JP2023118059A - 液晶配向膜の製造方法、光配向剤、液晶素子、重合体及び化合物 - Google Patents
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Abstract
【課題】液晶配向性、打鍵耐久性及び密着性に優れた液晶配向膜を得ることができ、かつ輝点不良の発生が抑制された液晶素子を製造できる液晶配向剤を提供すること。【解決手段】式(1)で表される部分構造(a)を有する重合体[A]を含有する液晶配向剤により塗膜を形成する工程と、塗膜に光照射を行って液晶配向能を付与する工程と、を含む方法により液晶配向膜を製造する。式(1)中、A1及びA2は2価の芳香環基である。ただし、A1及びA2の一方又は両方は、-OR1、-NR2R3又は-SR4で表される基が芳香環に結合した構造を有する。B1及びB2は、単結合、-O-、-S-、-NR5-、-CO-、*1-CO-O-、*1-O-CO-、*1-CS-O-、*1-O-CS-、*1-CO-NR6-又は*1-NR6-CO-NR7-である。Xは2価の炭化水素基である。TIFF2023118059000029.tif5170【選択図】なし
Description
本発明は、液晶配向膜の製造方法、光配向剤、液晶素子、重合体及び化合物に関する。
液晶素子は、液晶テレビやインフォメーションディスプレイ等といった比較的大型の表示装置から、スマートフォン等の小型の表示装置まで幅広い用途に適用されている。液晶素子の性能は、液晶の配向性やプレチルト角の大きさ、電圧保持率等の各種特性により決定される。液晶素子の性能を向上させるべく、従来、液晶材料の改良のほか、液晶を一定方向に配列させるための液晶配向膜の改良が行われている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。
特許文献1には、テトラカルボン酸二無水物とジアミンとの反応生成物であるポリアミック酸及びその誘導体を含有する液晶配向剤において、ジアミンとしてジ-tert-ブチル{[アジポイルビス(アザンジイル)]ビス(5-アミノ-2,1-フェニレン)}ジカルバマートを用いて得られたポリアミック酸を液晶配向剤に含有させることが開示されている。また、特許文献2には、ジアミンとして4,4’-[エタン-1,2-ジイルビス(オキシ)]ビス(3-メチルアニリン)を用いて得られたポリイミドを液晶配向剤に含有させることが開示されている。
膜に異方性を付与して液晶配向膜を形成する方法として光配向法がある。光配向法は、基板上に形成した感放射線性の有機薄膜に対し、偏光又は非偏光の放射線を照射することによって膜に異方性を与え、これにより液晶分子の配向を制御する手法である。この方法によれば、従来のラビング法に比べて、工程内でのほこりや静電気の発生を抑制することができるため、ほこり等に起因する表示不良の発生や歩留まりの低下を抑制することが可能である。また、基板上に形成された有機薄膜に対して、液晶配向能を均一に付与できるといったメリットもある。その一方で、光配向法を適用した場合、光照射よってポリマー等の分解生成物が生じやすく、この分解生成物に起因する表示不良(輝点)が発生しやすい。液晶素子の高品質化を図るためには、基本特性の1つである液晶配向性を優れたものとしながら、輝点の発生を抑制することが求められる。
スマートフォンやタブレットPC等に代表されるモバイル用途では、タッチパネルの稼働面積をより広く、かつ表示装置の小型化を両立させるために狭額縁化を図ることが行われている。狭額縁化を図る方法の1つとしては、基板面全体に液晶配向膜を形成した後、シール剤を液晶配向膜上に塗布して基板同士を貼り合わせる方法が知られている。その一方で、液晶配向膜上にシール剤を配置した場合には、シール剤を配置した配向膜部分に力がかかりやすくなる。このため、液晶配向膜の力学特性や密着性が低いと、基板同士の剥がれが生じやすくなることが懸念される。
また近年では、スマートフォンや車載用途の液晶素子はタッチパネル方式が主流であり、使用者の打鍵操作による外力を受けやすい。液晶素子の信頼性を高める観点からすると、液晶素子を構成する液晶配向膜には、外力を受けたことに起因する表示品位の低下が生じにくく、打鍵耐久性(タッチパネル耐性ともいう)が良好であることも求められる。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、液晶配向性、打鍵耐久性及び密着性に優れた液晶配向膜を得ることができ、かつ輝点不良の発生が抑制された液晶素子を製造できる液晶配向剤を提供することを主たる目的とする。
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
<1> 下記式(1)で表される部分構造(a)を有する重合体[A]を含有する液晶配向剤により塗膜を形成する工程と、前記塗膜に光照射を行って液晶配向能を付与する工程と、を含む、液晶配向膜の製造方法。
(式(1)中、A1及びA2は、それぞれ独立して2価の芳香環基である。ただし、A1及びA2の一方又は両方は、-OR1、-NR2R3又は-SR4で表される基が芳香環に結合した構造を有する。R1、R2及びR4は、それぞれ独立して水素原子又は1価の有機基である。R3は1価の有機基である。B1及びB2は、それぞれ独立して、単結合、-O-、-S-、-NR5-、-CO-、*1-CO-O-、*1-O-CO-、*1-CS-O-、*1-O-CS-、*1-CO-NR6-又は*1-NR6-CO-NR7-である。「*1」は、A1又はA2との結合手を表す。R5、R6及びR7は、それぞれ独立して水素原子又は1価の有機基である。Xは2価の炭化水素基である。「*」は結合手を表す。)
<2> 上記式(1)で表される部分構造(a)を有する重合体[A]を含有する、光配向剤。
<3> 上記<1>の方法により製造された液晶配向膜を備える液晶素子。
<4> 下記式(3)で表されるジアミンに由来する構造単位を含む重合体。
(式(3)中、A3及びA4は、それぞれ独立して2価の芳香環基である。ただし、A3及びA4の一方又は両方は、-OR1a又は-NR2aR3aで表される基が芳香環に結合した構造を有する。R1a及びR2aは、それぞれ独立して1価の炭化水素基である。R3aは、水素原子又は1価の有機基である。B3及びB4は、それぞれ独立して、単結合、-O-、-S-、-NR5a-、-CO-、*1-CO-O-、*1-O-CO-、*1-CS-O-、*1-O-CS-、*1-CO-NR6a-又は*1-NR6a-CO-NR7a-である。R5aは1価の有機基である。R6a及びR7aは、それぞれ独立して水素原子又は1価の有機基である。「*1」は、A3又はA4との結合手を表す。Yは、B3が-O-の場合に、炭素数1若しくは2のアルカンジイル基、2価の脂環式炭化水素基、又は2価の芳香族炭化水素基であり、B3が*1-O-CO-の場合に、アルカンジイル基、炭素数4以上の脂肪族炭化水素環を有する2価の脂環式炭化水素基、又は2価の芳香族炭化水素基であり、B3が-O-及び*1-O-CO-以外の場合に2価の炭化水素基である。)
<5> 上記式(3)で表されるジアミン。
<3> 上記<1>の方法により製造された液晶配向膜を備える液晶素子。
<4> 下記式(3)で表されるジアミンに由来する構造単位を含む重合体。
<5> 上記式(3)で表されるジアミン。
本発明によれば、液晶配向性、打鍵耐久性及び密着性に優れた液晶配向膜を得ることができ、かつ輝点不良の発生が抑制された液晶素子を得ることができる。
以下に、本開示の液晶配向剤及び液晶配向膜の製造方法について説明する。
なお、本明細書において、「炭化水素基」とは、鎖状炭化水素基、脂環式炭化水素基及び芳香族炭化水素基を含む意味である。「鎖状炭化水素基」とは、主鎖に環状構造を含まず、鎖状構造のみで構成された直鎖状炭化水素基及び分岐状炭化水素基を意味する。ただし、鎖状炭化水素基は飽和でも不飽和でもよい。「脂環式炭化水素基」とは、環構造としては脂環式炭化水素の構造のみを含み、芳香環構造を含まない炭化水素基を意味する。ただし、脂環式炭化水素基は脂環式炭化水素の構造のみで構成されている必要はなく、その一部に鎖状構造を有するものも含む。「芳香族炭化水素基」とは、環構造として芳香環構造を含む炭化水素基を意味する。ただし、芳香族炭化水素基は芳香環構造のみで構成されている必要はなく、その一部に鎖状構造や脂環式炭化水素の構造を含んでいてもよい。「芳香環」は、芳香族炭化水素環及び芳香族複素環を含む意味である。「有機基」とは、炭素を含む化合物(すなわち有機化合物)から任意の水素原子を取り除いてなる原子団をいう。
《液晶配向剤》
本開示の液晶配向剤は、下記式(1)で表される部分構造(a)を有する重合体[A]を含有する。
(式(1)中、A1及びA2は、それぞれ独立して2価の芳香環基である。ただし、A1及びA2の一方又は両方は、-OR1、-NR2R3又は-SR4で表される基が芳香環に結合した構造を有する。R1、R2及びR4は、それぞれ独立して水素原子又は1価の有機基である。R3は1価の有機基である。B1及びB2は、それぞれ独立して、単結合、-O-、-S-、-NR5-、-CO-、*1-CO-O-、*1-O-CO-、*1-CS-O-、*1-O-CS-、*1-CO-NR6-又は*1-NR6-CO-NR7-である。「*1」は、A1又はA2との結合手を表す。R5、R6及びR7は、それぞれ独立して水素原子又は1価の有機基である。Xは2価の炭化水素基である。「*」は結合手を表す。)
本開示の液晶配向剤は、下記式(1)で表される部分構造(a)を有する重合体[A]を含有する。
本開示の液晶配向剤は、光配向処理により液晶配向膜を形成するための液晶配向剤(すなわち光配向剤)として特に適している。以下ではまず、本開示の液晶配向剤に含まれる各成分、及び必要に応じて任意に配合されるその他の成分について説明する。
<重合体[A]>
・部分構造(a)について
式(1)において、A1及びA2で表される2価の芳香環基としては、2価の芳香族炭化水素基及び2価の芳香族複素環基が挙げられる。2価の芳香族炭化水素基としては、ベンゼン環、ビフェニル環、ナフタレン環又はアントラセン環の環を構成する炭素原子に結合する任意の水素原子を取り除いてなる基が挙げられる。2価の窒素含有芳香族複素環基としては、ピリジン環、ピリミジン環、ピリダジン環又はピラジン環の環を構成する炭素原子に結合する任意の水素原子を取り除いてなる基が挙げられる。A1及びA2で表される2価の芳香環基は、これらのうち、2価の芳香族炭化水素基であることが好ましく、ベンゼン環の環を構成する炭素原子に結合する任意の水素原子を取り除いてなる基がより好ましい。
・部分構造(a)について
式(1)において、A1及びA2で表される2価の芳香環基としては、2価の芳香族炭化水素基及び2価の芳香族複素環基が挙げられる。2価の芳香族炭化水素基としては、ベンゼン環、ビフェニル環、ナフタレン環又はアントラセン環の環を構成する炭素原子に結合する任意の水素原子を取り除いてなる基が挙げられる。2価の窒素含有芳香族複素環基としては、ピリジン環、ピリミジン環、ピリダジン環又はピラジン環の環を構成する炭素原子に結合する任意の水素原子を取り除いてなる基が挙げられる。A1及びA2で表される2価の芳香環基は、これらのうち、2価の芳香族炭化水素基であることが好ましく、ベンゼン環の環を構成する炭素原子に結合する任意の水素原子を取り除いてなる基がより好ましい。
