フォトポリマー懇話会 ニュースレター № 75

The Technical Association of Photopolymers,Japan1ŏŰįĸĶ July 2016

オプティクス・フォトニクス分野におけるフォトポリマーの新たな展開
電気通信大学大学院情報理工学研究科

富田
ここではニュースレターを読まれる方々が専門とされる高分子化学やレジスト化学などの専門分野とは全く異なる、オプティクス・フォトニクスの研究分野に携わる者からみたフォトポリマーの魅力について、筆者がここ10年来行ってきているフォトポリマーに関する研究を紹介する形で述べてみたいと思います。
オプティクス・フォトニクスの分野におけるフォトポリマーの応用としては、レンズや回折格子などの光学素子、光導波路、ホログラフィックディスプレーな
どがあげられると思います。これらの応用では、通常は有機バインダーホストにフォトポリマーを混合した有機材料が用いられていますが、筆者のグループでは
フォトポリマーへナノ微粒子を数10体積％オーダーの高濃度に一様分散した、所謂ナノコンポジット材料としての光重合性ナノ微粒子 - ポリマーコンポジット（以下、NPC）について研究を行っています。このNPC の特徴として、第一に、有機材料と無機材料のナ
ノコンポジット化による硬化後の材料の熱的・力学的安定性の向上が挙げられます。第二に、屈折率の範囲
が有機材料に比べて広い無機材料の添加による材料屈折率制御の自由度が増大できることです。しかし、これらのことはすでに良く知られていることです。では
一体、何が興味深いのかと言うと、ホログラフィック
露光のような空間的に不均質な光強度パターンでNPCを露光して光重合させると、分散されているナノ微粒
子とモノマー（光重合後はポリマー）が光強度パター
ンに応じて空間的に再分布するということです。具体的には次のような現象が生じます（図 1 参照）。光強度パターンの明部でモノマーがより早く重合してその教授

康生

化学ポテンシャルが低下するために、光強度パターンの暗部のモノマーが明部へ拡散するのに対して、ナノ微粒子は光強度パターン明部で化学ポテンシャルが増大するために暗部へ拡散します。従って、重合後のポリマーとナノ微粒子の分布光強度パターンに対して位相が互いに180º異なることになり、屈折率差の大きな重合ポリマーとナノ微粒子を選ぶことにより、屈折率変調振幅（∆n ）が非常に大きな回折格子（所謂、ホログラム）を得ることができます。このような現象を筆者はホログラフィックナノ微粒子配列 （holographic
assembly of nanoparticles) [Opt. Lett. 30, 829 (2005)]

図 1．ホログラフィックナノ微粒子配列

フォトポリマー懇話会 ニュースレター № 75と呼んでいます。加えて、このモノマーとナノ微粒子の光重合に伴う相互拡散過程は非平衡相転移ダイナミ
クスとして統計熱力学の見地からも大変興味深いものです。
筆者のグループは 2002 年にホログラフィックナノ
微粒子配列の手法を用いて TiO2 ナノ微粒子と連鎖重合モノマーで構成した NPC によるホログラフィック
体 積 記 録 を 初 め て 実 証 し [Appl. Phys. Lett. 81, 4121
(2002)]、翌年には Nature でホログラフィックメモリーのための注目すべき光記録材料として取り上げられています [Nature 422, 557 (2003)]。ホログラフィックメ
モリーは高密度で高転送速度が可能な 3 次元光メモ
リーとして約 40 年前に提案され、これまでは従来の有機フォトポリマーが記録メディアとして主に用いられていますが、実用化のために数多くの要求が課せられています。例えば、高記録密度化のために ∆n は0.005 以上、記録感度は 500cm/J 以上、重合収縮率は0.5% 未満などを同時に満足する必要があります。NPC
は有機材料と無機材料のナノコンポジット化により、従来の有機フォトポリマーに比べて大幅な特性改善の可能性を秘めています。特に、重合収縮率の低減化のためにチオール・エン重合を用いた NPC により、上記 3 つの要求値を全て満足するものを実現しています[Opt. Mater. Express 1, 207 (2011)]。このチオール・エン重合は低収縮率と低毒性が要求される歯科用レジンの重合過程として以前から注目されており、同じ手法が全く異なる分野で使われるというのは興味あることだと思います。これまでに筆者のグループは、SiO2
ナノ微粒子をチオール・エン重合モノマーへ高濃度分散した NPC によりホログラフィックデジタルデー
タページ多重記録を実証し（図 2 参照）、記録メディアとして有望な材料であることを示しています [Opt.
Lett. 37, 2250 (2012)]。また、NPC 中に形成されるホログラムの ∆n が 0.02 以上に増大できることから [Opt.
Lett. 41, 1281 (2016)]、高効率回折光学素子としてウェ
アラブル端末への応用も期待されています。

