WO2019087813A1 - フォトンアップコンバージョンフィルム及びその製造方法 - Google Patents

フォトンアップコンバージョンフィルム及びその製造方法 Download PDF

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智博 森
茜 齋藤
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    • C08J2329/04Polyvinyl alcohol; Partially hydrolysed homopolymers or copolymers of esters of unsaturated alcohols with saturated carboxylic acids

Definitions

  • the present invention relates to a photon up-conversion film that emits light at a shorter wavelength side than excitation light with respect to irradiation of excitation light, and a method of manufacturing the same.
  • Photon up conversion (hereinafter sometimes simply referred to as “up conversion”) phenomenon that converts low energy light into high energy light is a special phenomenon that is generally not observed, and this technology can be put to practical use. Applications of light and applications different from that of light (solar cell field, photocatalyst field, bioimaging field, optical instrument field, etc.) can be expected.
  • TTA triplet-triplet annihilation
  • the upconversion film of the present invention is a stretched film composed of a composition containing at least an acceptor, a donor and a matrix resin, wherein the matrix resin is a polyvinyl alcohol resin, and the matrix resin is oriented by stretching.
  • the method for producing an upconversion film of the present invention is a method for producing a photon upconversion film, which comprises the step of stretching a composition containing at least an acceptor, a donor and a matrix resin, and the matrix resin is a polyvinyl alcohol resin And the stretching is a wet stretching in a boric acid aqueous solution.
  • transfer of triplet energy from a donor to an acceptor can be efficiently performed, and since the film can be provided as a solid film, it has high applicability and can be easily produced. There is also an advantage.
  • FIG. 1 shows a conceptual diagram of the mechanism of upconversion based on triplet-triplet annihilation.
  • FIG. 2 is a graph showing the light emission characteristics of the films according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1.
  • FIG. 3 is a graph showing the light emission characteristics of the films according to Example 3 and Comparative Example 2.
  • FIG. 4 is a graph showing the light emission characteristics of the films according to Example 4 and Comparative Example 3.
  • FIG. 5 is a graph showing the light emission characteristics of the films according to Example 5 and Comparative Example 4.
  • FIG. 6 is a photograph showing the light emission state of the film according to Example 1.
  • FIG. 7 is a photograph showing the light emission state of the film according to Example 4.
  • the present invention utilizes the mechanism of upconversion based on triplet-triplet annihilation.
  • a conceptual diagram of this mechanism is shown in FIG.
  • a donor absorbs incident light and gives an excited triplet state by intersystem crossing from an excited singlet state.
  • triplet-triplet energy transfer occurs from the donor to the acceptor to form an excited triplet state of the acceptor.
  • the acceptors in the excited triplet state diffuse and collide with each other to cause triplet-triplet annihilation to generate an excited singlet at a higher energy level, resulting in upconversion emission.
  • Such mechanisms themselves are known.
  • the acceptor receives a triplet-triplet energy transfer from the donor to form an excited triplet state, and the acceptors in the excited triplet state diffuse and collide with each other to form a triplet. -It causes triplet annihilation to generate excitation singlets at higher energy levels.
  • various compounds having a fused aromatic ring are known.
  • a compound having a naphthalene structure, an anthracene structure, a pyrene structure, a perylene structure, a tetracene structure, and a Bodipy structure (borondipyrromethene structure) is preferably mentioned.
  • 9,10-diphenylanthracene represented by the following formula (1) and a substitution product thereof can be preferably employed.
  • R 1 to R 8 each independently represent a hydrogen atom, a halogen atom, a cyano group, an amino group having a branched alkyl chain having 1 to 8 carbon atoms, 1 carbon atom
  • R 9 represents an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and n represents an integer of 1 to 4.
  • R 10 and R 11 each independently represent an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, and m and 1 each independently represent an integer of 1 to 4.
  • o represents an integer of 1 to 8
  • each of R 12 to R 15 independently represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have a branch.
  • An acceptor having a hydrophilic group such as an alkoxy group, an alkylene oxide chain (ethylene oxide chain, propylene oxide chain, etc.), a hydroxy group, a carboxyl group, an amino group, or an ammonium ion is preferably used in wet stretching since it has water solubility.
  • a hydrophilic group such as an alkoxy group, an alkylene oxide chain (ethylene oxide chain, propylene oxide chain, etc.), a hydroxy group, a carboxyl group, an amino group, or an ammonium ion is preferably used in wet stretching since it has water solubility.
  • the degree of water solubility can also be controlled by appropriately selecting the number of these functional groups, the chain length of the alkylene oxide chain, and the like.
  • the donor absorbs incident light, becomes an excited triplet state by intersystem crossing from an excited singlet state, and causes triplet-triplet energy transfer in an acceptor. It is.
  • a donor for example, one having a porphyrin structure, a phthalocyanine structure or a fullerene structure is preferable. Even if the structure has metal atoms such as Pt, Pd, Zn, Ru, Re, Ir, Os, Cu, Ni, Co, Cd, Au, Ag, Sn, Sb, Pb, P, As, etc. Good.
  • a compound represented by the following general formula (5) having a porphyrin structure can be preferably employed.
  • each of R 16 to R 23 independently represents a hydrogen atom, a halogen atom, a cyano group, an amino group having a branched alkyl chain having 1 to 8 carbon atoms, 1 carbon atom Represents an alkyl group which may have a branch of -12, an alkoxy group which may have a branch having 1 to 12 carbon atoms, or an ethylene oxide chain represented by the following formula (6), M represents a hydrogen atom, Represents platinum, palladium, zinc or copper, and Ar 1 to Ar 4 each independently represent a hydrogen atom, a substituent represented by the following formula (7), a formula (8) or a formula (9), or It represents an ammonium ion represented by the formula (10).
  • R 24 represents an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms
  • p represents an integer of 1 to 4.
