KR101700476B1 - 고감광도 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제, 그 제조방법 및 용도 - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광개시제 기술분야에 관한 것으로, 특히 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제 및 그 제조방법과 용도에 관한 것이다.
광경화란 모노머, 올리고머 또는 폴리머 기질의 광유도 하에서의 경화과정을 말하는 것으로, 그 기술은 현대의 마이크로 전자기술에서, 예를 들면 광경화 인쇄용 잉크, 액정패널의 패키지, 감광성 인쇄판, 필터 및 포토 레지스트 등과 같이 광범위하게 응용되고 있다. 광경화 기술의 핵심은 광경화 가능한 중합성 모노머와 적합한 광개시제에 있다. 일정한 파장의 자외/가시광, X선 또는 레이저광의 조사 하에서 광개시제는 활성기를 생성시켜, 중합 가능한 모노머 중의 불포화기가 중합반응을 일으키도록 유발함으로써 재료를 경화시킨다.
광개시제는 광경화 조성물(감광성 조성물)의 감광성능에 영향을 주는 아주 중요한 요인으로, 광개시제에 대해서는 최근에 많이 보도되었는 바, 예를 들면 벤조인 유도체, 벤질 케탈계, a, a-디알콕시 아세톤페논계, 벤조페논/아민계, 미힐러 케톤, 티아졸론/아민계, 방향족 디아조늄염, 트리아진계, 옥심 에스테르계 등이 있고, 대표적인 예로서는 시판되고 있는 Irgacure369, Darocure1173, OXE-1 및 OXE-2가 있다. 그러나 이러한 광개시제는 실제 응용 중에서 어느 정도 감광도가 낮고(중합속도 및 노광선량이 높고), 용해성이 낮으며(투명도 및 포토에칭 잔류물이 많으며), 저장 안정성이 낮고, 단파장 감도가 부족하다는 등 결함이 존재하므로, 전체적으로 감광성 재료의 성능에 영향을 주어 고첨단 컬러 필터 및 차세대 LED 디스플레이의 응용 수요를 만족시킬 수 없었다. 또한, 저감광도 광개시제의 사용은 실제 생산 중의 설비의 배치에 대해서도 별도의 요구가 있으므로, 제품의 생산효율에 불리한 영향을 끼친다.
최근 고감광도 광개시제의 연구에 대해 큰 관심을 기울이기 시작하였는데, 이에 대한 보도도 소량 나타나기 시작하였다. 예를 들면, 공개번호 CN101508744A에는 OXE-2보다 뛰어난 감광성능을 갖고 있어 현재 컬러 필터 제작의 수요를 초보적으로 만족시킬 수 있는 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제가 개시되어 있다. 그러나 전자과학 기술의 급속한 발전으로 말미암아 광개시제에 대해서도 한층 더 높은 요구가 제기될 것인데, 이는 기존의 광개시제로 하여금 점차 고첨단 컬러 필터 및 LED의 응용 수요에 적응하지 못하도록 하는 결과를 초래하게 될 것이다. 따라서, 더 높은 성능, 특히 더 높은 감광성능을 갖는 광개시제를 연구하고 개발하는 것은 중요한 현실적 및 경제적인 의의가 있다.
본 발명은 뛰어난 응용성능, 특히 아주 높은 감광도를 갖고 있어 고첨단 컬러 필터 및 OLED 디스플레이 제작의 수요를 만족시킬 수 있는 새로운 광개시제를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술효과를 실현하기 위한 본 발명은 기술방안으로서, 식 (I)로 표시되는 구조를 갖는 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제를 예로 들 수 있다:
상기 식에서,
R2는 C1~C20의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이고;
Ar은 임의의 치환기를 갖는(즉 치환기가 있어도 되고 없어도 되는) S 또는 O를 함유하는 헤테로사이클릭기, 혹은 치환기 중에 O, S, N 원자를 함유하는 치환 아릴기이다.
식 (I)로 표시되는 카르바졸 옥심 에스테르계 화합물에 있어서, R1 치환기는 n=2, 또한 m=3 또는 4인 것이 바람직하다.
R2는 C1~C5의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기인 것이 바람직하고, 메틸기, 에틸기, n-프로필기, n-부틸기가 보다 바람직하며, 에틸기가 특히 바람직하다.