A1及びA2のうち一方又は両方は、-OR1、-NR2R3又は-SR4で表される電子供与性基(以下、「置換基F1」ともいう)が芳香環に結合した構造を有する。芳香環に置換基F1が直接結合した構造を重合体中に導入することによって熱再配列性が向上し、液晶配向性が向上したことや、置換基F1の導入によって結晶性が低下し、応力が緩和されやすい構造になったことによって強度が高まり、打鍵耐久性が向上したことが推測される。また、置換基F1の導入によって重合体の溶解性を高めることができるとともに、重合体の高感度化を図ることができる。
R1、R2、R3又はR4で表される1価の有機基は、液晶配向性の改善効果を十分に得る観点から、炭素数1~10の1価の炭化水素基又は熱脱離性基であることが好ましく、炭素数1~6の1価の炭化水素基又は熱脱離性基であることがより好ましく、炭素数1~5の1価の炭化水素基又は熱脱離性基であることが更に好ましい。なお、熱脱離性基とは、熱により脱離して水素原子に置き換わる基である。熱脱離性基は、熱による脱離性を良好にするとともに、脱離した部分の膜中の残存量を少なくする観点から、炭素数15以下であることが好ましく、炭素数10以下がより好ましい。
炭素数1~10の1価の炭化水素基の具体例としては、炭素数1~10のアルキル基、炭素数3~10のシクロアルキル基、及び炭素数6~10のアリール基等が挙げられる。これらのうち、炭素数1~6の1価の炭化水素基が好ましく、炭素数1~5のアルキル基又はフェニル基がより好ましく、炭素数1~3のアルキル基が更に好ましい。
R1が熱脱離性基である場合の具体例としては、アセチル基、ベンゾイル基、ベンジル基、p-メトキシフェニルベンジル基、メトキシメチル基、tert-ブトキシカルボニル基、トリメチルシリル基、トリエチルシリル基、tert-ブチルジメチルシリル基、トリチル基等が挙げられる。R1で表される熱脱離性基は、これらのうち、アセチル基、メトキシメチル基又はtert-ブトキシカルボニル基が好ましく、アセチル基又はtert-ブトキシカルボニル基(Boc基)がより好ましい。
R2、R3が熱脱離性基である場合の具体例としては、カルバメート系保護基、アシル系保護基、アミド系保護基、イミド系保護基、スルホンアミド系保護基等が挙げられる。これらのうち、熱による脱離性が高い点で、カルバメート系保護基が好ましい。その具体例としては、tert-ブトキシカルボニル基、メトキシカルボニル基、ベンジルオキシカルボニル基、1,1-ジメチル-2-ハロエチルオキシカルボニル基、アリルオキシカルボニル基、2-(トリメチルシリル)エトキシカルボニル基、9-フルオレニルメチルオキシカルボニル基、アリルオキシカルボニル基等が挙げられる。熱による脱離性に優れ、かつ脱離した部分の膜中の残存量を少なくできる点で、これらの中でも特に、tert-ブトキシカルボニル基(Boc基)が好ましい。
R4が熱脱離性基である場合の具体例としては、ベンジルオキシメチル基、p-メトキシベンジルオキシメチル基、tert-ブトキシカルボニル基、トリメチルシリル基等が挙げられる。これらのうち、tert-ブトキシカルボニル基(Boc基)が好ましい。
液晶配向性を良好にする観点から、R1、R2及びR4は、上記の中でも、水素原子、炭素数1~6の1価の炭化水素基又は熱脱離性基であることが好ましく、水素原子、炭素数1~3のアルキル基、フェニル基又は熱脱離性基であることがより好ましい。R3は、炭素数1~6の1価の炭化水素基又は熱脱離性基であることが好ましく、炭素数1~3のアルキル基、フェニル基又は熱脱離性基であることがより好ましい。
置換基F1の具体例としては、ヒドロキシ基、炭素数1~5のアルコキシ基、炭素数2~5のアルキルカルボニルオキシ基(アセトキシ基、プロピオニルオキシ基等)、tert-ブトキシカルボニルオキシ基、炭素数1~5のアルキルアミノ基、ジメチルアミノ基、ジエチルアミノ基、炭素数2~5のアルキルアミド基、N-(tert-ブトキシカルボニル)アミノ基、N-(tert-ブトキシカルボニル)-N-メチルアミノ基、N-(tert-ブトキシカルボニル)-N-エチルアミノ基、N,N-ジ(tert-ブトキシカルボニル)アミノ基、チオール基、炭素数1~5のアルキルチオ基等が挙げられる。
置換基F1は、液晶配向性の改善効果を高くできる点で、上記の中でも、-OR1又は-NR2R3が好ましく、-OR1がより好ましい。
良好な液晶配向性及び密着性の効果を得つつ、輝点の抑制及び打鍵耐久性の改善効果を高める観点から、A1及びA2の両方が、芳香環に結合した置換基F1を有していることが好ましい。A1中の置換基F1の数及びA2中の置換基F1の数はそれぞれ、1~3個が好ましく、1又は2個がより好ましく、1個が更に好ましい。
芳香環における置換基F1の結合位置は特に限定されない。置換基F1が結合する原子と、B1又はB2(B1、B2が単結合の場合にはX)が結合する原子とが隣接している場合、光に対する感度をより高くでき、良好な液晶配向性を示す液晶素子を得ることができる点で好適である。なお、A1及びA2は、芳香環の環部分に、置換基F1とは別の置換基を更に有しないことが好ましい。
B1及びB2について、-NR5-、*1-CO-NR6-、*1-NR6-CO-NR7-に含まれるR5、R6又はR7が1価の有機基である場合、当該1価の有機基は、炭素数1~10の1価の炭化水素基又は熱脱離性基であることが好ましい。R5、R6又はR7が炭素数1~10の1価の炭化水素基又は熱脱離性基の具体例及び好ましい例としては、R2、R3の具体例及び好ましい例として説明した基が挙げられる。R5、R6及びR7は、水素原子、炭素数1~3のアルキル基又は熱脱離性基が好ましく、炭素数1~3のアルキル基又はtert-ブトキシカルボニル基がより好ましい。
B1及びB2は、良好な液晶配向性を示す液晶素子を得る観点から、中でも、-O-、-S-、-NR5-、-CO-、*1-CO-O-、*1-O-CO-、*1-CS-O-、*1-O-CS-、*1-CO-NR6-又は*1-NR6-CO-NR7-であることが好ましく、-O-、-S-又は-NR5-であることがより好ましい。
Xで表される2価の炭化水素基としては、炭素数1~18の鎖状炭化水素基、炭素数3~18の脂環式炭化水素基、及び炭素数6~18の芳香族炭化水素基が挙げられる。液晶配向性及び打鍵耐久性の改善効果が高い液晶配向膜を形成できる点で、Xは、炭素数1~10の鎖状炭化水素基、炭素数3~10の脂環式炭化水素基又は炭素数6~12の芳香族炭化水素基が好ましく、液晶配向性をより優れたものとすることができる点や、膜密度を高くできる点で、炭素数1~5の直鎖状のアルカンジイル基がより好ましく、メチレン基又は1,2-エチレン基が更に好ましい。
液晶配向性及び打鍵耐久性の改善効果をより高くできる点で、重合体[A]は、部分構造(a)を主鎖中に有する、すなわち部分構造(a)が重合体[A]の主鎖の一部を構成していることが好ましい。重合体[A]の主骨格は特に限定されない。部分構造(a)を重合体の主鎖中に導入しやすい点、液晶との親和性及び機械的強度が高い液晶配向膜を形成できる点、並びに単量体の選択の自由度が高い点で、重合体[A]は、部分構造(a)を有するジアミン(以下、「特定ジアミン」ともいう)に由来する構造単位を有することが好ましく、具体的には、下記式(2)で表される化合物に由来する構造単位を有することが好ましい。
(式(2)中、A1、A2、B1、B2及びXは、上記式(1)と同義である。)
ここで、「主鎖」とは、重合体のうち最も長い原子の連鎖からなる「幹」の部分をいう。なお、この「幹」の部分が環構造を含むことは許容される。つまり、「部分構造(a)を主鎖中に有する」とは、部分構造(a)が主鎖の一部分を構成することをいう。「側鎖」とは、重合体の「幹」から分岐した部分をいう。
特定ジアミンは、下記式(2A)で表される化合物であることが特に好ましい。
(式(2A)中、Z1及びZ2は、それぞれ独立して、-OR1、-NR2R3又は-SR4で表される基である。k1及びk2は、それぞれ独立して1又は2である。k1が2の場合、複数のZ1は同一又は異なる。k2が2の場合、複数のZ2は同一又は異なる。R1、R2、R3、R4、B1、B2及びXは、上記式(1)と同義である。)
式(2A)において、Z1及びZ2は、-OR1又は-NR2R3で表される基であることが好ましい。
Z1及びZ2が-OR1で表される基の場合、R1は水素原子、炭素数1~5のアルキル基、フェニル基又は熱脱離性基であることが好ましく、炭素数1~5のアルキル基であることがより好ましく、炭素数1~3のアルキル基であることが更に好ましい。また、B1及びB2は、-O-、-S-、-NR5-、-CO-、*1-CO-O-、*1-O-CO-、*1-CS-O-、*1-O-CS-、*1-CO-NR6-又は*1-NR6-CO-NR7-であることが好ましく、-O-、-S-又は-NR5-であることがより好ましい。Xは、炭素数1若しくは2のアルカンジイル基、2価の脂環式炭化水素基、又は2価の芳香族炭化水素基であることが好ましく、炭素数1又は2のアルカンジイル基がより好ましい。
Z1及びZ2が-NR2R3で表される基の場合、R2は水素原子、炭素数1~3のアルキル基、フェニル基又は熱脱離性基であって、R3は炭素数1~3のアルキル基、フェニル基又は熱脱離性基であることが好ましい。また、B1及びB2は、-O-、-S-又は-NR5-であることが好ましく、-O-であることがより好ましい。Xは、炭素数1~5のアルカンジイル基、2価の脂環式炭化水素基、又は2価の芳香族炭化水素基であることが好ましく、炭素数1~5のアルカンジイル基がより好ましく、炭素数1又は2のアルカンジイル基が更に好ましい。
特定ジアミンの具体例としては、下記式(4-1)~(4-24)のそれぞれで表される化合物等が挙げられる。なお、式中、「Boc」は、tert-ブトキシカルボニル基を表す(以下同じ)。
(式中、nは1~18の整数である。)
上記式(4-1)~(4-24)のそれぞれで表される化合物において、ベンゼン環における置換基F1の結合位置は特に限定されない。置換基F1の結合位置は、1級アミノ基以外の他の基(すなわち、上記式(1)中のB1又はB2(B1、B2が単結合の場合にはX))に対して、2-位又は3-位であることが好ましい。特に、置換基F1の結合位置が、1級アミノ基以外の他の基に対して2-位である場合、高感度化を図ることができ、液晶配向性を更に良化できる点で好ましい。
重合体[A]において、部分構造(a)を有する構造単位(以下、「構造単位(Ua)」ともいう)の含有割合は、液晶配向膜の液晶配向性、密着性及び打鍵耐久性の改善効果を十分に高くするとともに、輝点の発生が十分に抑制された液晶素子を得る観点から、重合体[A]が有する単量体単位の全量100モル部に対し、2モル部以上であることが好ましい。構造単位(Ua)の含有割合は、重合体[A]が有する単量体単位の全量100モル部に対し、より好ましくは5モル部以上であり、更に好ましくは10モル部以上である。また、構造単位(Ua)の含有割合は、重合体[A]の主鎖に応じて適宜設定され得るが、重合体[A]が有する単量体単位の全量100モル部に対し、例えば50モル部以下である。なお、重合体[A]が有する構造単位(Ua)は1種のみでもよく、2種以上であってもよい。