  • R 25 represents an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms
  • q represents an integer of 1 to 4.
  • r represents an integer of 1 to 8
  • R 26 to R 29 each independently represent an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms which may have a branch.
  • Donors having hydrophilic groups such as alkoxy groups, alkylene oxide chains (ethylene oxide chains, propylene oxide chains, etc.), hydroxy groups, carboxyl groups, amino groups, ammonium ions, etc. are suitably used in wet stretching because they have water solubility.
  • the degree of water solubility can also be controlled by appropriately selecting the number of these functional groups, the chain length of the alkylene oxide chain, and the like.
  • the matrix resin is used to provide the above-described donor and acceptor upconversion phosphor as a solid system, and a resin that can be filmed in a state including the donor and the acceptor and is stretchable is selected.
  • a matrix resin polyvinyl alcohol resin, polyurethane resin, polystyrene resin, polymethyl (meth) acrylate resin, polycarbonate resin, epoxy resin and the like can be mentioned.
  • system is intended to include, besides polyvinyl alcohol, a copolymer with other monomers such as polyvinyl alcohol-polyethylene copolymer. .
  • composition in the present invention contains at least the donor, the acceptor, and the matrix resin. It is preferable to select a highly compatible combination of the donor and the acceptor and the matrix resin.
  • a water-soluble compound and / or a salt thereof is used as a donor and an acceptor and a water-soluble resin is combined as a matrix resin is preferable.
  • these water-soluble materials have already been described above. Use of such a water-soluble material enables wet stretching, which is preferable in order to obtain a high stretch ratio. The details regarding the stretching will be described later.
  • the blending ratio of the donor in the composition is preferably 0.0001 to 1% by mass with respect to the total amount of the composition.
  • the compounding ratio of the acceptor in the composition is preferably 0.01 to 20% by mass with respect to the total amount of the composition.
  • the blending ratio of the matrix resin in the composition is preferably 79 to 99.9% by mass with respect to the total amount of the composition.
  • the upconversion film according to the present invention is a stretched film comprising the above composition.
  • the method of stretching is not particularly limited, and either fixed end stretching or free end stretching may be used, but free end stretching is preferable.
  • the reason is as follows.
  • free end stretching in which the film end is not fixed, the film shrinks in a direction perpendicular to the stretching direction (that is, in the width direction). That is, since it is a method of stretching without suppressing shrinkage, between the main chains of the matrix resin is shrunk by stretching, and molecules are oriented in the stretching direction. As a result, the orientation function also increases as the stretching ratio increases.
  • the stretching method may be either uniaxial stretching or biaxial stretching.
  • uniaxial stretching in which stretching is performed only in one direction is preferable. Stretching may be performed in one step or in multiple steps.
  • the stretching method may be either wet stretching in which the film is stretched in a stretching bath or dry stretching in air, or both may be used in combination.
  • Wet stretching is preferred in that high magnification stretching is possible under relatively mild conditions.
  • the product of the draw ratio in each step is the final draw ratio of the drawn film.
  • an orientation function of a stretched film for example, 0.05 or more is preferable, and 0.19 or more is more preferable.
  • a method of wet stretching using a water-soluble material as each material constituting the composition was advantageous for stretching at a high magnification.
  • a water-soluble compound as an acceptor and a donor
  • using a polyvinyl alcohol-based resin as a matrix resin and performing stretching as wet stretching in a boric acid aqueous solution, high stretch ratio and orientation function are realized It turned out that it can be done. Thereby, high efficiency of triplet energy transfer from the donor to the acceptor can be realized.
  • the thickness of the stretched film is not particularly limited, and is, for example, 20 to 40 ⁇ m.
  • Synthesis Example 1 Synthesis of Acceptor A The acceptor A was synthesized according to the following synthesis scheme.
  • Synthesis Example 2 Synthesis of Acceptor B The acceptor B was synthesized by the following synthesis scheme.
  • Synthesis Example 3 Synthesis of Acceptor C The acceptor C was synthesized by the following synthesis scheme.
  • Synthesis Example 4 Synthesis of Donor A The donor was synthesized by the following synthesis scheme.
  • Example 1 0.001 parts by mass of donor A obtained in Synthesis Example 4 and 0.5 parts by mass of acceptor A obtained in Synthesis Example 1 were mixed with 100 parts by mass of a 10% by mass aqueous solution of polyvinyl alcohol, and mixed and stirred. After degassing for 30 minutes, it was applied on a glass plate. After drying at 90 ° C. for 15 minutes, the film was peeled from the glass plate to obtain an unstretched film. The unstretched film was uniaxially stretched in the longitudinal direction while holding both ends in a 3% by mass aqueous solution of boric acid (stretching ratio: 4 times). Then, the stretched film of Example 1 was obtained by drying at 60 degreeC for 5 minutes.
  • Example 2 A stretched film of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the draw ratio was doubled.
  • Comparative Example 1 The unstretched film before stretching in Example 1 was taken as Comparative Example 1.
  • Example 3 A stretched film of Example 3 was obtained in the same manner as Example 1, except that 0.5 part by mass of the acceptor A was used instead of 0.5 part by mass of the acceptor A.
  • Comparative Example 2 The unstretched film before stretching in Example 3 was taken as Comparative Example 2.
  • Example 4 was carried out in the same manner as Example 1, except that 0.5 part by mass of the acceptor C obtained in Synthesis Example 3 was used instead of 0.5 part by mass of the acceptor A, and that the stretching ratio was 6 times.
  • Comparative Example 3 The unstretched film before stretching in Example 4 was taken as Comparative Example 3.
  • Example 5 in the same manner as Example 1, except that 0.001 part by mass of donor B obtained in Synthesis Example 5 was used instead of 0.001 part by mass of donor A, and that the stretching ratio was 6 times.
  • Comparative Example 4 The unstretched film before stretching in Example 5 was taken as Comparative Example 4.