Ar에 있어서, 상기 임의의 치환기를 갖는 S 또는 O를 함유하는 헤테로사이클릭기는 0~2개의 치환기를 갖는 것이 바람직하고, 0~2개의 메틸기 또는 에틸기를 갖는 것이 특히 바람직하며; 상기 S 또는 O를 함유하는 헤테로사이클릭기는 푸릴기 또는 티에닐기인 것이 바람직하고; 상기 치환 아릴기 중 O, S, N 원자를 함유하는 치환기는 알킬티오기, 알콕시기, 알킬아미노기, 피페라지닐기, 몰포리닐기 등인 것이 바람직하다.
구체적으로, 식 (I)로 표시되는 카르바졸 옥심 에스테르계 화합물 중의 Ar기는 하기 구조로부터 선택되는 것이 바람직하다:
본 발명은 또한 상기 식 (I)로 표시되는 구조를 갖는 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제의 제조방법을 제공하는데, 그 방법은 카르바졸을 출발원료로 하며, 이하 단계를 포함한다:
(1) 치환 반응: 하기 반응식과 같이, 카르바졸을 유기용제 중에 용해시켜 브로모알칸 R2-Br과 치환 반응시켜 중간체 a, 즉 9-R2-일-카르바졸을 얻는 단계
(2) 아실화 반응: 하기 반응식과 같이, 중간체 a(9-R2-일-카르바졸)를 유기용제 중에 용해시키고, 알루미늄 클로라이드의 촉매작용 하에서 아실화 반응시켜 중간체 b, 즉 3-R1-아실-6-Ar-아실-9-R2-일-카르바졸을 얻는 단계
(3) 옥심화 반응: 하기 반응식과 같이, 제조된 중간체 b(3-R1-아실-6-Ar-아실-9-R2-일-카르바졸)로부터 옥심화 반응을 거쳐 중간체 c, 즉 1-(6-Ar-아실-9-R2-일-카르바졸)-1-R1 온 옥심을 제조하는 단계
(4) 에스테르화 반응: 하기 반응식과 같이, 제조된 중간체 c (1-(6-Ar-아실-9-R2-일-카르바졸)-1-R1-온 옥심)와 무수초산을 에스테르화 반응시켜 목적 생성물, 즉 식 (I)로 표시되는 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제를 제조하는 단계
본 발명의 제조방법에서 사용되는 모든 원료는 모두 기존 기술 중의 공지의 화합물로, 시판되고 있거나 공지의 합성방법에 의해 제조할 수 있다.
식 (I)로 표시되는 구조의 카르바졸 옥심 에스테르계 화합물은 감광성(광경화) 조성물 중에서 광개시제로 사용 가능한데, 아주 뛰어난 감광성능을 갖고 있다. 여기서, 감광성 조성물 중의 기타 성분은 특별히 한정되지 않으며, 본 영역의 공지 및 상용의 성분(예를 들면 CN101059655A에 개시된 내용을 참조할 수 있다, 여기에서는 참고로 인용한다), 예를 들면 광중합 가능한 아크릴계 수지여도 된다.
본 발명은 아래와 같은 기술적 효과를 갖는다. 본 발명에 있어서, 식 (I)로 표시되는 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제는 응용성능이 뛰어나고, 특히 높은 감광성능을 가고 있으며, 현재 시판되고 있는 Irgacure369, OXE-2 등 광개시제보다 우수하고, 또한 CN101508744A에 개시된 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제보다도 우수하다. 감광성 조성물에 응용되면 광경화 성능을 크게 제고시킬 수 있고, 컬러 필터의 제조와 같은 감광성 조성물의 응용 영역의 생산효율을 현저히 제고시킬 수 있다. 동시에 본 발명은 생산방법이 간단하고, 생산과정에서 오염성 폐기물이 발생하지 않으며, 또한 제품의 순도가 높아 공업화 생산에 적용된다.
제조
실시예
실시예 1:
하기 식으로 표시되는 1-[6-(2-테노일)-9-에틸-카르바졸-3-일]-(3-시클로펜틸아세톤)-1-옥심 아세테이트의 제조
단계 1: 9-에틸 카르바졸의 제조
250mL의 4구 플라스크에 20g의 카르바졸, 0.8g의 테트라에틸암모늄 브로마이드, 100mL의 톨루엔을 투입하고, 교반하면서 금방 배합한 70g의 50% NaOH 수용액을 첨가하며, 15.6g의 브로모에탄을 적가하고 약 30min 동안 전부 적가 완료한 다음, 가열환류하여 6h 반응시킨다. 실온으로 냉각한 후, 수층을 분리하고, 원료액층을 세번 물로 세척하며 무수 MgSO4로 건조시키고, 침출한 다음, 감압 하에서 농축하여 용제를 제거한 후, 잔류물을 무수 에탄올로 재결정시켜 백색 침 형태의 결정 33.5g을 얻어냈는데, 수율은 72.0%이고, 상대적인 순도는 99.0%이다.