特定ジアミンは、有機化学の定法を適宜組み合わせることによって合成することができる。その一例としては、部分構造(a)を有するジアミンの1級アミノ基に代えてニトロ基を有するジニトロ体を合成し、次いで、得られたジニトロ体のニトロ基を適当な還元系を用いてアミノ化する方法が挙げられる。
ジニトロ体を合成する方法は、目的とする化合物に応じて適宜選択することができる。例えば、置換基F1が結合した芳香環構造を有する水酸基含有化合物と、基Xを有するハロゲン化物とを好ましくは有機溶媒中、塩基及び必要に応じて触媒の存在下で反応させる方法;置換基F1が結合した芳香環構造を有する水酸基含有化合物と、基Xを有するトシル基含有化合物とを好ましくは有機溶媒中、塩基及び必要に応じて触媒の存在下で反応させる方法;置換基F1が結合した芳香環構造を有する酸ハロゲン化物と、基Xを有するアミノ基含有化合物とを好ましくは有機溶媒中、塩基及び必要に応じて触媒の存在下で縮合させる方法;置換基F1が結合した芳香環構造を有するカルボン酸と、基Xを有するアミノ基含有化合物とを好ましくは有機溶媒中、塩基及び必要に応じて触媒の存在下で縮合させる方法、等が挙げられる。
ジニトロ体の還元反応は、好ましくは有機溶媒中、例えばパラジウム炭素、酸化白金、亜鉛、鉄、スズ、ニッケル等の触媒を用いて実施することができる。ここで使用する有機溶媒としては、例えば酢酸エチル、トルエン、テトラヒドロフラン、アルコール系等が挙げられる。ただし、特定ジアミンの合成手順は上記方法に限定されるものではない。
本開示によれば、下記式(3)で表されるジアミンが提供される。
(式(3)中、A3及びA4は、それぞれ独立して2価の芳香環基である。ただし、A3及びA4の一方又は両方は、-OR1a又は-NR2aR3aで表される基が芳香環に結合した構造を有する。R1a及びR2aは、それぞれ独立して1価の炭化水素基である。R3aは、水素原子又は1価の有機基である。B3及びB4は、それぞれ独立して、単結合、-O-、-S-、-NR5a-、-CO-、*1-CO-O-、*1-O-CO-、*1-CS-O-、*1-O-CS-、*1-CO-NR6a-又は*1-NR6a-CO-NR7a-である。R5aは1価の有機基である。R6a及びR7aは、それぞれ独立して水素原子又は1価の有機基である。「*1」は、A3又はA4との結合手を表す。Yは、B3が-O-の場合に、炭素数1若しくは2のアルカンジイル基、2価の脂環式炭化水素基、又は2価の芳香族炭化水素基であり、B3が*1-O-CO-の場合に、アルカンジイル基、炭素数4以上の脂肪族炭化水素環を有する2価の脂環式炭化水素基、又は2価の芳香族炭化水素基であり、B3が-O-及び*1-O-CO-以外の場合に2価の炭化水素基である。)
上記式(3)において、R1a及びR2aで表される1価の炭化水素基、並びにR3aで表される1価の有機基の具体例及び好ましい例については、式(1)中のR1、R2及びR3として例示した1価の炭化水素基、1価の有機基の具体例及び好ましい例と同様の基が挙げられる。R1a及びR2aは、好ましくは炭素数1~6の1価の炭化水素基であり、より好ましくは炭素数1~5のアルキル基及びフェニル基であり、更に好ましくは炭素数1~3のアルキル基である。R3aは、好ましくは水素原子、炭素数1~5のアルキル基、フェニル基又は熱脱離性基であり、より好ましくは水素原子、炭素数1~3のアルキル基又はtert-ブトキシカルボニル基である。
B3及びB4の具体例及び好ましい例については、式(1)中のB1及びB2の説明が適用される。Yで表される2価の炭化水素基の具体例としては、式(1)のXで表される基としれ例示した基と同様の基が挙げられる。
B3が-O-の場合、Yは、液晶配向性の改善効果を高くする観点から、炭素数1若しくは2のアルカンジイル基、炭素数4以上の脂肪族炭化水素環を有する2価の脂環式炭化水素基、又は2価の芳香族炭化水素基であることが好ましい。炭素数4以上の脂肪族炭化水素環を有する2価の脂環式炭化水素基としては、良好な液晶配向性及び高い膜密度を実現する観点から、シクロヘキサン環を有することが好ましい。B3が-O-の場合、Yは、これらの中でも、メチレン基又はエチレン基であることがより好ましい。
B3が*1-O-CO-の場合、Yは、炭素数1~5の直鎖状のアルカンジイル基が好ましく、メチレン基又はエチレン基がより好ましい。B3が-O-及び*1-O-CO-以外の場合、Yは、炭素数1~10の鎖状炭化水素基、炭素数3~10の脂環式炭化水素基又は炭素数6~12の芳香族炭化水素基が好ましく、液晶配向性をより優れたものとすることができる点及び膜密度を高くできる点で、炭素数1~5の直鎖状のアルカンジイル基がより好ましく、メチレン基又はエチレン基が更に好ましい。
式(3)で表されるジアミンは、下記式(3A)で表される化合物が特に好ましい。
(式(3A)中、Z3及びZ4は、それぞれ独立して、-OR1a又は-NR2aR3aで表される基である。k3及びk4は、それぞれ独立して1又は2である。k3が2の場合、複数のZ3は同一又は異なる。k4が2の場合、複数のZ4は同一又は異なる。R1a、R2a、R3a、B3、B4及びYは上記式(3)と同義である。)
式(3)で表されるジアミンの具体例としては、上記式(4-1)~式(4-3)、式(4-6)、式(4-10)及び式(4-23)においてnが1又は2である化合物;上記式(4-13)、(4-18)及び(4-22)のそれぞれで表される化合物等が挙げられる。
重合体[A]は、液晶との親和性及び機械的強度が高く、かつ信頼性の高い液晶配向膜を形成できる点で、中でも、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル及びポリイミドよりなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。
・ポリアミック酸
重合体[A]がポリアミック酸である場合、当該ポリアミック酸(以下、「ポリアミック酸[A]」ともいう)は、テトラカルボン酸二無水物と、特定ジアミンを含むジアミン化合物とを反応させることにより得ることができる。
重合体[A]がポリアミック酸である場合、当該ポリアミック酸(以下、「ポリアミック酸[A]」ともいう)は、テトラカルボン酸二無水物と、特定ジアミンを含むジアミン化合物とを反応させることにより得ることができる。
(テトラカルボン酸二無水物)
ポリアミック酸[A]の合成に使用するテトラカルボン酸二無水物としては、例えば脂肪族テトラカルボン酸二無水物及び芳香族テトラカルボン酸二無水物等を挙げることができる。脂肪族テトラカルボン酸二無水物としては、鎖状テトラカルボン酸二無水物及び脂環式テトラカルボン酸二無水物が挙げられる。
ポリアミック酸[A]の合成に使用するテトラカルボン酸二無水物としては、例えば脂肪族テトラカルボン酸二無水物及び芳香族テトラカルボン酸二無水物等を挙げることができる。脂肪族テトラカルボン酸二無水物としては、鎖状テトラカルボン酸二無水物及び脂環式テトラカルボン酸二無水物が挙げられる。
これらの具体例としては、鎖状テトラカルボン酸二無水物として、1,2,3,4-ブタンテトラカルボン酸二無水物、エチレンジアミン四酢酸二無水物等が挙げられる。脂環式テトラカルボン酸二無水物としては、1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、置換シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、2,3,5-トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物、5-(2,5-ジオキソテトラヒドロフラン-3-イル)-3a,4,5,9b-テトラヒドロナフト[1,2-c]フラン-1,3-ジオン、5-(2,5-ジオキソテトラヒドロフラン-3-イル)-8-メチル-3a,4,5,9b-テトラヒドロナフト[1,2-c]フラン-1,3-ジオン、2,4,6,8-テトラカルボキシビシクロ[3.3.0]オクタン-2:4,6:8-二無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物等、3,5,6-トリカルボキシ-2-カルボキシメチルノルボルナン-2:3,5:6-二無水物等が挙げられる。
芳香族テトラカルボン酸二無水物としては、ピロメリット酸二無水物、4,4’-(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物、エチレングリコールビスアンヒドロトリメート、4,4’-(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物、4,4’-カルボニルジフタル酸無水物、3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物等を挙げることができる。また、ポリアミック酸[A]の合成に使用するテトラカルボン酸二無水物としては、特開2010-97188号公報に記載のテトラカルボン酸二無水物を用いることができる。テトラカルボン酸二無水物としては、1種を単独で又は2種以上組み合わせて使用できる。
ポリアミック酸[A](ひいては重合体[A])の合成に使用するテトラカルボン酸二無水物は、溶解性が高く、かつ良好な液晶配向性及び電気特性を示す液晶配向膜を得ることができる点で、脂肪族テトラカルボン酸二無水物を含むことが好ましく、脂環式テトラカルボン酸二無水物を含むことがより好ましい。重合体[A]における脂肪族テトラカルボン酸二無水物に由来する構造単位の割合は、重合体[A]が有するテトラカルボン酸二無水物に由来する構造単位の全量に対して、20モル%以上であることが好ましく、40モル%以上であることがより好ましく、50モル%以上であることが更に好ましい。
光配向性に優れた重合体としつつ、特定ジアミンとの併用により光配向処理後にも輝点の発生を少なくできる点で、重合体[A]は中でも、置換シクロブタンテトラカルボン酸二無水物に由来する構造単位を含むことが好ましい。具体的には、重合体[A]は、下記式(4)で表される部分構造を有する構造単位を含むことが好ましい。
(式(4)中、R11、R12、R13及びR14は、それぞれ独立して、水素原子又は置換基である。ただし、R11、R12、R13及びR14のうち1つ以上は置換基である。「*」は結合手を表す。)
式(4)において、R11、R12、R13及びR14で表される置換基(すなわち、置換シクロブタンテトラカルボン酸二無水物が有する置換基)としては、炭素数1~6のアルキル基、炭素数1~6のハロゲン化アルキル基、炭素数1~6のアルコキシ基、炭素数1~6のハロゲン化アルコキシ基、ハロゲン原子等が挙げられる。これらのうち、R11、R12、R13及びR14で表される置換基は、炭素数1~3のアルキル基、炭素数1~3のハロゲン化アルキル基、炭素数1~3のアルコキシ基、炭素数1~3のハロゲン化アルコキシ基、又はハロゲン原子であることが好ましく、炭素数1~3のアルキル基、炭素数1~3のフルオロアルキル基又はフッ素原子であることがより好ましく、メチル基が特に好ましい。