図 2．ホログラフィックデータ記録

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オプティクス・フォトニクスの分野での NPC の他の新しい応用としては非線形光学への応用が挙げられ、光により物質の吸収や屈折率を制御することにより光スイッチングや光ビーム制御など様々な応用が期待できます。特に、半導体量子ドット（QD）は 3 次元
量子閉じ込め効果による光非線形性の大幅な増強が可能となりますが、そのような QD を有する材料の大面積化や QD 分布の一括制御は困難でした。ナノ微粒子である QD をフォトポリマーに高濃度で分散した NPC
はそれらの実現を可能とします。筆者のグループでは 2009 年に CdSe QD を連鎖重合モノマーに高濃度分散した NPC により回折効率がほぼ 100% の Bragg 格子
を 実 現 し [Appl. Phys. Lett. 95, 073102 (2009)]、 そ の
CdSe QD 高分散 NPC が大きな 3 次および 5 次の光非線形性を有することも実証しています [Opt. Express.
20, 13457 (2012)]。今後は、QD 分散 NPC による非線形
フォトニック結晶の実現も期待されます。
最後に、オプティクス・フォトニクスの分野とは全く異なる中性子光学の分野における NPC の応用について述べてみたいと思います。オプティクス・フォト
ニクスの分野では光が主役となりますが、量子力学的にはボーズ粒子である光とは全く異なるフェルミ粒子
である中性子を物質波として中性子ビームの振る舞いを扱う分野は、中性子光学と呼ばれています。その応用としての中性子回折や中性子干渉計などは、量子物理学・物性物理学・高分子化学・生命科学・バイ
オ・医学などの基礎科学分野や材料解析や磁気ディスクなどの工学的応用分野において有用性が示されています。しかし、中性子ビームは大規模な原子炉や加速器からのみ得られるため、その高利用効率化や高制御化が望まれています。そこで、従来用いられている
Si 完全結晶は Si 結晶からの Bragg 回折による波長数 Å程度の熱中性子ビームの制御素子として用いられていますが、Bragg 条件を満たさない数 10~100Å 程度の長波長の冷・極冷中性子ビームの制御には使用できません。中性子に対する物質の屈折率は中性子屈折率と呼ばれ、中性子波長の二乗に比例することから中性子干渉測定では、長波長の中性子で測定感度の格段の向上が可能になるため、冷・極冷中性子ビームに対する
簡易で制御性の高いビーム制御デバイスが求められていました。そこで、筆者のグループはウィーン大学（オーストリア）の中性子光学グループと共同で、SiO2 ナノ微粒子を分散した NPC 中に形成したホログ
ラムによる冷・極冷中性子ビームの反射 （90%）、二分岐 （1 : 1）、三分岐 （1 : 1 : 1） などの制御に初めて成功しました [Phys. Rev. Lett. 105, 123904 (2010), Appl.
Phys. Lett. 100, 214104 (2012), Appl. Phys. Lett. 101,
154104 (2012)]。光ビームが NPC 中に記録されたホログラムにより回折される場合には、ホログラフィック
ナノ微粒子配列による周期的なナノ微粒子と重合ポリ

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フォトポリマー懇話会 ニュースレター № 75
マー分布を構成する原子群と光との電磁相互作用の差（屈折率変調）により光ビームが回折しますが、中性子ビームの場合には原子の核子（陽子と中性子）と中性子との中性子 - 核子相互作用の差（中性子屈折率変調）により回折することになります。よって、中性子屈折率変調が大きくなるナノ微粒子を選択すること
により冷・極冷中性子ビームの効率的な反射や分岐が可能になり、冷・極冷中性子を用いた中性子干渉計を
NPCホログラムにより構成することができます（図 3参照）。今後は磁性ナノ微粒子分散 NPC を用いること
により冷・極冷中性子の異なるスピン状態を分岐する
スピンビームスプリッターの実現が望まれています。