  • the films of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4 obtained above are obtained by irradiating a laser beam from a light source (532 nm, CW laser, 260 mW / cm 2 (in air)) manufactured by Laser Create. The luminescence was measured with a spectrometer (QE 65000, manufactured by Ocean Optics, Inc.). A notch filter (Edmond Optics Japan # 86-120) was placed just in front of the spectroscope so that the incident light source (532 nm) did not directly enter the spectroscope.
  • a light source 532 nm, CW laser, 260 mW / cm 2 (in air) manufactured by Laser Create.
  • the luminescence was measured with a spectrometer (QE 65000, manufactured by Ocean Optics, Inc.).
  • a notch filter (Edmond Optics Japan # 86-120) was placed just in front of the spectroscope so that the incident light source (532 nm) did not directly enter the
  • Example 3 and Comparative Example 2 are summarized in FIG. Moreover, the intensity
  • Example 4 and Comparative Example 3 are summarized in FIG. Moreover, the intensity
  • Example 5 and Comparative Example 4 are summarized in FIG. Moreover, the intensity
  • FIG. 6 shows a photograph of the upconversion light emission in the first embodiment
  • FIG. 7 shows a photograph of the upconversion light emission in the fourth embodiment.
  • the upconversion film of the present invention can be used, for example, as a film having a film thickness of about 20 to 40 ⁇ m, in various applications, and in particular, it stably emits upconversion light even when it is repeatedly irradiated with light in air. It is also suitable for use. Moreover, since the film is easy to process and inexpensive, it can be developed for various applications.

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Abstract

発光効率の高い、固体系の新規なアップコンバージョンフィルムとその製造方法を提供する。 本発明のアップコンバージョンフィルムは、アクセプターとドナーとマトリックス樹脂とを少なくとも含む組成物からなる延伸フィルムであって、前記マトリックス樹脂がポリビニルアルコール系樹脂であり、延伸により前記マトリックス樹脂が配向している。本発明のアップコンバージョンフィルムの製造方法は、アクセプターとドナーとマトリックス樹脂とを少なくとも含む組成物を延伸する工程を含むフォトンアップコンバージョンフィルムの製造方法であって、前記マトリックス樹脂がポリビニルアルコール系樹脂であり、前記延伸がホウ酸水溶液中での湿式延伸である。

Description

フォトンアップコンバージョンフィルム及びその製造方法
 本発明は、励起光の照射に対し、励起光よりも短波長側の発光を示すフォトンアップコンバージョンフィルム及びその製造方法に関する。
 低エネルギーの光を高エネルギーの光に変換するフォトンアップコンバージョン(以下、単に「アップコンバージョン」と表記することがある)現象は、一般には観測されない特殊な現象であり、この技術を実用化できればこれまでの光の利用方法と異なる応用展開(太陽電池分野、光触媒分野、バイオイメージング分野、光学機器分野など)が期待できる。
 有機材料におけるアップコンバージョン発光として、三重項状態の分子同士が衝突して起こる三重項―三重項消滅(TTA)を利用した技術が知られている。
 TTAを利用するアップコンバージョンのうち、ドナー分子とアクセプター分子を溶媒に溶解した溶液系では、ドナー分子とアクセプター分子の拡散によりエネルギーの授受が効率的に行われる。
 しかし、溶液系では実用化できる分野が限定的になり、将来の応用展開の可能性を広げることができない。
 そこで、固体状態での高効率アップコンバージョン発光の研究開発も進められている。
 しかし、固体状態では分子の拡散はほとんど起こらない。そのため、マトリックス中に高濃度に分子を混合することでTTAの確率を大きくしてアップコンバージョン現象を実現することも検討されているが、拡散に制限があるためTTAの確率の大幅な向上は望めない。
 以上のような背景の下、精密に制御された結晶構造を有するMOF(metal organic framework)錯体を利用する方法も提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
国際公開第2016/204301号
 MOF錯体を利用する上記手法では、これらの錯体の特徴である秩序良く配置された分子により、三重項エネルギーが分子間を効率よく移動し、優れたアップコンバージョン特性を示すことが報告されている。
 しかしながら、極めて微小なMOF錯体のみで成形物を作製することは非常に難しい。そして、樹脂と複合化した場合には、材料全体での効率は著しく低下してしまう。
 そこで、本発明は、従来とは異なる観点から検討し、発光効率の高い、固体系の新規なアップコンバージョンフィルムとその製造方法を提供することを課題とする。