式(4)で表される部分構造を有するテトラカルボン酸二無水物の具体例としては、1-メチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,3-ジメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2-ジメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3-トリメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4-テトラメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1-エチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,3-ジエチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1-エチル-3-メチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,3-ジメトキシ-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,3-ジエトキシ-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1-トリフルオロメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,3-ジ(トリフルオロメチル)-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,3-ジ(トリフルオロメトキシ)-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3-トリ(トリフルオロメチル)-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4-テトラ(トリフルオロメチル)-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物等が挙げられる。
重合体[A]が置換シクロテトラカルボン酸二無水物に由来する構造単位を含む場合、置換シクロテトラカルボン酸二無水物に由来する構造単位の割合は、重合体[A]が有するテトラカルボン酸二無水物に由来する構造単位の全量に対して、20モル%以上であることが好ましく、40モル%以上であることがより好ましく、60モル%以上であることが更に好ましい。
(ジアミン化合物)
ポリアミック酸[A]の合成に使用されるジアミン化合物は、特定ジアミンのみであってもよいが、特定ジアミンとともに、部分構造(a)を有しないジアミン(以下、「その他のジアミン」ともいう)を使用してもよい。その他のジアミンとしては、脂肪族ジアミン、芳香族ジアミン及びジアミノオルガノシロキサン等が挙げられる。脂肪族ジアミンとしては、鎖状ジアミン及び脂環式ジアミンが挙げられる。
ポリアミック酸[A]の合成に使用されるジアミン化合物は、特定ジアミンのみであってもよいが、特定ジアミンとともに、部分構造(a)を有しないジアミン(以下、「その他のジアミン」ともいう)を使用してもよい。その他のジアミンとしては、脂肪族ジアミン、芳香族ジアミン及びジアミノオルガノシロキサン等が挙げられる。脂肪族ジアミンとしては、鎖状ジアミン及び脂環式ジアミンが挙げられる。
その他のジアミンの具体例としては、鎖状ジアミンとして、メタキシリレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等を;脂環式ジアミンとして、1,4-ジアミノシクロヘキサン、4,4’-メチレンビス(シクロヘキシルアミン)等を;芳香族ジアミンとして、p-フェニレンジアミン、1,4-ジアミノ-2,5-ジメチルベンゼン、4,4’-ジアミノジフェニルメタン、4,4’-ジアミノジフェニルエタン、4-アミノフェニル-4-アミノベンゾエート、4,4’-ジアミノアゾベンゼン、3,5-ジアミノ安息香酸、1,5-ビス(4-アミノフェノキシ)ペンタン、1,2-ビス(4-アミノフェノキシ)エタン、1,3-ビス(4-アミノフェノキシ)プロパン、1,6-ビス(4-アミノフェノキシ)ヘキサン、6,6’-(ペンタメチレンジオキシ)ビス(3-アミノピリジン)、N,N’-ジ(5-アミノ-2-ピリジル)-N,N’-ジ(tert-ブトキシカルボニル)エチレンジアミン、ビス[2-(4-アミノフェニル)エチル]ヘキサン二酸、4,4’-ジアミノジフェニルエーテル、4,4’-ジアミノジフェニルアミン、4,4’-ジアミノジフェネチルウレア、2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]プロパン、2,2-ビス(4-アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、1,4-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン、4,4’-ビス(4-アミノフェノキシ)ビフェニル、2,2’-ジメチル-4,4’-ジアミノビフェニル、4,4’-(フェニレンジイソプロピリデン)ビスアニリン、2,6-ジアミノピリジン、2,4-ジアミノピリミジン、3,6-ジアミノカルバゾール、N-メチル-3,6-ジアミノカルバゾール、3,6-ジアミノアクリジン、ジフェニルアミン構造含有モノマー、下記式(D-1)
(式(D-1)中、R21及びR22は、それぞれ独立して、アルカンジイル基である。R23は、水素原子、炭素数1~3のアルキル基又は熱脱離性基である。n1は1~3の整数である。n1が2又は3の場合、複数のR22は互いに同一又は異なり、複数のR23は互いに同一又は異なる。)
で表される化合物等の主鎖型ジアミン;
ヘキサデカノキシ-2,4-ジアミノベンゼン、オクタデカノキシ-2,4-ジアミノベンゼン、オクタデカノキシ-2,5-ジアミノベンゼン、コレスタニルオキシ-3,5-ジアミノベンゼン、コレステリルオキシ-3,5-ジアミノベンゼン、コレスタニルオキシ-2,4-ジアミノベンゼン、コレステリルオキシ-2,4-ジアミノベンゼン、3,5-ジアミノ安息香酸コレスタニル、3,5-ジアミノ安息香酸コレステリル、3,5-ジアミノ安息香酸ラノスタニル、3,6-ビス(4-アミノベンゾイルオキシ)コレスタン、3,6-ビス(4-アミノフェノキシ)コレスタン、4-(4’-トリフルオロメトキシベンゾイロキシ)シクロヘキシル-3,5-ジアミノベンゾエート、1,1-ビス(4-((アミノフェニル)メチル)フェニル)-4-ブチルシクロヘキサン、3,5-ジアミノ安息香酸=5ξ-コレスタン-3-イル、下記式(E-1)
(式(E-1)中、XI及びXIIは、それぞれ独立して、単結合、-O-、*-COO-又は*-OCO-(ただし、「*」はジアミノフェニル基側との結合手を示す。)である。RIは、炭素数1~3のアルカンジイル基である。RIIは、単結合又は炭素数1~3のアルカンジイル基である。RIIIは、炭素数1~20のアルキル基、アルコキシ基、フルオロアルキル基、又はフルオロアルコキシ基である。aは0又は1である。bは0~3の整数である。cは0~2の整数である。dは0又は1である。ただし、1≦a+b+c≦3である。)
で表される化合物等の側鎖型ジアミン等を、
ジアミノオルガノシロキサンとして、1,3-ビス(3-アミノプロピル)-テトラメチルジシロキサン等を、それぞれ挙げることができる。
で表される化合物等の主鎖型ジアミン;
ヘキサデカノキシ-2,4-ジアミノベンゼン、オクタデカノキシ-2,4-ジアミノベンゼン、オクタデカノキシ-2,5-ジアミノベンゼン、コレスタニルオキシ-3,5-ジアミノベンゼン、コレステリルオキシ-3,5-ジアミノベンゼン、コレスタニルオキシ-2,4-ジアミノベンゼン、コレステリルオキシ-2,4-ジアミノベンゼン、3,5-ジアミノ安息香酸コレスタニル、3,5-ジアミノ安息香酸コレステリル、3,5-ジアミノ安息香酸ラノスタニル、3,6-ビス(4-アミノベンゾイルオキシ)コレスタン、3,6-ビス(4-アミノフェノキシ)コレスタン、4-(4’-トリフルオロメトキシベンゾイロキシ)シクロヘキシル-3,5-ジアミノベンゾエート、1,1-ビス(4-((アミノフェニル)メチル)フェニル)-4-ブチルシクロヘキサン、3,5-ジアミノ安息香酸=5ξ-コレスタン-3-イル、下記式(E-1)
で表される化合物等の側鎖型ジアミン等を、
ジアミノオルガノシロキサンとして、1,3-ビス(3-アミノプロピル)-テトラメチルジシロキサン等を、それぞれ挙げることができる。
上記式(D-1)で表される化合物としては、例えば下記式(D-1-1)~式(D-1-3)のそれぞれで表される化合物等が挙げられる。上記式(E-1)で表される化合物としては、例えば下記式(E-1-1)~式(E-1-4)のそれぞれで表される化合物等が挙げられる。その他のジアミンとしては、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
ポリアミック酸[A]において、特定ジアミンに由来する構造単位の割合は、液晶配向膜の液晶配向性、密着性及び打鍵耐久性の改善効果を十分に高め、かつ液晶素子の輝点発生を十分に抑制する観点から、ポリアミック酸[A]が有するジアミン化合物に由来する構造単位の全量に対して、5モル%以上であることが好ましく、10モル%以上であることがより好ましく、15モル%以上であることが更に好ましい。特定ジアミンとしては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
・ポリアミック酸の合成
ポリアミック酸[A]は、テトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物とを、必要に応じて分子量調整剤とともに反応させることにより得ることができる。ポリアミック酸[A]の合成反応において、テトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物との使用割合は、ジアミン化合物のアミノ基1当量に対して、テトラカルボン酸二無水物の酸無水物基が0.2~2当量となる割合が好ましい。分子量調整剤としては、例えば無水マレイン酸、無水フタル酸、無水イタコン酸等の酸一無水物、アニリン、シクロヘキシルアミン、n-ブチルアミン等のモノアミン化合物、フェニルイソシアネート、ナフチルイソシアネート等のモノイソシアネート化合物等を挙げることができる。分子量調整剤の使用割合は、使用するテトラカルボン酸二無水物及びジアミン化合物の合計100質量部に対して、20質量部以下とすることが好ましい。