以上述べたように、フォトポリマーをナノコンポ
ジット化することによりフォトポリマーの多機能化や設計自由度の向上が得られ、光ビームに加えて中性子ビームをも含む広い分野における多彩な応用を生み出すことができます。そのためには分散技術、ナノコン
ポジット系におけるフォトポリマーの光重合過程の理解と制御、相互拡散現象のより深い理解など究明すべ
きさらなる研究課題が出てきます。このことは、NPCにおいてフォトポリマーは単なるナノ微粒子を分散するためのホスト材料ではなく、ホログラフィックナノ
微粒子配列を実現するために本質的な役割を果たしていることを示しています。本稿がフォトポリマーに従事されている読者の方々に、フォトポリマーの新しい知見として興味を持たれることを期待します。なお、
ここで紹介した筆者のグループの研究内容については
最近の総合報告 [J. Mod. Opt. 63, S11 (2016)] を参照していただきたいと思います。

図 3．NPCを用いた中性子干渉計【研究室紹介】金沢大学

高分子反応工学研究室（瀧研究室）

金沢大学理工研究域自然システム学系物質循環コース 准教授

はじめに
瀧研究室は、石川県金沢市角間町の丘陵にそびえ建つ金沢大学自然科学 1 号館にあります。スタッフは小職が 1 名、学生は修士 1 年生が 4 人、学部 4 年生が 1人です。この他に民間企業から 1 名の研究者が常駐されています。
瀧研究室では、昨年の開設以来「研究を通じた課題
解決による社会貢献」を主題に据えて、我々が研究することで社会がより良くなることをまじめに目指しています。当研究室では、主にUV硬化技術の工学系の研究をしていますので、「研究を通じた課題解決」は主に民間企業の生産技術に関する実践的な内容が多くなります。民間企業から相談を受けて、課題の本質を見抜き、研究計画をご提案し、研究内容が経済性を含めて課題解決に貢献できると判断してもらえれば、産学共同研究を行うことになります。どちらかといえば、

瀧 健太郎

工学寄りの、泥臭い研究テーマが多い研究室です。
一方で、UV 硬化に関する本質的な課題にも積極的に取り組んでいます。例えば、UV 硬化により形成される複雑ネットワーク構造やゲル化現象の解明などです。UV 硬化技術に携わる研究者のバックグラウンドのほとんどはケミストリーですが、当研究室では、物理学やプロセス工学のバックグランドを持つ学生が、これらの本質的な課題に取り組んでいます。数式やコンピュータ、複雑な測定装置を駆使して、ゴリゴリ
データを取りながら研究しています。
瀧研究室では、生産技術に適用可能な研究成果が得られることを重視していますので、学術研究と実践研
究のバランスを大事にしています。今回の研究室紹介
では、研究設備、研究テーマ、産学連携についてご紹
介します。

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フォトポリマー懇話会 ニュースレター № 75

図 1．瀧研究室のメンバー（金沢大学角間キャンパスにて）
研究設備
瀧研究室は、日本でも有数の UV 硬化樹脂の硬化過程を測定するための設備を取り揃えており、実験室内
ですべての測定が完結するように工夫されています。
UV 硬化に関連した測定装置は、リアルタイム FT-IR、
フォトレオメータ、レーザー変位計による収縮率測定
装置、フォト DSC です。どの測定装置も市販品を UV
硬化測定用に独自のカスタマイズを加えており、再現性や測定精度を限界まで追及しています。また、瀧研究室では、プラスチック成形加工技術の研究もしておりますので、プラスチック成形加工に関する二軸押出機などの設備も充実しています。ここでは、UV 硬化過程の測定装置の一例を紹介します。
リアルタイム FT-IR
ブルカー・オプティクス社製の VERTEX 70 の FT-IRを使用しています。8 cm-1 の波数精度で、1 秒間に 33
回のスペクトルの連続測定が可能です。また、試料ス
テージは、試料が水平に置けるように工夫されており、FT-IR の干渉計からのビームを垂直に、紫外線を
斜め 45 度から照射可能です。紫外線のライトガイド
は、前後に微動することができるため、試料に照射される紫外線の照度を 0.1 mW cm-2 単位で調節することが可能です。このため再現性の高い実験を行うことができます。試料ステージは、窒素ガスでパージすることが可能ですので、窒素雰囲気下と空気雰囲気下の結果を比較することで、空気中の酸素による酸素阻害の影響を調べることもできます。