단계 2: 3-(3-시클로펜틸프로피오닐)-6-(2-테노일)-9-에틸-카르바졸의 제조
500mL의 4구 플라스크에 30g의 9-에틸 카르바졸, 21.6g의 AlCl3(미분), 150ml의 디클로로메탄을 투입하고 교반한 다음, 아르곤 기체를 주입하여 보호하고, 빙욕에 넣고 냉각시켜 온도가 0℃로 하강 되었을 때 23.2g의 2-티오펜 카르보닐 클로라이드와 21g의 디클로로메탄의 혼합액을 적가하기 시작하는데, 온도는 10℃ 이하로 제어하여 약 1.5h 동안에 전부 첨가하고, 계속하여 2h 교반한 다음, 플라스크에 21.6g의 AlCl3(미분)를 첨가하고, 27.2g의 시클로 펜틸 프로피오닐 클로라이드와 20g의 디클로로메탄의 혼합액을 적가하는데 온도는 10℃ 이하로 제어하여 약 1.5h 동안에 전부 적가한 후, 온도를 15℃로 상승시켜 계속하여 2h 교반하면 생성물이 얻어진다.
후처리:
교반하면서 400g의 얼음과 65ml의 진한 염산으로 배합된 묽은 염산 중에 원료를 천천히 투입하고, 분액 깔때기로 하층 원료액을 분리하고, 상층은 50ml의 디클로로메탄으로 추출하며, 추출액과 원료액을 병합시켜 10g의 NaHCO3과 200g의 물로 배합된 NaHCO3 수용액으로 세척하고, 다시 200ml의 물로 3차에 걸쳐 pH값이 중성을 나타낼 때까지 세척한 다음, 30g의 무수 MgSO4로 건조시켜 수분을 제거하고, 디클로로메탄을 회전 증발시키는데, 증발 후 회전증발용 플라스크 중의 조생성물은 고체 분말 형태이고, 200ml의 상압 하에서 증발시킨 석유 에테르 중에 투입하고 침출하여 담황색 분말 형태의 고체를 얻어내고, 70℃ 오븐 중에서 2h 소성시켜 46.2g의 생성물을 얻어냈는데, 수율은 70%이고, 순도는 94% 이상이다.
단계 3: 1-[6-(2-테노일)-9-에틸-카르바졸-3-일]-(3-시클로 펜타논)-1-옥심의 제조
500ml의 4구 플라스크에 46.2g의 상술한 제2 단계 생성물, 11.2g의 염산 히드록실 아민, 16.4g의 아세트산 나트륨, 150g의 에탄올, 50g의 물을 투입하고, 가열하면서 교반환류 하여 5h 반응시킨다.
후처리:
원료를 큰 사이즈 비이커에 투입하고, 1000ml의 물을 넣어 교반한 후, 정지한 상태로 밤을 지낸 다음 침출하여 백색 분말 형태의 고체를 얻어내는데, 이를 200ml의 THF 중에 투입하고, 50g의 무수 MgSO4를 첨가하여 건조시키고 침출한 다음, 여과액을 회전 증발시켜 회전용 플라스크 중에 오일 형태의 점착물을 얻어낸 후, 그 점착물을 150ml의 무수 메탄올 중에 투입하고 교반하여 석출한 다음, 침출하여 백색 분말 형태의 고체를 얻어내고, 70℃ 하에서 5h 소성시켜 38.6g의 생성물을 얻어냈는데, 수율은 81%이고, 순도는 95% 이상이다.
단계 4: 1-[6-(2-테노일)-9-에틸-카르바졸-3-일]-(3-시클로펜틸아세톤)-1-옥심 아세테이트의 제조
500ml의 4구 플라스크에 32g의 제3 단계 생성물, 150ml의 디클로로메탄, 11g의 무수초산을 투입하고, 실온 하에서 2h 교반한 다음, 5% NaHCO3 수용액으로 pH값이 중성이 되도록 조절하고, 분액 깔때기로 층 분리하여 다시 200ml의 물로 한번 세척하고, 50g의 무수 MgSO4로 건조시킨 다음, 용제를 회전 증발시킴으로써 점성 액체를 얻어내고, 이를 재결정하여 백색 고체 생성물을 얻어내며, 이를 여과 및 건조시켜 30.5g의 생성물을 얻어냈는데, 수율은 87%이고, 순도는 95% 이상이다.