 本発明は、上記課題を解決するため、以下の構成を備える。
 すなわち、本発明のアップコンバージョンフィルムは、アクセプターとドナーとマトリックス樹脂とを少なくとも含む組成物からなる延伸フィルムであって、前記マトリックス樹脂がポリビニルアルコール系樹脂であり、延伸により前記マトリックス樹脂が配向している。
 また、本発明のアップコンバージョンフィルムの製造方法は、アクセプターとドナーとマトリックス樹脂とを少なくとも含む組成物を延伸する工程を含むフォトンアップコンバージョンフィルムの製造方法であって、前記マトリックス樹脂がポリビニルアルコール系樹脂であり、前記延伸がホウ酸水溶液中での湿式延伸である。
 本発明によれば、ドナーからアクセプターへの三重項エネルギーの移動が効率よく行われ、かつ、固体系のフィルムとして提供できるために応用可能性が高いのみならず、その作製も簡易になし得るという利点もある。
図1は三重項-三重項消滅に基づくアップコンバージョンの機構の概念図を示す。 図2は実施例1,2及び比較例1にかかるフィルムの発光特性を示すグラフである。 図3は実施例3及び比較例2にかかるフィルムの発光特性を示すグラフである。 図4は実施例4及び比較例3にかかるフィルムの発光特性を示すグラフである。 図5は実施例5及び比較例4にかかるフィルムの発光特性を示すグラフである。 図6は実施例1にかかるフィルムの発光状態を示す写真である。 図7は実施例4にかかるフィルムの発光状態を示す写真である。
〔アップコンバージョンの機構〕
 本発明は三重項-三重項消滅に基づくアップコンバージョンの機構を利用している。
 この機構について、図1に概念図を示す。
 図1に示すように、まず、ドナーが入射光を吸収し、励起一重項状態からの系間交差により励起三重項状態を与える。
 その後、ドナーからアクセプターへ三重項-三重項エネルギー移動が生じ、アクセプターの励起三重項状態が生成する。
 次に、励起三重項状態のアクセプター同士が拡散・衝突することで、三重項-三重項消滅を起こし、より高いエネルギーレベルの励起一重項を生成し、アップコンバージョン発光をもたらす。
 このような機構自体は公知である。
〔アクセプター〕
 アクセプターは、上記機構から明らかなように、ドナーから三重項-三重項エネルギーの移動を受け、励起三重項状態を生成するとともに、励起三重項状態のアクセプター同士が拡散・衝突することで、三重項-三重項消滅を起こし、より高いエネルギーレベルの励起一重項を生成するものである。
 このようなアクセプターとしては、縮合芳香族環を有する種々の化合物が知られている。例えば、ナフタレン構造、アントラセン構造、ピレン構造、ペリレン構造、テトラセン構造、Bodipy構造(borondipyrromethene構造)を有する化合物が好ましく挙げられる。
 中でも、アントラセン構造を有する化合物として、下式(1)で表される9,10-ジフェニルアントラセン及びその置換体が好ましく採用できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000011
 上式(1)において、R1~R8はそれぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、炭素数1~8の分岐を有してもよいアルキル鎖を有するアミノ基、炭素数1~12の分岐を有してもよいアルキル基、炭素数1~12の分岐を有してもよいアルコキシ基、下式(2)もしくは下式(3)で表されるエチレンオキシド鎖、又は、下式(4)で表されるアンモニウムイオンを表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000012
 上式(2)において、R9は炭素数1~3のアルキル基を表し、nは1~4の整数を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000013
 上式(3)において、R10,R11はそれぞれ独立して、炭素数1~3のアルキル基を表し、m及びlはそれぞれ独立して1~4の整数を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000014
 上式(4)において、oは1~8の整数を表し、R12~R15はそれぞれ独立して、炭素数1~6の分岐を有してもよいアルキル基を表す。
 以下に、好適な化合物を具体的に例示する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000015
 アルコキシ基、アルキレンオキシド鎖(エチレンオキシド鎖、プロピレンオキシド鎖など)、ヒドロキシ基、カルボキシル基、アミノ基、アンモニウムイオンなどの親水性基を有するアクセプターは、水溶性を有するため、湿式延伸において好適に用いることができる。
 これらの官能基の数やアルキレンオキシド鎖の鎖長などを適宜選定することで、水溶性の程度を制御することも可能である。
〔ドナー〕
 ドナーは、上記機構から明らかなように、入射光を吸収し、励起一重項状態からの系間交差により励起三重項状態となるとともに、かつ、アクセプターに三重項-三重項エネルギー移動を生じさせるものである。
 このようなドナーとしては、例えば、ポルフィリン構造、フタロシアニン構造又はフラーレン構造を有するものが好ましい。構造内に、Pt、Pd、Zn、Ru、Re、Ir、Os、Cu、Ni、Co、Cd、Au、Ag、Sn、Sb、Pb、P、Asなどの金属原子を有するものであってもよい。
 中でも、ポルフィリン構造を有する下記一般式(5)で表される化合物が好ましく採用できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000016
 上式(5)において、R16~R23はそれぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、炭素数1~8の分岐を有してもよいアルキル鎖を有するアミノ基、炭素数1~12の分岐を有してもよいアルキル基、炭素数1~12の分岐を有してもよいアルコキシ基、又は、下式(6)で表されるエチレンオキシド鎖を表し、Mは水素原子、白金、パラジウム、亜鉛もしくは銅を表し、Ar1~Ar4はそれぞれ独立して水素原子、下式(7)、下式(8)もしくは下式(9)で表される置換基、又は、下式(10)で表されるアンモニウムイオンを表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000017
 上式(6)において、R24は炭素数1~3のアルキル基を表し、pは1~4の整数を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000018
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000019
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000020