図 2．リアルタイムFT-IR（ブルカー・オプティクス社製 VERTEX 70）
フォトレオメータ
アントン・パール社製の MCR301-WESP をレオメータとして使用しています。このレオメータは歪の計測と応力の計測を同時に一つのモーターで行うことができるので、試料下部に大きな空間があります。この部
分に紫外線のライトガイドと微動ステージを設置しており、紫外線強度の微調整を行うことができます。
フォトレオメータは、UV 硬化樹脂が硬化により弾性率や粘性率が増加していく様子を測定することが可能な装置です。また、動的粘弾性測定を UV 硬化中に行うことで、ゲル化時間やゲル化弾性率を測定することが可能です。ゲル化は液体の UV 硬化樹脂が固体になる際の骨格となるネットワーク構造が出来上がる点であると考えられており、ゲル化点におけるネットワー
ク構造が明らかになれば、UV 硬化樹脂のネットワー
ク構造の解明につながると考えています。

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図 3．フォトレオメータ（アントン・パール社製 MCR-WESP）

研究内容
瀧研究室は、UV 硬化過程の測定技術と、それに基づくシミュレーション技術を得意としています。特に、空気中の酸素が重合阻害を起こす系の解析を実験とシミュレーションを組み合わせることで研究しています。
例えば、UV 硬化樹脂をインクジェットにより塗り重ねながら造形する 3D プリンターでは、造形物内部
で、UV 硬化反応の UV 照射による進行と酸素阻害反応による停止が、交互に起こるため造形物内に反応率や収縮率の分布が生じます。この現象をコンピュータによりシミュレーションすることで、反応率の分布を緩やかにしたり、意図的に大きくしたりする UV 硬化条
件やフォーミュレーションの提案ができます。
現在進行中の研究テーマを紹介します。研究テーマの約半数は民間企業との産学共同研究よるものです。
・リアルタイム FT-IR による多官能アクリレートのUV 硬化過程の解析
・UV 硬化におけるゲル化時間のスケーリング則に関する研究
・UV 硬化による機能性表面の創製
・3D プリンターの硬化収縮分布の予測
・光開始剤とポリオレフィンの反応による高分子の改質と機能化

レーザー変位計による収縮率測定装置
UV 硬化樹脂の特徴として、硬化収縮が起こることが知られています。UV 硬化では、炭素間の二重結合が単結合に化学変化するため、炭素間の結合距離が短くなり、収縮が起こります。瀧研究室では、レーザー
変位計（LK-H008、キーエンス社製）による収縮率測定装置を開発中です。試料の厚さをリアルタイムで測定する方法として、レオメータのギャップ調節機能を利用する方法、分光干渉法、レーザー変位計、エリプ
ソメトリーによる方法などが知られています。
UV 硬化の硬化収縮率測定で問題となるのは、酸素阻害による硬化物内でのモノマーの官能基の反応率の分布です。反応率の分布はすなわち屈折率の分布があることを意味しておりレオメータ以外のほとんどの分
光学的手法が仮定している層内での屈折率一定の仮定が成立していない可能性があります。この屈折率一定の仮定をせずとも厚さの測定を行える手法を研究しています。重箱の隅をつつくような研究に思われる方も多いと思いますが、高精度な硬化収縮測定の背後には、複雑ネットワーク構造の形成過程やゲル化現象が隠れており、これらの現象の解明を実現するためにも高精度な精密測定が重要であると考えています。

