランプを用いて、紫外線を、集積体に照射して、最終サンプルを得た。なお、ＰＥＴフィルムは、塗膜前に、エタノールで表面を洗浄することなしに使用した。こうして得られた集積体が、サンプル２－１（Ｌｏｔ．１２１６－４）である。
　サンプル２－１は、スパチュラによる引っかき試験で、傷がつかず、機械的強度に優れていることが分かった。また、ＳＥＭ観察により微細構造を調べると、球状ＣＳＣＰナノ粒子間に、隙間なく樹脂が存在していることが確認された。また、粒子の分布に、粗密がなく、均一であった。
　屈折率は、分光エリプソメトリーにより評価した。その結果、基材の上に、屈折率が１．６８６（波長５５０ｎｍ）の１５８．６ｎｍの層があり、更に、その上に、屈折率が１．５７６（波長５５０ｎｍ）の３５．６ｎｍの層、屈折率が１．６９８（波長５５０ｎｍ）の１２２．６ｎｍの層、及び屈折率が１．５２９（波長５５０ｎｍ）の４２．５ｎｍの層が存在することが分かった。
　層全体の平均屈折率は、１．６６１であった。ヘーズ値は、ヘーズメータにより評価した。その結果、ヘーズ値は、０．７７％（基材のヘーズ値を除去して補正した）であった。実施例１のサンプル１－３と同様に、集積体に占める球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合は、４０％以上であることが、計算により求められた。
　本実施例では、まず初めに、実施例１と同様に、球状ＣＳＣＰナノ粒子の合成を行った。次に、球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体を、２００℃、空気中で、４ｈ、熱処理を行い、シェルの減量を行った。焼成後の球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体を、光硬化性樹脂、及び溶剤と混合して、インクを調製した。光硬化性樹脂のモノマー、及び重合開始剤は、実施例１と同じである。
　光硬化性樹脂のモノマーであるＰＥＴＡと重合開始剤であるイルガキュア１８４の重量比も、実施例１と同じであり、１００：５であった。溶剤としては、ＭＩＢＫと３－メトキシ－３メチル－１ブタノールの混合溶剤を使用した。ＭＩＢＫと３－メトキシ－３メチル－１ブタノールの体積比は、８０：２０であった。
　球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体、光硬化性樹脂、及び溶剤の混合後のインクに含まれる焼成球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体、及び光硬化性樹脂（ＰＥＴＡとイルガキュア１８４）の重量は、インク１ｍＬに対して、０．０５ｇであった。また、球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体、ＰＥＴＡ、及びイルガキュア１８４の重量比は、４０：２０：１であった。
　このようにして得られたインクを使って、バーコーターにより、基材の上に、集積体を形成した。基材として、ＴＡＣフィルムを用いた。高圧水銀ランプを用いて、紫外線を、集積体に照射して、最終サンプルを得た。なお、ＴＡＣフィルムは、塗膜前に、エタノールで表面を洗浄することなしに使用した。こうして得られた集積体が、サンプル３－１（Ｌｏｔ．６１２－３）である。
　サンプル３－１は、スパチュラによる引っかき試験で、傷がつかず、機械的強度に優れていることが分かった。また、ＳＥＭ観察により微細構造を調べると、球状ＣＳＣＰナノ粒子間に、隙間なく樹脂が存在していることが確認された。また、粒子の分布に粗密がなく、均一であった。
　本実施例では、球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体、ＰＥＴＡ、及びイルガキュア１８４の重量比以外は、実施例３と同じ条件で集積体を作製した。球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体、ＰＥＴＡ、及びイルガキュア１８４の重量比は、６０：２０：１であった。こうして得られた集積体が、サンプル４－１（Ｌｏｔ．６１５－２）である。
　サンプル４－１も、スパチュラによる引っかき試験で、傷がつかず、機械的強度に優れていることが分かった。また、ＳＥＭ観察により微細構造を調べると、球状ＣＳＣＰナノ粒子間に、隙間なく樹脂が存在していることが確認された。また、粒子の分布に粗密がなく、均一であった。
　屈折率は、分光エリプソメトリーにより評価した。その結果、基材の上に、屈折率が１．８３４（波長５５０ｎｍ）の７５ｎｍの層があり、更に、その上に、屈折率が１．５６５（波長５５０ｎｍ）の６１ｎｍの層が存在するという結果となった。
　屈折率が１．８を超える球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合は、焼成した場合であると、屈折率から予想すると、７２％以上である。ここで、コア（酸化セリウム）、シェル（ポリマー）、及び、光硬化性樹脂に光を照射した後の硬化後の樹脂、の屈折率を、それぞれ、２．１、１．５２、及び１．５３として、体積割合を計算した。このように、球状のＣＳＣＰナノ粒子を集積することにより、非常に高濃度であるＣＳＣＰナノ粒子集積体を作製することができた。
　本実施例では、まず初めに、実施例１と同様に、球状ＣＳＣＰナノ粒子の合成を行った。ただし、ＰＶＰの平均分子量は、カタログ値で、５５，０００であり、加熱還流時間は、１００ｍｉｎに変更した。こうして得られた球状ＣＳＣＰナノ粒子の粒径は、約６０ｎｍであった。
　得られた球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体に、実施例３と同じ焼成処理（熱処理）を加えた。次に、これを、光硬化性樹脂、及び溶剤と混合して、インクを調製した。光硬化性樹脂のモノマーとして、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート（ＤＰＨＡ）を用いた。重合開始剤は、これまでの実施例と同じイルガキュア１８４である。光硬化性樹脂のモノマーであるＤＰＨＡと重合開始剤であるイルガキュア１８４の重量比も、これまでの実施例と同じであり、１００：５であった。溶剤も実施例３と同じものを使用した。