ポリアミック酸[A]は、テトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物とを、必要に応じて分子量調整剤とともに反応させることにより得ることができる。ポリアミック酸[A]の合成反応において、テトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物との使用割合は、ジアミン化合物のアミノ基1当量に対して、テトラカルボン酸二無水物の酸無水物基が0.2~2当量となる割合が好ましい。分子量調整剤としては、例えば無水マレイン酸、無水フタル酸、無水イタコン酸等の酸一無水物、アニリン、シクロヘキシルアミン、n-ブチルアミン等のモノアミン化合物、フェニルイソシアネート、ナフチルイソシアネート等のモノイソシアネート化合物等を挙げることができる。分子量調整剤の使用割合は、使用するテトラカルボン酸二無水物及びジアミン化合物の合計100質量部に対して、20質量部以下とすることが好ましい。
ポリアミック酸[A]の合成反応は、好ましくは有機溶媒中で行われる。このときの反応温度は-20℃~150℃が好ましく、反応時間は0.1~24時間が好ましい。反応に使用する有機溶媒としては、例えば非プロトン性極性溶媒、フェノール系溶媒、アルコール系溶媒、ケトン系溶媒、エステル系溶媒、エーテル系溶媒、ハロゲン化炭化水素、炭化水素等を挙げることができる。これらの具体例としては、N-メチル-2-ピロリドン、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、γ-ブチロラクトン、テトラメチル尿素、ヘキサメチルホスホルトリアミド、m-クレゾール、キシレノール及びハロゲン化フェノールよりなる群から選択される1種以上を反応溶媒として使用するか、あるいはこれらの1種以上と、他の有機溶媒(例えばブチルセロソルブ、ジエチレングリコールジエチルエーテル等)との混合物を使用することが好ましい。有機溶媒の使用量は、テトラカルボン酸二無水物及びジアミンの合計量が、反応溶液の全量に対して0.1~50質量%になる量とすることが好ましい。
以上の反応により、ポリアミック酸[A]を溶解してなる重合体溶液が得られる。この重合体溶液は、そのまま液晶配向剤の調製に供してもよく、重合体溶液中に含まれるポリアミック酸[A]を単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。
・ポリアミック酸エステル
重合体[A]がポリアミック酸エステルである場合、当該ポリアミック酸エステル(以下、「ポリアミック酸エステル[A]」ともいう)は、例えば、[I]ポリアミック酸[A]とエステル化剤とを反応させる方法、[II]テトラカルボン酸ジエステルと、特定ジアミンを含むジアミン化合物とを反応させる方法、[III]テトラカルボン酸ジエステルジハロゲン化物と、特定ジアミンを含むジアミン化合物とを反応させる方法、等によって得ることができる。ポリアミック酸エステル[A]は、アミック酸エステル構造のみを有していてもよく、アミック酸構造とアミック酸エステル構造とが併存する部分エステル化物であってもよい。ポリアミック酸エステル[A]を溶解してなる反応溶液は、そのまま液晶配向剤の調製に供してもよく、反応溶液中に含まれるポリアミック酸エステル[A]を単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。
重合体[A]がポリアミック酸エステルである場合、当該ポリアミック酸エステル(以下、「ポリアミック酸エステル[A]」ともいう)は、例えば、[I]ポリアミック酸[A]とエステル化剤とを反応させる方法、[II]テトラカルボン酸ジエステルと、特定ジアミンを含むジアミン化合物とを反応させる方法、[III]テトラカルボン酸ジエステルジハロゲン化物と、特定ジアミンを含むジアミン化合物とを反応させる方法、等によって得ることができる。ポリアミック酸エステル[A]は、アミック酸エステル構造のみを有していてもよく、アミック酸構造とアミック酸エステル構造とが併存する部分エステル化物であってもよい。ポリアミック酸エステル[A]を溶解してなる反応溶液は、そのまま液晶配向剤の調製に供してもよく、反応溶液中に含まれるポリアミック酸エステル[A]を単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。
・ポリイミド
重合体[A]がポリイミドである場合、当該ポリイミド(以下、「ポリイミド[A]」ともいう)は、例えば上記の如くして合成されたポリアミック酸[A]を脱水閉環してイミド化することにより得ることができる。ポリイミド[A]は、その前駆体であるポリアミック酸[A]が有していたアミック酸構造の全てを脱水閉環した完全イミド化物であってもよく、アミック酸構造の一部のみを脱水閉環し、アミック酸構造とイミド環構造とが併存する部分イミド化物であってもよい。ポリイミド[A]は、イミド化率が20~99%であることが好ましく、30~90%であることがより好ましい。なお、イミド化率は、ポリイミドのアミック酸構造の数とイミド環構造の数との合計に対するイミド環構造の数の占める割合を百分率で表したものである。ここで、イミド環の一部がイソイミド環であってもよい。
重合体[A]がポリイミドである場合、当該ポリイミド(以下、「ポリイミド[A]」ともいう)は、例えば上記の如くして合成されたポリアミック酸[A]を脱水閉環してイミド化することにより得ることができる。ポリイミド[A]は、その前駆体であるポリアミック酸[A]が有していたアミック酸構造の全てを脱水閉環した完全イミド化物であってもよく、アミック酸構造の一部のみを脱水閉環し、アミック酸構造とイミド環構造とが併存する部分イミド化物であってもよい。ポリイミド[A]は、イミド化率が20~99%であることが好ましく、30~90%であることがより好ましい。なお、イミド化率は、ポリイミドのアミック酸構造の数とイミド環構造の数との合計に対するイミド環構造の数の占める割合を百分率で表したものである。ここで、イミド環の一部がイソイミド環であってもよい。
ポリアミック酸[A]の脱水閉環は、好ましくはポリアミック酸[A]を有機溶媒に溶解し、この溶液中に脱水剤及び脱水閉環触媒を添加し、必要に応じて加熱する方法により行われる。この方法において、脱水剤としては、例えば無水酢酸、無水プロピオン酸、無水トリフルオロ酢酸等の酸無水物を用いることができる。脱水剤の使用量は、ポリアミック酸[A]のアミック酸構造の1モルに対して0.01~20モルとすることが好ましい。脱水閉環触媒としては、例えばピリジン、コリジン、ルチジン、トリエチルアミン等の3級アミンを用いることができる。脱水閉環触媒の使用量は、使用する脱水剤1モルに対して0.01~10モルとすることが好ましい。脱水閉環反応に用いられる有機溶媒としては、ポリアミック酸[A]の合成に用いられるものとして例示した有機溶媒を挙げることができる。脱水閉環反応の反応温度は、好ましくは0~180℃である。反応時間は、好ましくは1.0~120時間である。なお、ポリイミド[A]を含有する反応溶液は、そのまま液晶配向剤の調製に供してもよく、ポリイミド[A]を単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。
液晶配向膜の力学的強度をより高くできる点で、重合体[A]としては中でもポリイミド[A]を好ましく使用できる。本発明者の検討によると、ポリアミック酸をイミド化した場合、液晶配向膜の力学的強度が低下したり密着性が低下したりする傾向がある。その一方で、ポリイミドはポリアミック酸よりも溶解性が低く、塗布性不良や膜の不均一性等を引き起こしやすいことが懸念される。この点、部分構造(a)を有するポリイミド[A]は良好な溶解性を示すため、塗布性の低下や膜均一性の低下を抑制しながら力学的強度が高い液晶配向膜を形成することができる。
液晶配向剤の調製に使用する重合体[A]の溶液粘度は、濃度10質量%の溶液としたときに10~800mPa・sの溶液粘度を持つものであることが好ましく、15~500mPa・sの溶液粘度を持つものであることがより好ましい。なお、溶液粘度(mPa・s)は、重合体[A]の良溶媒(例えばγ-ブチロラクトン、N-メチル-2-ピロリドン等)を用いて調製した濃度10質量%の重合体溶液につき、E型回転粘度計を用いて25℃において測定した値である。
重合体[A]のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定されるポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは1,000~500,000であり、より好ましくは2,000~300,000である。また、Mwと、GPCにより測定したポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)との比で表される分子量分布(Mw/Mn)は、好ましくは7以下であり、より好ましくは5以下である。なお、液晶配向剤の調製に際し、重合体[A]としては1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
<その他の成分>
液晶配向剤は、重合体[A]のほか、必要に応じて、重合体[A]とは異なる成分(以下「その他の成分」ともいう)を含有していてもよい。
液晶配向剤は、重合体[A]のほか、必要に応じて、重合体[A]とは異なる成分(以下「その他の成分」ともいう)を含有していてもよい。
・重合体[B]
本開示の液晶配向剤は、重合体成分として、部分構造(a)を有しない重合体(以下「重合体[B]」ともいう)を更に含有してもよい。重合体[B]の主骨格は特に限定されない。その他の重合体としては、例えば、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、ポリオルガノシロキサン、ポリエステル、ポリエナミン、ポリウレア、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾオキサゾール前駆体、ポリベンゾオキサゾール、セルロース誘導体、ポリアセタール、(メタ)アクリル系重合体、スチレン系重合体、マレイミド系重合体、スチレン-マレイミド系共重合体等が挙げられる。信頼性の高い液晶素子を得る観点から、重合体[B]は、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、ポリオルガノシロキサン、及び重合性不飽和炭素-炭素結合を有する単量体に由来する構造単位を含む重合体よりなる群から選択される少なくとも1種が好ましい。重合性不飽和炭素-炭素結合を有する単量体に由来する構造単位を含む重合体としては、(メタ)アクリル系重合体、スチレン系重合体、マレイミド系重合体、及びスチレン-マレイミド系共重合体等が挙げられる。