産学連携
瀧研究室では、先にも述べたとおり、産学連携を重視しています。民間企業の生産現場における泥臭い課
題から課題解決につながる研究テーマを設定し、比較的短期間で現実的な解を導き出すことを得意としています。時には難題に遭遇し、根本的な研究手法から新
たに作り直す場合もあります。現在、9 社の民間企業の方々と共同研究を進めております。様々な商品や基盤技術の研究開発に微力ながら貢献させていただいて
おります。
おわりに
簡単ですが瀧研究室の紹介をさせていただきました。当研究室が掲げている「研究を通じた課題解決による社会貢献」は、「言うは易く行うは難し」です。
自分たちの研究と社会的ニーズの接点を模索し、研究をプロデュースする挑戦を続けています。工学研究ら
しい、わかりやすさと実用性を重視しつつ、UV 硬化技術の本質的な問いにいつの日か応えられるように、
これからも研究を続けていきたいと思います。
この度、研究室紹介の機会を頂戴いたしました関係者の方々に深くお礼申し上げます。

図 4．レーザー変位計（キーエンス社製）

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フォトポリマー懇話会 ニュースレター № 75

【新製品・新技術紹介】
レジスト用添加剤「アデカアークルズ GPA-5001」
株式会社 ADEKA 情報化学品開発研究所

1 ．はじめに
感光性材料は、電子情報分野において欠かすことのできない材料であり、塗料、製版材料、印刷インキ、接着剤などの分野だけではなく、液晶ディスプレイな
どのフラットパネルディスプレイや、ホログラム材
料、プリント配線基板、半導体材料などの電子部品の製造に多く用いられている。感光性材料の中で、光エネルギーを用いてラジカルや酸、塩基等、重合活性種を発生させる化合物を光開始剤と言い、樹脂配合物の特性を決定するうえで重要な成分である。当社では各重合活性種を発生する材料開発を行っている他、光開始剤と共に用いる関連材料も開発している（表 1）。
液晶パネルには、ブラックマトリックスやカラー
フィルター、透明絶縁膜等の光ラジカル硬化を用いたネガ型レジストが用いられ、その製造プロセスでは、フォトリソグラフィー法によるパターン形成後に 230 ℃の加熱が行われるため（図 1）、レジスト硬化
膜の耐熱性は重要である。耐熱性向上にはレジスト樹
脂の酸化劣化を防止することがポイントであり、特にフェノール系酸化防止剤（以下「AO」と表記）がその効果に優れる。しかし AO は光硬化時の重合活性種であるラジカルをトラップしてレジスト感度を低下させてしまう。
当社新製品「GPA-5001」は、AO と同等の優れた酸化劣化防止効果を有し、かつ光ラジカル硬化の感度を全く低下させないという特徴を有し、光ラジカル硬化岡田 光裕型感光性材料に最適な添加剤である。本稿では GPA5001 の製品概要及び、ラジカル硬化系ネガ型レジス
トへの添加効果に関する評価データを紹介する。

図 1 LCD パネルの製造プロセス（略図）

表 1 当社の感光性材料ラインナップ（アデカアークルズシリーズ）

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フォトポリマー懇話会 ニュースレター № 75
2 ．製品概要
GPA-5001 の製品データは以下の通りである。
外観：白色粉末
融点：157 ℃
溶解性：2 wt%（PGMEA/25 ℃）
保存条件：室温、暗所
製品形態： 5 ㎏（ファイバードラム入）

ニズムが機能したためと考えている。

3 ．ラジカル系ネガ型レジストへの添加効果
ラジカル系ネガ型レジストでの GPA-5001 の添加効
果を、光硬化特性（線幅感度）とレジスト膜の耐熱性（400 nm の透過率変化による黄変度合い測定）で評価した。評価条件は表 2、表 3 に示す。
表 2 レジスト組成（重量比）
図 2 線幅感度評価

表 3 評価条件
図 3 耐熱性試験

光 硬 化 特 性 の 評 価 結 果（ 図 2） よ り、AO 添 加 レ
ジスト（▲）では感度が低下しているのに対して、
GPA-5001 添加レジスト（●）は添加剤なし（◇）と同等の感度特性を示している。このことより、GPA5001 は光照射により発生したラジカルによる重合反応を阻害していない。
耐熱性試験（図 3）では、230 ℃加熱の時間と共に添加剤なしレジストの黄変が進むのに対して、GPA5001 添加（●）、AO 添加（▲）は高い透過率を維持
し、レジスト膜の熱安定性が向上している。AO は、樹脂の熱劣化過程等で生成する活性ラジカルを速やかに安定化することにより樹脂の酸化劣化を防止することが知られており、GPA-5001も加熱時に同様のメカ