생성물의 구조는 핵자기공명 스펙트럼에 의해 확인되는데, 구체적인 특성의 결과는 아래와 같다:
1H-NMR(CDCl3, 500MHz): δ 1.131-1.170 (2H, m, -CH2-), 1.468 1.497 (3H, t, -CH3), 1.537-1.893(9H, m,시클로 펜탄), 2.281(3H, s, -CH3), 2.955-2.987 (2H, q, -CH2-), 4.401-4.444(2H, q,-CH2-), 7.285-8.542 (9H, m, 벤젠환).
실시예 2~12:
실시예 1에 표시된 방법을 참조하여 상응하는 아실화 시약, 상응하는 알데히드 또는 케톤으로 실시예 2~12의 화합물을 제조했다. 목적 화합물 및 그 1H-NMR 데이터는 표 1에 열거된 바와 같다.
감광성능의 측정
감광도의 측정방법은 Step Tablet(중국어 번역문 참조: 농도계용 표준 플레이트)을 사용한다. 이는 플라스틱 플레이트로서, 마스크 플레이트로도 불리며, 외형은 하나의 플라스틱 자와 같이, 윗면에 동일한 간격으로 직사각형이 인쇄되어 있는데, 몇몇의 직사각형이 있으면 몇몇 그레이 스케일(gray scale)의 Step Tablet이라고 부른다. 이런 직사각형은 일정한 광학적 농도의 증가량에 따라 무색투명-연회색-흑색 이런 순서로 색이 인쇄되어 있는데, 조사광량의 크기를 조절하는데 쓰인다. 색이 옅은 부분은 색이 진한 부분보다 더 많은 광을 통과시킬 수 있다. 그레이 스케일 앞의 숫자는 색과 대응되는데, 숫자가 작을수록 그레이 스케일이 작고, 색이 옅을 수록 통과시킬 수 있는 광량이 더 많으며, 대응하는 광개시제의 감광도가 더 낮고; 숫자가 클수록 그레이 스케일이 더 크고, 색이 진할수록 통과시킬 수 있는 광량이 더 적으며, 대응하는 광개시제의 감광도가 더 높다.
구체적으로, 이하의 단계에 따라 식 (I)로 표시되는 광개시제의 감광성능에 대해 측정을 진행한다.
(1) 이하의 조성을 일예로 하여, 광개시제를 함유하는 감광성 조성물을 배합한다.
아크릴레이트 코폴리머 200 질량부
(벤질 메타크릴레이트/메타크릴산/히드록시에틸 메타크릴레이트(몰비가 70/10/20) 코폴리머(Mw: 10, 000))
디펜타에리스리톨 헥사아크릴레이트 100 질량부
광개시제 5 질량부
부타논(용제) 900 질량부
상술한 조성물 중의 광개시제는 본 발명의 식 (I)로 표시되는 카르바졸 옥심 에스테르계 화합물 또는 기존 기술 중의 공지의 광개시제(대조용)로부터 선택된다.
(2) 감광성능의 측정
황색등 하에서 상술의 배합물을 교반한 후, 일정한 양을 취하여 PET 템플릿 위에 놓고 롤 코팅하여 막으로 만든 다음, 90℃에서 2min 건조시켜 막 두께가 2μm인 코팅막을 얻어냈는데, 상술한 두께의 코팅막을 얻는데 있어서, 코팅과정은 한차례에 걸쳐 진행해도 되고 여러 차례로 나누어 진행해도 된다.
그 다음 실온으로 냉각시켜 12 그레이 스케일의 마스크 플레이트를 붙이고 고압 수은 램프를 사용하여 365nm, 405nm 및 436nm 파장의 자외선 조사 하에서 코팅막을 노광시킨다. 광파워 미터를 사용하여 측정 필름 위의 총 조사선량이 1000mJ/cm2 인 것을 계측했다. 노광 후 마스크 플레이트를 떼어내고, 30℃에서 1% 탄산나트륨 수용액을 사용하여 노광된 필름에 대해 현상을 진행하였는데, 현상 후 (중합된) 최고 그레이 스케일을 유지한 것이 개시제 시스템 감광도의 특징이었다. 그레이 스케일이 높을수록 측정 시스템의 감도가 더 높다는 것을 나타낸다. 결과를 표 2에 표시한다.