　球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体、光硬化性樹脂、及び溶剤の混合後のインクに含まれる焼成球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体、及び光硬化性樹脂の重量は、インク１ｍＬに対して、０．０４６ｇであった。また、球状ＣＳＣＰナノ粒子粉体、ＤＰＨＡ、及びイルガキュア１８４の重量比は、４０：２０：１であった。
　このようにして得られたインクを使って、バーコーターにより、基材の上に、集積体を形成した。基材として、ＴＡＣフィルムを用いた。高圧水銀ランプを用いて、紫外線を、集積体に照射して、最終サンプルを得た。なお、ＴＡＣフィルムは、塗膜前に、エタノールで表面を洗浄することなしに使用した。こうして得られた集積体が、サンプル５－１（Ｌｏｔ．９８２５－１）である。
　屈折率は、分光エリプソメトリーにより評価し、１層モデルで計算でき、約１．７３３であった。また、スパチュラによる引っかき試験で、傷がつかず、機械的強度に優れていることが分かった。また、ＳＥＭ観察により微細構造を調べると、球状ＣＳＣＰナノ粒子間に、隙間なく樹脂が存在していることが確認された。また、粒子の分布に粗密がなく、均一であった。
　以上詳述したように、本発明は、球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体に係るものであり、本発明により、球状ＣＳＣＰナノ粒子の体積割合が３２％以上の高濃度であり、固定剤を含み、球状ＣＳＣＰナノ粒子が均一に分布し、機械的強度に優れている球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体を提供することができる。本発明の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体を構成する酸化セリウムは、屈折率が高く、紫外線を吸収するなどの種々の特性を有することから、種々の応用が期待され、例えば、紫外線を吸収するため、紫外線遮蔽膜、ディスプレイに使用される反射防止材に使われる高屈折率層などへの応用が可能である。酸化セリウムは、屈折率が２．１と大きいため、これを樹脂に分散した膜は、屈折率が高く、本発明により、低コストで、高屈折率層を作製することが可能である。本発明は、新しい球状ＣＳＣＰナノ粒子の集積体、その製造方法、及び高屈折率層を有する反射防止材などを提供するものとして有用である。

Claims (10)

  1. 　コア部が酸化セリウムの一次粒子が集合した球状の二次粒子であり、シェル部が高分子である球状のコアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子を均一分布させて集積した集積体であって、（１）当該コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の体積割合が少なくとも３２％の高濃度であり、（２）樹脂から構成される固定剤を含み、（３）当該コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の粒子間に、当該固定剤が充填された構造を有し、（４）当該コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子が均一に分布し、（５）機械的強度を有している、ことを特徴とする球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体。
  2. 　前記固定剤が、光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂に、光を照射して又は熱を与えて、硬化した後の樹脂である、請求項１記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体。
  3. 　前記球状のコアシェル型酸化物／高分子ハイブリッドナノ粒子のコア部分の表面に、シランカップリング剤又は界面活性剤が存在しない、請求項１記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体。
  4. 　基板又は基材上に成膜された膜状構造を有する、請求項１記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体。
  5. 　屈折率が、低くても１．６５である、請求項１記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体。
  6. 　濁度が、高くても２％である、請求項１記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体の集積体。
  7. 　請求項１記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体で構成されることを特徴とする光反射防止膜。
  8. 　請求項１記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体を作製するためのインクであって、コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子、光硬化性樹脂、及び溶剤から構成されることを特徴とするインク。
  9. 　請求項１記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体を製造する方法であって、コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子、光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂、及び溶剤から構成されるインクを調製する工程と、そのインクを成形して成形体とする工程と、得られた成形体に光を照射して又は熱を与えて硬化する工程からなることを特徴とする球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体の製造方法。
  10. 　前記溶剤が、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、乳酸メチル、乳酸エチル、又は乳酸ブチルである、請求項９に記載の球状コアシェル型酸化セリウム／高分子ハイブリッドナノ粒子の集積体の製造方法。
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