4 ．おわりに
GPA-5001 は液晶パネル製造で重要なレジストの耐熱性向上を感度低下させずに実現できる、他に類のない材料である。他の様々な感光性材料においても、光硬化特性を変えることなく耐熱性等の向上が可能と考えている。今回紹介した GPA-5001 の他、当社感光性材料にご興味の方々にはご一報を頂ければ幸いである。

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フォトポリマー懇話会 ニュースレター № 75

【会告】
【見学会】
日時： 8 月 25 日（木）14 時～ 17 時
見学先： NTT 技術史料館（武蔵野市）
参加資格：当会会員のみ
参加費：無料
申込方法：
ホームページ (http://www.tapj.jp) のメールフォー
ムにて送信、又は氏名・所属・連絡先を明記の上FAX にて事務局（043-290-3460）まで。
定員：20 名程度（申込締切：8 月 5 日（金））※詳細ご案内については後日通知します。

【第 26 回フォトポリマー講習会】
会期 ： 9 月 7 日 （水）～ 8 日 （木） 9 時30分～17時40分
会場：森戸記念館（東京理科大学）第 1 フォーラム新宿区神楽坂 4-2-2
協賛：日本化学会
プログラム
I 基礎編（ 9 月 7 日）
1 ）フォトポリマーの光化学
東京理科大学 青木健一氏
2 ）フォトポリマーの材料設計
信州大学 上野 巧氏
3 ） 光酸発生剤の基礎
サンアプロ㈱ 白石篤志氏
4 ） トピックス 超分子ネットワーク
東京大学 伊藤耕三氏
Ⅱ 応用編（ 9 月 8 日）
5 ）微細加工用レジスト
兵庫県立大学 渡邊健夫氏
6 ） コーティング分野におけるモノマーとフォトポリマーの役割と設計思想
荒川化学工業㈱ 澤田 浩氏
7 ） ウエハーコート用感光性耐熱材料
日立化成デュポンマイクロシステムズ㈱ 大江匡之氏
8 ） コーティングの表面・界面と接着神戸大学 西野 孝氏
9 ） フォトポリマーの特性評価
大阪市立大学 堀邊英夫氏

参加費：会員・協賛会員 30,000 円
非会員 40,000 円 学生 20,000 円
いずれも予稿集代を含む。
申込方法：
ホームページ (http://www.tapj.jp) のメールフォー
ムにて送信、又は氏名・所属・連絡先を明記の上FAX にて事務局（043-290-3460）まで。
定員：95 名（申込締切： 8 月 20 日（土））【第 217 回フォトポリマー講演会】
日時：10月12日（水）12時30分～16時30分
会場：森戸記念館（東京理科大学）第 1 フォーラム新宿区神楽坂 4-2-2
テーマ：『EUV リソグラフィ』
参加費：会員：1 社 2 名まで無料、非会員：3,000 円、
学生 ： 2,000 円 いずれも予稿集代を含む
申込方法：
ホームページ (http://www.tapj.jp) のメールフォー
ムにて送信、又は氏名・所属・連絡先を明記の上FAX にて事務局（043-290-3460）まで。
定員：95 名（定員になり次第締め切ります）【平成 28 年度総会報告】
日時：2016年 4 月25日（月）13時00分から
会場：森戸記念館（東京理科大学）第 1 フォーラム
出席者数：47 名（委任状 10 名含む）
議案：
1 ． 平成 27 年度事業報告承認の件
2 ．平成 27 年度収支決算ならびに年度末貸借対照表
承認の件
3 ． 平成 28 年度事業計画の件
4 ． 平成 28 年度予算承認の件
議事：
会則に基づき、会長を議長として開会。
懇話会会則第 11 条により総会は成立。
議案 1, 2, 3, 4 について承認、議決された。

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