실시예/비교예 | 광개시제 | 감광도(그레이 스케일) |
13 | 실시예 1의 화합물 | 9.5 |
14 | 실시예 2의 화합물 | 9 |
15 | 실시예 4의 화합물 | 9 |
16 | 실시예 5의 화합물 | 8.5 |
17 | 실시예 7의 화합물 | 9.5 |
18 | 실시예 10의 화합물 | 9.5 |
비교예 1 | PBG-304 | 7.5 |
비교예 2 | OXE-02 | 7 |
비교예 3 | Irgacure369 | 1 |
표 2에 있어서, PBG-304는 CN101508744A에 개시된 광개시제 1-(6-o-메틸벤조일-9-에틸-카르바졸-3-일)-(3-시클로펜틸아세톤)-1-옥심 아세테이트를 나타내고, OXE-02는 1-(6-o-메틸벤조일-9-에틸-카르바졸-3-일)-(3-에타논)-1-옥심 아세테이트를 나타내며, Irgacure369는 2-페닐-2-디메틸아미노-1-(-4-몰포리노 페닐)-부타논-1을 나타낸다.
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 개시된 식 (I)로 표시되는 광개시제의 그레이 스케일은 시판되고 있는 Irgacure369 및 OXE-2 광개시제보다 높으며, 또한 CN101508744A에 개시된 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제보다도 높다. 즉, 본 발명의 카르바졸 옥심 에스테르계 화합물은 광개시제로서 그 감광(광경화) 성능이 더 뛰어나다.
위 내용을 종합하면, 본 발명에 개시된 식 (I)로 표시되는 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제는 응용성능이 뛰어나고, 특히 높은 감광성능을 갖고 있으며, 현재 시판되고 있는 Irgacure369, OXE-2 등 광개시제보다 우수하고, 또한 CN101508744A에 개시된 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제보다도 우수하다. 감광성 조성물에 응용되면 광경화 성능을 크게 제고시킬 수 있고, 컬러 필터의 제조와 같은 감광성 조성물의 응용영역의 생산효율을 현저히 제고시킬 수 있다. 한편, 감광성능이 더 높다는 것은, 비교적 낮은 광개시제의 농도 및/또는 노광선량 조건 하에서도 조성물 시스템이 양호하게 가교경화 할 수 있다는 것을 의미하는데, 예를 들면 컬러 필터의 제작 시에, 본 발명의 광개시제를 포함하는 감광성 조성물을 사용하면 비교적 낮은 노광선량 하에서도 BM의 제작을 완성할 수 있다.
Claims (11)
- 제1항에 있어서,
R1 중, n=2, m=3 또는 4인 것을 특징으로 하는 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
R2는 C1~C5의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기인 것을 특징으로 하는 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제. - 제3항에 있어서, R2가 메틸기, 에틸기, n-프로필기 또는 n-부틸 기인 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제.
- 제4항에 있어서, R2가 에틸 기인 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- (1) 치환 반응: 하기 반응식과 같이, 카르바졸을 유기용제 중에 용해시켜 브로모알칸 R2-Br과 치환 반응시켜 중간체 a, 즉 9-R2-카르바졸을 얻는 단계
(2) 아실화 반응: 하기 반응식과 같이, 중간체 a를 유기용제 중에 용해시키고, 알루미늄 클로라이드의 촉매작용 하에서 아실화 반응시켜 중간체 b, 즉 3-R1-아실-6-Ar-아실-9-R2-카르바졸을 얻는 단계
(3) 옥심화 반응: 하기 반응식과 같이, 제조된 중간체 b로부터 옥심화 반응을 거쳐 중간체 c, 즉 1-(6-Ar-아실-9-R2-카르바졸)-1-R1-온 옥심을 제조하는 단계
(4) 에스테르화 반응: 하기 반응식과 같이, 제조된 중간체 c와 무수초산을 에스테르화 반응시켜 목적 생성물, 즉 식 (I)로 표시되는 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제를 제조하는 단계
를 포함하는 제1항에 기재된 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제의 제조방법. - 제1항에 기재된 카르바졸 옥심 에스테르계 광개시제를 포함하는 감광성 조성물.
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