 上式(9)において、R25は炭素数1~3のアルキル基を表し、qは1~4の整数を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000021
 上式(10)において、rは1~8の整数を表し、R26~R29はそれぞれ独立して炭素数1~6の分岐を有してもよいアルキル基を表す。
 以下に、好適な化合物を具体的に例示する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000022
 アルコキシ基、アルキレンオキシド鎖(エチレンオキシド鎖、プロピレンオキシド鎖など)、ヒドロキシ基、カルボキシル基、アミノ基、アンモニウムイオンなどの親水性基を有するドナーは、水溶性を有するため、湿式延伸において好適に用いることができる。
 これらの官能基の数やアルキレンオキシド鎖の鎖長などを適宜選定することで、水溶性の程度を制御することも可能である。
〔マトリックス樹脂〕
 マトリックス樹脂は、上記ドナーとアクセプターによるアップコンバージョン蛍光体を固体系として提供するために用いられ、ドナーとアクセプターを含んだ状態でフィルム化でき、かつ、延伸可能な樹脂が選択される。
 このようなマトリックス樹脂としては、ポリビニルアルコール系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリメチル(メタ)アクリレート系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、エポキシ系樹脂などが挙げられる。
 上記において、「系」との記載は、例えば、ポリビニルアルコール系樹脂について言えば、ポリビニルアルコールの他、ポリビニルアルコール-ポリエチレン共重合体などの他のモノマーとの共重合体をも包含する趣旨である。
〔組成物〕
 本発明における組成物は、上記ドナーと上記アクセプターと上記マトリックス樹脂とを少なくとも含む。
 ドナー及びアクセプターと、マトリックス樹脂とは、相溶性の高い組合せを選択することが好ましい。
 特に、ドナー及びアクセプターとして、水溶性の化合物及び/又はその塩を用い、マトリックス樹脂として水溶性樹脂を組み合わせる態様が好ましい。これら水溶性材料の具体例等については、既に上述した。
 このような水溶性材料を用いることで、湿式延伸が可能となり、高い延伸倍率を得る上で好ましい。延伸に関する点について、詳しくは、後述する。
 組成物におけるドナーの配合割合としては、組成物全量に対し、0.0001~1質量%であることが好ましい。
 組成物におけるアクセプターの配合割合としては、組成物全量に対し、0.01~20質量%であることが好ましい。
 組成物におけるマトリックス樹脂の配合割合としては、組成物全量に対し、79~99.9質量%であることが好ましい。
〔延伸フィルム〕
 本発明にかかるアップコンバージョンフィルムは、上記組成物からなる延伸フィルムである。
 延伸の方法については、特に限定されず、固定端延伸、自由端延伸のいずれでも良いが、自由端延伸のほうが好ましい。その理由について説明すると、フィルム端部を固定しない自由端延伸においては、延伸する方向に対して垂直方向(すなわち幅方向)にフィルムが収縮する。すなわち、収縮を抑制することなく延伸する方法であるため、延伸によりマトリックス樹脂の主鎖間が縮まり延伸方向に分子が配向する。その結果として、延伸倍率の増加に伴い配向関数も大きくなる。
 延伸の方法については、また、一軸延伸、二軸延伸のいずれでも良い。もっとも、本発明における延伸の技術的意義は、分子を配向させ、三重項エネルギーの移動を促進するという点にあるから、一方向のみに延伸する一軸延伸の方が好ましい。
 延伸は一段階で行っても良いし、多段階で行ってもよい。
 延伸の方法については、また、フィルムを延伸浴中で延伸する湿式延伸、空気中で延伸する乾式延伸のいずれでもよく、両者を併用しても良い。
 比較的穏やかな条件で高倍率の延伸が可能であるという点では、湿式延伸が好ましい。
 延伸倍率としては、元長に対して、2.0倍以上が好ましく、4.0倍以上がより好ましい。
 多段階で延伸を行う場合は、各段階の延伸倍率の積が、延伸フィルムの最終的な延伸倍率となる。
 また、延伸フィルムの配向関数としては、例えば、0.05以上が好ましく、0.19以上がより好ましい。一定の上限はあろうが、一般論としては、配向関数が高いほど分子配向に伴う三重項エネルギー移動の高効率化が期待される。
 本発明者の検討によれば、組成物を構成する各材料として水溶性材料を用い、湿式延伸する方法が、高倍率の延伸に有利であった。
 特に、アクセプター及びドナーとして水溶性化合物を用いるとともに、マトリックス樹脂としてポリビニルアルコール系樹脂を用いるようにし、かつ、延伸をホウ酸水溶液中での湿式延伸とした場合に、高い延伸倍率、配向関数が実現できることが分かった。これにより、ドナーからアクセプターへの三重項エネルギー移動の高効率化が実現できる。
 延伸フィルムの厚みとしては、特に限定するわけではないが、例えば、20~40μmである。
 以下、実施例を用いて、本発明にかかるアップコンバージョンフィルム及びその製造方法について詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
〔合成例1:アクセプターAの合成〕
 下記の合成スキームによりアクセプターAを合成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000023
 具体的には以下のとおりである。
<化合物1の合成>
 窒素雰囲気下でp-ブロモアニソール(1g,5.35mmol)を脱水THF(20ml)に入れ撹拌した。
 反応溶液を-78℃に冷却しながら2.6Mのn-ブチルリチウム(2.3ml,5.89mmol)を滴下し、冷却しながら1時間反応させた。
 2-イソプロポキシ-4,4,5,5-テトラメチル-1,3,2-ジオキサボロラン(1.19ml,5.89mmol)を加え、室温で一晩反応させた。
 反応溶液に水を加え、酢酸エチルで抽出した。
 減圧乾燥後、透明の液体1.03gを得た(収率82%)。
 1H NMR(400MHz,CDCl3) δ:7.75(d,J=8.7Hz,2H),6.89(d,J=8.7Hz,2H),3.82(s,3H),1.31(s,12H)
<化合物2の合成>
 窒素雰囲気下で化合物1(1.03g,4.4mmol)及び9,10-ジブロモアントラセン(0.652g,1.94mmol)を脱水トルエン(20ml)に入れ撹拌した。
 テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)(0.11g,0.095mmol)及び2Mの炭酸カリウム水溶液(7ml)を反応溶液に滴下し、一晩反応させた。
 エタノール(5ml)を反応溶液に加え、さらに一晩反応させた。反応溶液に水を加え、酢酸エチル及びクロロホルムで抽出した。