本開示の液晶配向剤は、重合体成分として、部分構造(a)を有しない重合体(以下「重合体[B]」ともいう)を更に含有してもよい。重合体[B]の主骨格は特に限定されない。その他の重合体としては、例えば、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、ポリオルガノシロキサン、ポリエステル、ポリエナミン、ポリウレア、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾオキサゾール前駆体、ポリベンゾオキサゾール、セルロース誘導体、ポリアセタール、(メタ)アクリル系重合体、スチレン系重合体、マレイミド系重合体、スチレン-マレイミド系共重合体等が挙げられる。信頼性の高い液晶素子を得る観点から、重合体[B]は、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、ポリオルガノシロキサン、及び重合性不飽和炭素-炭素結合を有する単量体に由来する構造単位を含む重合体よりなる群から選択される少なくとも1種が好ましい。重合性不飽和炭素-炭素結合を有する単量体に由来する構造単位を含む重合体としては、(メタ)アクリル系重合体、スチレン系重合体、マレイミド系重合体、及びスチレン-マレイミド系共重合体等が挙げられる。
重合体[B]を液晶配向剤に含有させる場合、重合体[B]の含有割合は、重合体[A]と重合体[B]との合計量に対して、1質量%以上が好ましく、2質量%以上がより好ましい。また、重合体[B]の含有割合は、重合体[A]と重合体[B]との合計量に対して、95質量%以下が好ましく、90質量%以下がより好ましい。重合体[B]としては、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用できる。
・溶剤
本開示の液晶配向剤は、重合体[A]及び必要に応じて使用されるその他の成分が、好ましくは適当な溶媒中に分散又は溶解してなる液状の組成物として調製される。
本開示の液晶配向剤は、重合体[A]及び必要に応じて使用されるその他の成分が、好ましくは適当な溶媒中に分散又は溶解してなる液状の組成物として調製される。
溶剤としては有機溶媒が好ましく使用される。その具体例としては、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、1,2-ジメチル-2-イミダゾリジノン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、フェノール、γ-ブチロラクトン、γ-ブチロラクタム、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、4-ヒドロキシ-4-メチル-2-ペンタノン、ジアセトンアルコール、1-ヘキサノール、2-ヘキサノール、プロパン-1,2-ジオール、3-メトキシ-1-ブタノール、エチレングリコールモノメチルエーテル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、プロピオン酸エチル、メチルメトキシプロピオネ-ト、エチルエトキシプロピオネ-ト、エチレングリコールメチルエーテル、エチレングリコールエチルエーテル、エチレングリコール-n-プロピルエーテル、エチレングリコール-i-プロピルエーテル、エチレングリコール-n-ブチルエーテル(ブチルセロソルブ)、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジイソブチルケトン、イソアミルプロピオネート、イソアミルイソブチレート、ジイソペンチルエーテル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)、ジエチレングリコールジエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、プロピレングリコールジアセテート、シクロペンタノン、シクロヘキサノン等を挙げることができる。溶剤としては、1種を単独で又は2種以上を混合して使用することができる。
液晶配向剤に含有されるその他の成分としては、上記のほか、例えば、架橋剤、酸化防止剤、金属キレート化合物、硬化促進剤、界面活性剤、充填剤、分散剤、光増感剤等が挙げられる。その他の成分の配合割合は、本開示の効果を損なわない範囲で各化合物に応じて適宜選択することができる。
液晶配向剤における固形分濃度(液晶配向剤の溶媒以外の成分の合計質量が液晶配向剤の全質量に占める割合)は、粘性、揮発性等を考慮して適宜に選択される。液晶配向剤の固形分濃度は、好ましくは1~10質量%の範囲である。固形分濃度が1質量%以上であると、塗膜の膜厚を十分に確保でき、より良好な液晶配向性を示す液晶配向膜を得ることができる点で好適である。一方、固形分濃度が10質量%以下であると、塗膜を適度な厚みとすることができ、良好な液晶配向性を示す液晶配向膜が得られやすく、また、液晶配向剤の粘性が適度となり塗布性を良好にできる傾向がある。
≪液晶配向膜及びその製造方法≫
本開示の液晶配向膜は、上記のように調製された液晶配向剤により製造される。本開示の液晶配向膜は、重合体[A]を含有する液晶配向剤により塗膜を形成する工程(塗膜形成工程)と、その塗膜に光照射を行って液晶配向能を付与する工程(光配向処理工程)と、を含む方法により製造されることが好ましい。
本開示の液晶配向膜は、上記のように調製された液晶配向剤により製造される。本開示の液晶配向膜は、重合体[A]を含有する液晶配向剤により塗膜を形成する工程(塗膜形成工程)と、その塗膜に光照射を行って液晶配向能を付与する工程(光配向処理工程)と、を含む方法により製造されることが好ましい。
・塗膜形成工程
液晶配向膜の製造に際しては、まず、基板上に液晶配向剤を塗布し、好ましくは塗布面を加熱することにより基板上に塗膜を形成する。基板としては、例えばフロートガラス、ソーダガラス等のガラス;ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリ(脂環式オレフィン)等のプラスチックからなる透明基板を用いることができる。
液晶配向膜の製造に際しては、まず、基板上に液晶配向剤を塗布し、好ましくは塗布面を加熱することにより基板上に塗膜を形成する。基板としては、例えばフロートガラス、ソーダガラス等のガラス;ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリ(脂環式オレフィン)等のプラスチックからなる透明基板を用いることができる。
基板への液晶配向剤の塗布方法は特に限定されない。基板への液晶配向剤の塗布は、例えば、スピンコート方式、印刷方式(例えば、オフセット印刷方式、フレキソ印刷方式等)、インクジェット方式、スリットコート方式、バーコーター方式、エクストリューションダイ方式、ダイレクトグラビアコーター方式、チャンバードクターコーター方式、オフセットグラビアコーター方式、含浸コーター方式、MBコーター方式法等により行うことができる。
液晶配向剤を塗布した後、塗布した液晶配向剤の液垂れ防止等の目的で、好ましくは予備加熱(プレベーク)が実施される。プレベーク温度は、好ましくは30~200℃であり、プレベーク時間は、好ましくは0.25~10分である。その後、溶剤を完全に除去し、必要に応じて、重合体に存在するアミック酸構造を熱イミド化することを目的として焼成(ポストベーク)工程が実施される。このときの焼成温度(ポストベーク温度)は、好ましくは80~280℃であり、より好ましくは80~250℃である。ポストベーク時間は、好ましくは5~200分である。形成される膜の膜厚は、好ましくは0.001~1μmである。
・光配向処理工程
続いて、上記工程により形成された塗膜に対し、塗膜に光照射(放射線照射)を行って液晶配向能を付与する光配向処理を実施する。これにより光配向膜が得られる。光配向のための光照射は、ポストベーク工程後の塗膜に対して照射する方法、プレベーク工程後であってポストベーク工程前の塗膜に対して照射する方法、プレベーク工程及びポストベーク工程のいずれか一方又は両方における塗膜の加熱中に塗膜に対して照射する方法、等により行うことができる。
続いて、上記工程により形成された塗膜に対し、塗膜に光照射(放射線照射)を行って液晶配向能を付与する光配向処理を実施する。これにより光配向膜が得られる。光配向のための光照射は、ポストベーク工程後の塗膜に対して照射する方法、プレベーク工程後であってポストベーク工程前の塗膜に対して照射する方法、プレベーク工程及びポストベーク工程のいずれか一方又は両方における塗膜の加熱中に塗膜に対して照射する方法、等により行うことができる。
塗膜に照射する放射線としては、例えば150~800nmの波長の光を含む紫外線及び可視光線を用いることができる。好ましくは、200~400nmの波長の光を含む紫外線である。放射線が偏光である場合、直線偏光であっても部分偏光であってもよい。用いる放射線が直線偏光又は部分偏光である場合には、照射は基板面に垂直の方向から行ってもよく、斜め方向から行ってもよく、又はこれらを組み合わせて行ってもよい。非偏光の放射線の場合の照射方向は斜め方向とする。
使用する光源としては、例えば低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、重水素ランプ、メタルハライドランプ、アルゴン共鳴ランプ、キセノンランプ、エキシマーレーザー等が挙げられる。放射線の照射量は、好ましくは200~30,000J/m2であり、より好ましくは500~10,000J/m2である。配向能付与のための光照射後において、基板表面を、例えば水、有機溶媒(例えば、メタノール、イソプロピルアルコール、1-メトキシ-2-プロパノールアセテート、ブチルセロソルブ、乳酸エチル等)又はこれらの混合物を用いて洗浄する処理や、基板を加熱する処理を行ってもよい。
≪液晶素子≫
本開示の液晶素子は、上記で説明した液晶配向剤を用いて形成された液晶配向膜を備える。液晶素子における液晶の駆動方式は特に限定されず、例えばTN型、STN型、VA型(VA-MVA型、VA-PVA型等を含む)、IPS(In Plane Switching)型、FFS(Fringe Field Switching)型、OCB(Optically Compensated Bend)型、PSA型(Polymer Sustained Alignment)等の種々のモードに適用することができる。液晶素子は、例えば、上述した塗膜形成工程及び光配向処理工程、並びに以下のセル構築工程を含む方法により製造することができる。
本開示の液晶素子は、上記で説明した液晶配向剤を用いて形成された液晶配向膜を備える。液晶素子における液晶の駆動方式は特に限定されず、例えばTN型、STN型、VA型(VA-MVA型、VA-PVA型等を含む)、IPS(In Plane Switching)型、FFS(Fringe Field Switching)型、OCB(Optically Compensated Bend)型、PSA型(Polymer Sustained Alignment)等の種々のモードに適用することができる。液晶素子は、例えば、上述した塗膜形成工程及び光配向処理工程、並びに以下のセル構築工程を含む方法により製造することができる。
塗膜形成工程において使用する基板は、所望の動作モードによって異なる。例えば、TN型、STN型又はVA型の液晶素子を製造する場合には、パターニングされた透明導電膜が設けられている基板2枚を用いる。IPS型又はFFS型の液晶素子を製造する場合には、櫛歯型にパターニングされた電極が設けられている基板と、電極が設けられていない対向基板とを用いる。透明導電膜としては、酸化スズ(SnO2)からなるNESA膜(米国PPG社登録商標)、酸化インジウム-酸化スズ(In2O3-SnO2)からなるITO膜等を用いることができる。
・セル構築工程
セル構築工程では、上述した光配向処理工程により液晶配向膜が形成された基板を2枚準備し、対向配置した2枚の基板間に液晶を配置することにより液晶セルを製造する。液晶セルを製造するには、例えば、液晶配向膜が対向するように間隙を介して2枚の基板を対向配置し、2枚の基板の周辺部をシール剤により貼り合わせ、基板表面とシール剤で囲まれたセルギャップ内に液晶を注入充填し注入孔を封止する方法、ODF方式による方法等が挙げられる。シール剤としては、例えば硬化剤及びスペーサとしての酸化アルミニウム球を含有するエポキシ樹脂等を用いることができる。
セル構築工程では、上述した光配向処理工程により液晶配向膜が形成された基板を2枚準備し、対向配置した2枚の基板間に液晶を配置することにより液晶セルを製造する。液晶セルを製造するには、例えば、液晶配向膜が対向するように間隙を介して2枚の基板を対向配置し、2枚の基板の周辺部をシール剤により貼り合わせ、基板表面とシール剤で囲まれたセルギャップ内に液晶を注入充填し注入孔を封止する方法、ODF方式による方法等が挙げられる。シール剤としては、例えば硬化剤及びスペーサとしての酸化アルミニウム球を含有するエポキシ樹脂等を用いることができる。
液晶としては、ポジ型及びネガ型のいずれを用いてもよい。IPS型及びFFS型の液晶素子においてネガ型液晶を用いた場合、電極上部での透過損失を小さくでき、コントラスト向上を図ることができる点で好ましい。また、光照射よるポリマーの分解によって異方性を発現させ、これにより液晶配向能が膜に付与された光分解型の液晶配向膜では、ネガ液晶を用いて液晶素子を作製した場合に、放射線照射によって生じるポリマーの分解生成物に起因する表示不良(輝点)の発生率が高い傾向にある。これに対し、本開示の液晶配向剤によれば、輝点の発生が抑制された高品質な液晶素子を得ることができる。液晶としては、ネマチック液晶、スメクチック液晶を挙げることができ、中でもネマチック液晶が好ましい。
液晶表示装置を製造する場合、続いて、液晶セルの外側表面に偏光板を貼り合わせる。偏光板としては、ポリビニルアルコールを延伸配向させながらヨウ素を吸収させた「H膜」と称される偏光フィルムを酢酸セルロース保護膜で挟んだ偏光板又はH膜そのものからなる偏光板が挙げられる。
本開示の液晶素子は、種々の用途に有効に適用することができる。具体的には、例えば、時計、携帯型ゲーム機、ワープロ、ノート型パソコン、カーナビゲーションシステム、カムコーダー、PDA、デジタルカメラ、携帯電話機、スマートフォン、各種モニター、液晶テレビ、インフォメーションディスプレイ等の各種表示装置や、調光装置、位相差フィルム等として用いることができる。
以上説明した本開示によれば、以下の手段が提供される。
〔手段1〕 上記式(1)で表される部分構造(a)を有する重合体[A]を含有する液晶配向剤により塗膜を形成する工程と、前記塗膜に光照射を行って液晶配向能を付与する工程と、を含む、液晶配向膜の製造方法。
〔手段2〕 前記重合体[A]は、上記式(2)で表される化合物に由来する構造単位を有する、〔手段1〕に記載の液晶配向膜の製造方法。
〔手段3〕 前記重合体[A]は、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル及びポリイミドよりなる群から選択される少なくとも1種である、〔手段1〕又は〔手段2〕に記載の液晶配向膜の製造方法。
〔手段4〕 前記重合体[A]は、脂肪族テトラカルボン酸二無水物に由来する構造単位を有する、〔手段1〕~〔手段3〕のいずれかに記載の液晶配向膜の製造方法。
〔手段5〕 前記脂肪族テトラカルボン酸二無水物は、上記式(4)で表される部分構造を有する、〔手段4〕に記載の液晶配向膜の製造方法。
〔手段6〕 前記部分構造(a)を有しない重合体[B]を更に含有する、〔手段1〕~〔手段5〕のいずれかに記載の液晶配向膜の製造方法。
〔手段7〕 前記重合体[B]は、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル及びポリイミドよりなる群から選択される少なくとも1種である、〔手段6〕に記載の液晶配向膜の製造方法。
〔手段8〕 上記式(1)で表される部分構造(a)を有する重合体[A]を含有する、光配向剤。
〔手段9〕 〔手段1〕~〔手段7〕のいずれかに記載の方法により製造された液晶配向膜を備える液晶素子。
〔手段10〕 上記式(3)で表されるジアミンに由来する構造単位を含む重合体。
〔手段11〕 上記式(3)で表されるジアミン。
〔手段2〕 前記重合体[A]は、上記式(2)で表される化合物に由来する構造単位を有する、〔手段1〕に記載の液晶配向膜の製造方法。
〔手段3〕 前記重合体[A]は、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル及びポリイミドよりなる群から選択される少なくとも1種である、〔手段1〕又は〔手段2〕に記載の液晶配向膜の製造方法。
〔手段4〕 前記重合体[A]は、脂肪族テトラカルボン酸二無水物に由来する構造単位を有する、〔手段1〕~〔手段3〕のいずれかに記載の液晶配向膜の製造方法。
〔手段5〕 前記脂肪族テトラカルボン酸二無水物は、上記式(4)で表される部分構造を有する、〔手段4〕に記載の液晶配向膜の製造方法。
〔手段6〕 前記部分構造(a)を有しない重合体[B]を更に含有する、〔手段1〕~〔手段5〕のいずれかに記載の液晶配向膜の製造方法。
〔手段7〕 前記重合体[B]は、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル及びポリイミドよりなる群から選択される少なくとも1種である、〔手段6〕に記載の液晶配向膜の製造方法。
〔手段8〕 上記式(1)で表される部分構造(a)を有する重合体[A]を含有する、光配向剤。
〔手段9〕 〔手段1〕~〔手段7〕のいずれかに記載の方法により製造された液晶配向膜を備える液晶素子。
〔手段10〕 上記式(3)で表されるジアミンに由来する構造単位を含む重合体。
〔手段11〕 上記式(3)で表されるジアミン。
以下、実施例に基づき実施形態をより詳しく説明するが、以下の実施例によって本発明が限定的に解釈されるものではない。
以下の例において、重合体溶液中のポリイミドのイミド化率は以下の方法により測定した。
[ポリイミドのイミド化率]
ポリイミドの溶液を純水に投入し、得られた沈殿を室温で十分に減圧乾燥した後、重水素化ジメチルスルホキシドに溶解し、テトラメチルシランを基準物質として室温で1H-NMR測定を行った。得られた1H-NMRスペクトルから、下記数式(I)によりイミド化率[%]を求めた。
イミド化率[%]=(1-(A1/(A2×α)))×100 …(I)
(数式(I)中、A1は化学シフト10ppm付近に現れるNH基のプロトン由来のピーク面積であり、A2はその他のプロトン由来のピーク面積であり、αは重合体の前駆体(ポリアミック酸)におけるNH基のプロトン1個に対するその他のプロトンの個数割合である。)
[ポリイミドのイミド化率]
ポリイミドの溶液を純水に投入し、得られた沈殿を室温で十分に減圧乾燥した後、重水素化ジメチルスルホキシドに溶解し、テトラメチルシランを基準物質として室温で1H-NMR測定を行った。得られた1H-NMRスペクトルから、下記数式(I)によりイミド化率[%]を求めた。
イミド化率[%]=(1-(A1/(A2×α)))×100 …(I)
(数式(I)中、A1は化学シフト10ppm付近に現れるNH基のプロトン由来のピーク面積であり、A2はその他のプロトン由来のピーク面積であり、αは重合体の前駆体(ポリアミック酸)におけるNH基のプロトン1個に対するその他のプロトンの個数割合である。)
化合物の略号は以下の通りである。なお、以下では、式(X)で表される化合物(Xは記号)を単に「化合物(X)」と示すことがある。
還流管及び窒素導入管を備えた3つ口フラスコに、4-ニトログアヤコール(23.72g)、1,2-ビス(トシルオキシ)エタン(25.34g)、炭酸カリウム(23.63g)を入れて窒素置換した。そこに、ジメチルホルムアミド130mLを加え、80℃まで徐々に昇温し、6時間撹拌した。反応終了後、反応溶液に純水650mLを加え、1時間撹拌した。析出した結晶を減圧濾過し、粗生成物を水及び2-プロパノールで洗浄し、真空乾燥することで、粉末のジニトロ体中間生成物(23.25g,収率93%)を得た。
続いて、還流管及び窒素導入管を備えた3つ口フラスコに、ジニトロ体中間生成物(23.25g)、パラジウムカーボンを408mg入れ、窒素置換した。そこへ窒素バブリングにより脱気したテトラヒドロフラン65mL、エタノール65mLを加え、5℃に冷却しながら撹拌して懸濁溶液とした。懸濁溶液へヒドラジン一水和物18.5mLをゆっくりと滴下した。滴下後、60℃ まで徐々に昇温し、4時間撹拌した。反応溶液にテトラヒドロフランを加えて希釈し、セライト濾過した後に濃縮することで生成物を析出させた。得られた析出物をTHFで洗浄し、結晶を減圧濾過した。得られた結晶を水及び2-プロパノールで洗浄し、真空乾燥することにより、黄土色固体の化合物(DA-1)(16.04g,収率79%)を得た。その構造は、分子内水素原子の核磁気共鳴スペクトルである1H-NMRスペクトルにて確認した。測定データを以下に示す。
1H-NMR(400MHz,[D6]-DMSO)δ:6.67(d-d、2H)、6.26(d、2H)、6.04(d-d、2H)、4.70(s、4H)、4.01(s、4H)、3.66(s、6H).
続いて、還流管及び窒素導入管を備えた3つ口フラスコに、ジニトロ体中間生成物(23.25g)、パラジウムカーボンを408mg入れ、窒素置換した。そこへ窒素バブリングにより脱気したテトラヒドロフラン65mL、エタノール65mLを加え、5℃に冷却しながら撹拌して懸濁溶液とした。懸濁溶液へヒドラジン一水和物18.5mLをゆっくりと滴下した。滴下後、60℃ まで徐々に昇温し、4時間撹拌した。反応溶液にテトラヒドロフランを加えて希釈し、セライト濾過した後に濃縮することで生成物を析出させた。得られた析出物をTHFで洗浄し、結晶を減圧濾過した。得られた結晶を水及び2-プロパノールで洗浄し、真空乾燥することにより、黄土色固体の化合物(DA-1)(16.04g,収率79%)を得た。その構造は、分子内水素原子の核磁気共鳴スペクトルである1H-NMRスペクトルにて確認した。測定データを以下に示す。
1H-NMR(400MHz,[D6]-DMSO)δ:6.67(d-d、2H)、6.26(d、2H)、6.04(d-d、2H)、4.70(s、4H)、4.01(s、4H)、3.66(s、6H).