 クロロホルム/メタノールで再結晶し、薄黄色の結晶0.736gを得た(収率97%)。
 1H NMR(400MHz,CDCl3) δ:7.74(m,4H),7.39(d,J=8.7Hz,4H),7.33(m,4H),7.14(d,J=8.7Hz,4H),3.96(s,6H)
<化合物3の合成>
 窒素雰囲気下で化合物2(0.65g,1.66mmol)を脱水ジクロロメタン(150ml)に入れ撹拌した。
 -78℃に冷却しながら1Mの三臭化ホウ素(8.5ml,8.5mmol)を滴下し、滴下終了後しばらく撹拌した後、室温で一晩反応させた。
 氷水に溶液を加え、クロロホルム及び酢酸エチルで抽出した。
 減圧乾燥し、薄黄色の固体0.533g(収率88%)を得た。
 1H NMR(400MHz,DMSO) δ:9.74(s,1H),7.65(m,2H),7.39(m,2H),7.23(d,J=8.5Hz,2H),7.03(d,J=8.5Hz,2H)
<化合物4の合成>
 化合物3(0.150g、0.414mmol)と炭酸カリウム(0.171g,0.124mmol)とをN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)(5ml)に入れ、80℃で撹拌した。
 反応溶液に、ブロモ吉草酸エチル(0.259g,1.24mmol)を滴下し、一晩反応させた。
 反応終了後、室温に戻し、反応液を水に入れ、析出した固体を濾過した。
 得られた固体を酢酸エチル/ヘキサンで再結晶した。
 薄黄色の結晶0.190gを得た(収率74%)。
 1H NMR(400MHz,CDCl3) δ:7.77-7.70(m,4H),7.37(d,J=8.7Hz,4H),7.36-7.30(m,4H),7.12(d,J=8.7Hz,4H),4.21-4.09(m,9H),2.46(br t,J=7.0Hz,4H),2.01-1.84(m,8H),1.57(s,6H),1.29(t,J=7.2Hz,6H)
<化合物5の合成>
 化合物4(0.150g、0.242mmol)をメタノール(10ml)中で撹拌した。
 次いで、1M水酸化カリウム水溶液(5ml)を滴下して80℃で一晩反応させた。
 反応終了後、室温に戻し、反応液を水に入れ希塩酸で酸性にした。析出した固体をろ過した。
 減圧乾燥後、薄黄色の結晶0.11gを得た(収率81%)。
 1H NMR(400MHz,DMSO) δ:12.40-11.81(m,2H),7.67-7.61(m,4H),7.43-7.39(m,4H),7.35(d,J=8.6Hz,4H),7.20(d,J=8.7Hz,4H),4.13(t,J=6.2Hz,4H),2.36(t,J=7.3Hz,4H),1.95-1.62(m,8H)
<アクセプターAの合成>
 化合物5(0.100g、0.178mmol)を水(20ml)に入れ、撹拌した。
 次いで、反応溶液に水酸化テトラブチルアンモニウム10%水溶液(0.83ml)を滴下した。
 室温で2時間反応させた後、ろ過した。
 ろ液を減圧乾燥し、薄黄色の固体0.22gを得た(収率100%)。
 1H NMR(400MHz,CD3OD) δ:7.70-7.64(m,4H),7.34-7.23(m,8H),7.15(d,J=8.6Hz,4H),4.14(t,J=6.1Hz,4H),3.24-3.16(m,16H),2.30(t,J=7.2Hz,4H),1.96-1.82(m,8H),1.69-1.57(m,17H),1.39(sxt,J=7.4Hz,17H),1.00(t,J=7.3Hz,24H)
〔合成例2:アクセプターBの合成〕
 下記の合成スキームによりアクセプターBを合成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000024
 具体的には以下のとおりである。
 窒素雰囲気下で化合物3(0.100g,0.276mmol)とt-ブトキシナトリウム(0.0583g,0.607mmol)を脱水エタノール(5ml)に入れ、80℃で撹拌した。
 次いで、1,3-ビス(2-(2-(2-メトキシエトキシ)エトキシ)エトキシ)プロパン-2-イル-トルエンスルホネート(0.327g,0.607mmol)を滴下し、3日間反応させた。
 反応終了後、室温に戻し、反応液を酢酸エチルに入れ水で抽出後、シリカゲルカラム(酢酸エチル:メタノール=50:1)で精製した。
 薄黄色の液体0.100gを得た(収率33%)。
 1H NMR(400MHz,CDCl3) δ:7.77-7.71(m,4H),7.39-7.30(m,8H),7.21(d,J=8.8Hz,4H),4.78-4.64(m,2H),3.89-3.82(m,7H),3.79-3.73(m,8H),3.73-3.61(m,32H),3.58-3.50(m,8H),3.36(s,12H)
〔合成例3:アクセプターCの合成〕
 下記の合成スキームによりアクセプターCを合成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000025
 具体的には以下のとおりである。
 化合物3(0.150g、0.414mmol)と炭酸カリウム(0.144g,1.04mmol)とをN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)(10ml)に入れ、80℃で撹拌した。
 反応溶液に、2-(2-(2-メトキシエトキシ)エトキシ)エチル4-メチルベンゼンスルホネート(0.331g,1.04mmol)を滴下し、一晩反応させた。
 反応終了後、室温に戻し、反応液を水に入れ、析出した固体を濾過した。
 得られた固体を酢酸エチル/ヘキサンで再結晶した。
 薄黄色の結晶0.220gを得た(収率81%)。
 1H NMR(400MHz,CDCl3) δ:7.75-7.70(m,4H),7.37(d,J=8.6Hz,4H),7.36-7.30(m,5H),7.15(d,J=8.8Hz,4H),4.33-4.26(m,4H),4.01-3.93(m,4H),3.86-3.79(m,4H),3.77-3.69(m,8H),3.66-3.53(m,4H),3.41(s,6H)
〔合成例4:ドナーAの合成〕
 下記の合成スキームによりドナーを合成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000026
 具体的には以下のとおりである。
<化合物6の合成>
 エチル-5-(4-ホルミルフェノキシ)ペンタノエート(4.00g、16.0mmol)とピロール(1.18ml,17.0mmol)とをプロピオン酸(160ml)に入れ、2時間還流させた。
 反応終了後、室温に戻し、反応液を水に入れ、析出した固体を濾過した。
 紫色の固体0.4gを得た(収率8%)。
 1H NMR(400MHz,CD2Cl2) δ:8.92(s,8H),8.15(d,J=8.7Hz,8H),7.33(d,J=8.7Hz,8H),4.32(s,8H),4.21(d,J=7.2Hz,8H),2.54(t,J=7.2Hz,8H),2.13-1.95(m,16H),1.34(t,J=7.2Hz,12H)
<化合物7の合成>
 化合物6(0.0352g、0.0295mmol)をベンゾニトリル(40ml)に入れ、溶解させた。
 次いで、塩化パラジウム(0.0105g,0.0590mmol)を加え、5時間還流させた。
 反応終了後、室温に戻し、溶媒を減圧除去した。
 得られた固体を酢酸エチルで再結晶し、赤色の結晶0.03gを得た。得られた化合物はそのまま次の反応に使用した。
<ドナーAの合成>
 化合物7(0.0200g,0.0154mmol)をメタノール/テトラヒドロフラン(3ml/3ml)に入れ、1M水酸化カリウム水溶液(3ml)を加え、2日間還流させた。
 次いで、1M塩酸で中和し、赤色の固体を得た。
 得られた固体を乾燥後、水に入れ、水酸化テトラメチルアンモニウム10質量%水溶液(0.485ml)を加え、室温で1時間撹拌した。
 反応後、溶媒を減圧除去し、得られた固体をジクロロメタンで洗浄した。
 赤色の固体0.017gを得た(収率74%)。
 1H NMR(400MHz,CD3OD) δ:8.80(s,7H),7.99(d,J=8.6Hz,8H),7.28(d,J=8.7Hz,8H),4.81(s,192H),4.34-4.15(m,8H),2.37-2.28(m,8H),2.02-1.84(m,16H)
〔合成例5:ドナーBの合成〕
 下記の合成スキームによりドナーを合成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000027
 具体的には以下のとおりである。
<化合物8の合成>
 テトラキス(4-カルボキシフェニル)ポルフィリン(0.0700g、0.0885mmol)と炭酸カリウム(0.0979g,0.124mmol)とをN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)(15ml)に入れ、80℃で撹拌した。
 反応溶液に、2-(2-(2-メトキシエトキシ)エトキシ)エチル4-メチルベンゼンスルホネート(0.169g,0.531mmol)を滴下し、一日反応させた。
 反応終了後、室温に戻し、反応液を酢酸エチルに入れ水で抽出後、アセトン、ヘキサンで洗浄し紫色の固体0.05gを得た(収率41%)。
 1H NMR(400MHz,(CD32CO) δ:9.27-8.62(m,8H),8.54-8.42(m,8H),8.42-8.31(m,8H),4.73-4.54(m,8H),4.07-3.90(m,8H),3.75(s,8H),3.70-3.60(m,16H),3.53-3.47(m,8H),3.29(s,12H)
<ドナーBの合成>
 化合物6(0.0300g、0.0218mmol)をベンゾニトリル(10ml)に入れ、溶解させた。
 次いで、塩化パラジウム(0.00773g,0.0436mmol)を加え、一晩還流させた。
 反応終了後、室温に戻し、溶媒を減圧除去した。
 得られた固体をアセトン、ヘキサンで洗浄し0.025gを得た(収率77%)。
 1H NMR(400MHz,CD2Cl2) δ:8.74(s,8H),8.36(d,J=7.5Hz,8H),8.19(d,J=7.5Hz,8H),4.54(dd,J=4.0,5.5Hz,9H),3.93-3.78(m,8H),3.71-3.63(m,8H),3.62-3.52(m,16H),3.49-3.38(m,8H),3.25(s,12H)
〔実施例1〕
 ポリビニルアルコール10質量%水溶液100質量部に対し、合成例4で得たドナーA0.001質量部、合成例1で得たアクセプターA0.5質量部の割合で配合し、混合・撹拌した。
 30分間脱泡した後、ガラス板上に塗布した。
 90℃で15分間乾燥した後、フィルムをガラス板から剥離して、未延伸フィルムを得た。
 上記未延伸フィルムについて、ホウ酸3質量%水溶液中で、両端を挟持しながら長手方向に一軸延伸した(延伸倍率:4倍)。
 その後、60℃で5分間乾燥することにより、実施例1の延伸フィルムを得た。
〔実施例2〕
 延伸倍率を2倍としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の延伸フィルムを得た。
〔比較例1〕
 実施例1における延伸前の未延伸フィルムを比較例1とした。
〔実施例3〕
 アクセプターA0.5質量部に代えて、合成例2で得たアクセプターB0.5質量部を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例3の延伸フィルムを得た。
〔比較例2〕
 実施例3における延伸前の未延伸フィルムを比較例2とした。
〔実施例4〕
 アクセプターA0.5質量部に代えて、合成例3で得たアクセプターC0.5質量部を用いたこと、及び延伸倍率を6倍としたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例4の延伸フィルムを得た。
〔比較例3〕
 実施例4における延伸前の未延伸フィルムを比較例3とした。
〔実施例5〕
 ドナーA0.001質量部に代えて、合成例5で得たドナーB0.001質量部を用いたこと、及び延伸倍率を6倍としたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例5の延伸フィルムを得た。
〔比較例4〕
 実施例5における延伸前の未延伸フィルムを比較例4とした。
〔アップコンバージョン発光特性の測定〕
 上記で得た実施例1~5及び比較例1~4の各フィルムに、レーザークリエイト社製の光源(532nm、CWレーザー、260mW/cm2(空気中))からレーザー光を照射し、得られる発光を分光器(QE65000、オーシャンオプティクス社製)で測定した。入射光源(532nm)が直接分光器に入らないように、分光器の直前にノッチフィルター(エドモンドオプティクスジャパン社製#86-120)を配置した。
〔配向度の測定〕
 上記で得た実施例1~5及び比較例1~4の各フィルムを、偏光フィルタを挿入したATR測定用アタッチメント(ATR PRO610P-S(ZnSeプリズム)、日本分光社製)付きフーリエ変換赤外分光光度計(FT/IR-4700、日本分光社製)を用いて、赤外線入射方向に対して延伸方向が平行した場合と、垂直にした場合の赤外吸収スペクトルを測定した。得られたスペクトルから、1325cm-1のピーク強度において、平行方向に対しての垂直方向の強度比から配向関数を算出した。
〔結果及び考察〕
 励起光の532nmより短波長域のアクセプターから得られるアップコンバージョン発光と、長波長域のドナーのりん光発光のピーク値の比を延伸倍率ごとに調べることで、延伸による効果を検証した。
 実施例1、2及び比較例1の結果を図2にまとめて示す。
 また、下表1に実施例1、2及び比較例1の各フィルムにおける710nmピークに対する457nmの強度をまとめた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000028
 上記結果より、未延伸ではアップコンバージョン発光はほぼ起こらないが、延伸することでアップコンバージョン発光が起こりやすくなっていることが分かる。この傾向は、延伸倍率が高いほど顕著であった。
 この結果は、延伸によりアップコンバージョン発光分子が配向され、三重項エネルギーの移動が効率よく起こっていることを示唆するものである。
 実施例3及び比較例2の結果を図3にまとめて示す。
 また、下表2に実施例3及び比較例2の各フィルムにおける710nmピークに対する450nmの強度をまとめた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000029
 実施例4及び比較例3の結果を図4にまとめて示す。
 また、下表3に実施例4及び比較例3の各フィルムにおける710nmピークに対する446nmの強度をまとめた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000030
 実施例5及び比較例4の結果を図4にまとめて示す。
 また、下表4に実施例5及び比較例4の各フィルムにおける693nmピークに対する457nmの強度をまとめた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000031
 これら実施例2~5、比較例2~4の結果から、ドナーやアクセプターの種類を代えた場合においても、延伸によって、アップコンバージョン発光特性が顕著に向上することが確認できた。
 また、実施例1におけるアップコンバージョン発光の様子を撮影した写真を図6に示し、実施例4におけるアップコンバージョン発光の様子を撮影した写真を図7に示す。
 図6,7に示すとおり、照射された部分がアップコンバージョン発光し、フィルムのどの位置でも発光することを確認した。大面積な発光に期待ができ、様々な用途に展開することが可能である。
 本発明のアップコンバージョンフィルムは、例えば、膜厚20~40μm程度のフィルムとして種々の用途に利用でき、特に、空気中で繰り返し光を照射しても安定にアップコンバージョン発光するため、空気中での使用にも適している。しかも、加工しやすく安価なフィルムであるため、様々な用途に展開することが可能である。

Claims (8)

  1.  アクセプターとドナーとマトリックス樹脂とを少なくとも含む組成物からなる延伸フィルムであって、前記マトリックス樹脂がポリビニルアルコール系樹脂であり、延伸により前記マトリックス樹脂が配向している、フォトンアップコンバージョンフィルム。
  2.  前記アクセプターが、ナフタレン構造、アントラセン構造、ピレン構造、ペリレン構造、テトラセン構造又はBodipy構造を有する化合物である、請求項1に記載のフォトンアップコンバージョンフィルム。
  3.  前記アクセプターが下式(1)で表される化合物である、請求項2に記載のフォトンアップコンバージョンフィルム。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
     上式(1)において、R1~R8はそれぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、炭素数1~8の分岐を有してもよいアルキル鎖を有するアミノ基、炭素数1~12の分岐を有してもよいアルキル基、炭素数1~12の分岐を有してもよいアルコキシ基、下式(2)もしくは下式(3)で表されるエチレンオキシド鎖、又は、下式(4)で表されるアンモニウムイオンを表す。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
     上式(2)において、R9は炭素数1~3のアルキル基を表し、nは1~4の整数を表す。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
     上式(3)において、R10,R11はそれぞれ独立して、炭素数1~3のアルキル基を表し、m及びlはそれぞれ独立して1~4の整数を表す。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
     上式(4)において、oは1~8の整数を表し、R12~R15はそれぞれ独立して、炭素数1~6の分岐を有してもよいアルキル基を表す。
  4.  前記ドナーが、ポルフィリン構造、フタロシアニン構造又はフラーレン構造を有する化合物である、請求項1から3までのいずれかに記載のフォトンアップコンバージョンフィルム。
  5.  前記ドナーが下式(5)で表される化合物である、請求項4に記載のフォトンアップコンバージョンフィルム。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
     上式(5)において、R16~R23はそれぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、炭素数1~8の分岐を有してもよいアルキル鎖を有するアミノ基、炭素数1~12の分岐を有してもよいアルキル基、炭素数1~12の分岐を有してもよいアルコキシ基、又は、下式(6)で表されるエチレンオキシド鎖を表し、Mは水素原子、白金、パラジウム、亜鉛もしくは銅を表し、Ar1~Ar4はそれぞれ独立して水素原子、下式(7)、下式(8)もしくは下式(9)で表される置換基、又は、下式(10)で表されるアンモニウムイオンを表す。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
     上式(6)において、R24は炭素数1~3のアルキル基を表し、pは1~4の整数を表す。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
     上式(9)において、R25は炭素数1~3のアルキル基を表し、qは1~4の整数を表す。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000010
     上式(10)において、rは1~8の整数を表し、R26~R29はそれぞれ独立して炭素数1~6の分岐を有してもよいアルキル基を表す。
  6.  配向関数が0.05以上である、請求項1から5までのいずれかに記載のフォトンアップコンバージョンフィルム。
  7.  アクセプターとドナーとマトリックス樹脂とを少なくとも含む組成物を延伸する工程を含むフォトンアップコンバージョンフィルムの製造方法であって、前記マトリックス樹脂がポリビニルアルコール系樹脂であり、前記延伸がホウ酸水溶液中での湿式延伸である、フォトンアップコンバージョンフィルムの製造方法。
  8.  前記アクセプター及び前記ドナーが親水性の置換基を有する、請求項7に記載のフォトンアップコンバージョンフィルムの製造方法。
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