<重合体の合成>
1.ポリアミック酸の合成
[合成例1]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(TA-1)100モル部、ジアミン化合物として化合物(DA-1)40モル部、化合物(DB-5)40モル部及び化合物(DB-8)20モル部をN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に溶解し、室温で6時間反応を行い、ポリアミック酸(これを重合体(PA-1)とする)を15質量%含有する溶液を得た。
1.ポリアミック酸の合成
[合成例1]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(TA-1)100モル部、ジアミン化合物として化合物(DA-1)40モル部、化合物(DB-5)40モル部及び化合物(DB-8)20モル部をN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に溶解し、室温で6時間反応を行い、ポリアミック酸(これを重合体(PA-1)とする)を15質量%含有する溶液を得た。
[合成例2~9]
使用するテトラカルボン酸二無水物及びジアミン化合物の種類及び量を表1及び表2に記載のとおり変更した以外は合成例1と同様の操作を行い、ポリアミック酸(重合体(PA-2)~(PA-9))を15質量%含有する溶液を得た。
使用するテトラカルボン酸二無水物及びジアミン化合物の種類及び量を表1及び表2に記載のとおり変更した以外は合成例1と同様の操作を行い、ポリアミック酸(重合体(PA-2)~(PA-9))を15質量%含有する溶液を得た。
2.ポリイミドの合成
[合成例10]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(TA-1)90モル部及び化合物(TA-2)10モル部、ジアミン化合物として化合物(DA-1)100モル部をN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に溶解し、室温で6時間反応を行い、ポリアミック酸を15質量%含有する溶液を得た。次いで、得られたポリアミック酸溶液にNMPを追加してポリアミック酸濃度10質量%の溶液とし、ピリジン及び無水酢酸を添加して60℃で4時間脱水閉環反応を行った。脱水閉環反応後、系内の溶媒を新たなNMPで溶媒置換することにより、イミド化率約90%のポリイミド(これを重合体(PI-1)とする)を15質量%含有する溶液を得た。
[合成例10]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(TA-1)90モル部及び化合物(TA-2)10モル部、ジアミン化合物として化合物(DA-1)100モル部をN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に溶解し、室温で6時間反応を行い、ポリアミック酸を15質量%含有する溶液を得た。次いで、得られたポリアミック酸溶液にNMPを追加してポリアミック酸濃度10質量%の溶液とし、ピリジン及び無水酢酸を添加して60℃で4時間脱水閉環反応を行った。脱水閉環反応後、系内の溶媒を新たなNMPで溶媒置換することにより、イミド化率約90%のポリイミド(これを重合体(PI-1)とする)を15質量%含有する溶液を得た。
[合成例11~20]
使用するテトラカルボン酸二無水物及びジアミン化合物の種類及び量を表3に記載のとおり変更し、ピリジン及び無水酢酸の量を調整することでイミド化率を表3に記載の通りに合成することで、ポリイミド(重合体(PI-2)~(PI-11))を15質量%含有する溶液を得た。
使用するテトラカルボン酸二無水物及びジアミン化合物の種類及び量を表3に記載のとおり変更し、ピリジン及び無水酢酸の量を調整することでイミド化率を表3に記載の通りに合成することで、ポリイミド(重合体(PI-2)~(PI-11))を15質量%含有する溶液を得た。
<液晶配向剤の調製及び評価>
[実施例1]
1.液晶配向剤の調製
合成例1で得た重合体(PA-1)の溶液と、合成例3で得た重合体(PA-3)の溶液とを、重合体(PA-1)と重合体(PA-3)とが固形分で(PA-1)/(PA-3)=30/70(質量比)となるように混合し、NMP及びブチルセロソルブ(BC)により希釈して、溶媒組成がNMP/BC=80/20(質量比)、固形分濃度が3.5質量%の溶液とした。この溶液を孔径0.2μmのフィルターで濾過することにより液晶配向剤(AL-1)を調製した。
[実施例1]
1.液晶配向剤の調製
合成例1で得た重合体(PA-1)の溶液と、合成例3で得た重合体(PA-3)の溶液とを、重合体(PA-1)と重合体(PA-3)とが固形分で(PA-1)/(PA-3)=30/70(質量比)となるように混合し、NMP及びブチルセロソルブ(BC)により希釈して、溶媒組成がNMP/BC=80/20(質量比)、固形分濃度が3.5質量%の溶液とした。この溶液を孔径0.2μmのフィルターで濾過することにより液晶配向剤(AL-1)を調製した。
2.光配向法を用いたFFS型液晶表示素子の製造
平板電極(ボトム電極)、絶縁層及び櫛歯状電極(トップ電極)がこの順で片面に積層されたガラス基板(第1基板とする)、並びに電極が設けられていないガラス基板(第2基板とする)を準備した。次いで、第1基板の電極形成面及び第2基板の片面のそれぞれに、液晶配向剤(AL-1)をスピンナーにより塗布し、80℃のホットプレートで1分間加熱(プレベーク)した。その後、庫内を窒素置換した150℃のオーブンで30分間乾燥(ポストベーク)を行い、平均膜厚0.1μmの塗膜を形成した。得られた塗膜に対し、Hg-Xeランプを用いて、直線偏光された254nmの輝線を含む紫外線1,000J/m2を基板法線方向から照射して光配向処理を施した。なお、この照射量は、波長254nm基準で計測される光量計を用いて計測した値である。次いで、光配向処理が施された塗膜を、150℃のクリーンオーブンで30分加熱して熱処理を行い、液晶配向膜を形成した。
次に、液晶配向膜を形成した一対の基板のうちの一方の基板につき、液晶配向膜を有する面の外縁に、直径3.5μmの酸化アルミニウム球入りエポキシ樹脂接着剤をスクリーン印刷により塗布した。その後、光照射時の偏光軸の基板面への投影方向が逆平行となるように基板を重ね合わせて圧着し、150℃で1時間かけて接着剤を熱硬化させた。次いで、液晶注入口より一対の基板間にネガ型液晶(メルク社製、MLC-6608)を充填した後、エポキシ系接着剤で液晶注入口を封止し、液晶セルを得た。さらに、液晶注入時の流動配向を除くために、これを120℃で加熱してから室温まで徐冷した。その後、液晶セルにおける基板の外側両面に偏光板を貼り合わせ、液晶表示素子を得た。また、上記の一連の操作を、ポストベーク後の紫外線照射量を100~10,000J/m2の範囲でそれぞれ変更して実施することにより、紫外線照射量が異なる3個以上の液晶表示素子を製造し、最も良好な配向特性を示した露光量(最適露光量)の液晶表示素子を、以下の評価に用いた。
平板電極(ボトム電極)、絶縁層及び櫛歯状電極(トップ電極)がこの順で片面に積層されたガラス基板(第1基板とする)、並びに電極が設けられていないガラス基板(第2基板とする)を準備した。次いで、第1基板の電極形成面及び第2基板の片面のそれぞれに、液晶配向剤(AL-1)をスピンナーにより塗布し、80℃のホットプレートで1分間加熱(プレベーク)した。その後、庫内を窒素置換した150℃のオーブンで30分間乾燥(ポストベーク)を行い、平均膜厚0.1μmの塗膜を形成した。得られた塗膜に対し、Hg-Xeランプを用いて、直線偏光された254nmの輝線を含む紫外線1,000J/m2を基板法線方向から照射して光配向処理を施した。なお、この照射量は、波長254nm基準で計測される光量計を用いて計測した値である。次いで、光配向処理が施された塗膜を、150℃のクリーンオーブンで30分加熱して熱処理を行い、液晶配向膜を形成した。
次に、液晶配向膜を形成した一対の基板のうちの一方の基板につき、液晶配向膜を有する面の外縁に、直径3.5μmの酸化アルミニウム球入りエポキシ樹脂接着剤をスクリーン印刷により塗布した。その後、光照射時の偏光軸の基板面への投影方向が逆平行となるように基板を重ね合わせて圧着し、150℃で1時間かけて接着剤を熱硬化させた。次いで、液晶注入口より一対の基板間にネガ型液晶(メルク社製、MLC-6608)を充填した後、エポキシ系接着剤で液晶注入口を封止し、液晶セルを得た。さらに、液晶注入時の流動配向を除くために、これを120℃で加熱してから室温まで徐冷した。その後、液晶セルにおける基板の外側両面に偏光板を貼り合わせ、液晶表示素子を得た。また、上記の一連の操作を、ポストベーク後の紫外線照射量を100~10,000J/m2の範囲でそれぞれ変更して実施することにより、紫外線照射量が異なる3個以上の液晶表示素子を製造し、最も良好な配向特性を示した露光量(最適露光量)の液晶表示素子を、以下の評価に用いた。
3.液晶配向性の評価
上記2.で製造した液晶表示素子を、27,000cd/m2の高輝度バックライト上で500時間静置し、バックライトの照射前後におけるリタデーションの変化率αにより液晶配向性を評価した。リタデーションの測定は、オプトサイエンス社製Axoscanにより行い、下記数式(II)によりバックライト照射前後のリタデーションの変化率αを算出した。変化率αが小さいほど、液晶配向性が良好であるといえる。変化率αが0.5%以下であった場合を「優良(◎)」、0.5%よりも大きく1%以下であった場合を「良好(○)」、1%よりも大きく2%以下であった場合を「可(△)」、2%よりも大きかった場合を「不良(×)」とした。
α=Δθ/θ1 …(II)
(式(II)中、Δθは照射前後のリタデーション差を表し、θ1は照射前のリタデーション値を表す。)
その結果、この実施例の液晶配向性は「良好(○)」の評価であった。
上記2.で製造した液晶表示素子を、27,000cd/m2の高輝度バックライト上で500時間静置し、バックライトの照射前後におけるリタデーションの変化率αにより液晶配向性を評価した。リタデーションの測定は、オプトサイエンス社製Axoscanにより行い、下記数式(II)によりバックライト照射前後のリタデーションの変化率αを算出した。変化率αが小さいほど、液晶配向性が良好であるといえる。変化率αが0.5%以下であった場合を「優良(◎)」、0.5%よりも大きく1%以下であった場合を「良好(○)」、1%よりも大きく2%以下であった場合を「可(△)」、2%よりも大きかった場合を「不良(×)」とした。
α=Δθ/θ1 …(II)
(式(II)中、Δθは照射前後のリタデーション差を表し、θ1は照射前のリタデーション値を表す。)
その結果、この実施例の液晶配向性は「良好(○)」の評価であった。
4.液晶セルの輝点(輝点抑制性)の評価
上記2.で製造した液晶セルを偏光顕微鏡(ECLIPSE E600WPOL)(ニコン社製)で観察し、輝点抑制性の評価を実施した。具体的には、液晶セルを偏光軸が直交するように配置された2枚の偏光板の間に設置し、倍率を5倍にした偏光顕微鏡で液晶セルを観察した(観察領域:約2500μm×2500μm)。輝点の数が少ないほど、光配向処理による分解生成物が少なく良好であるといえる。輝点の数が100個以上の場合は「不良(×)」、10個以上100個未満の場合は「可(△)」、10個未満の場合は「良好(○)」とした。その結果、この実施例では「良好(○)」であった。
上記2.で製造した液晶セルを偏光顕微鏡(ECLIPSE E600WPOL)(ニコン社製)で観察し、輝点抑制性の評価を実施した。具体的には、液晶セルを偏光軸が直交するように配置された2枚の偏光板の間に設置し、倍率を5倍にした偏光顕微鏡で液晶セルを観察した(観察領域:約2500μm×2500μm)。輝点の数が少ないほど、光配向処理による分解生成物が少なく良好であるといえる。輝点の数が100個以上の場合は「不良(×)」、10個以上100個未満の場合は「可(△)」、10個未満の場合は「良好(○)」とした。その結果、この実施例では「良好(○)」であった。
5.打鍵試験による打鍵耐久性の評価
上記2.で製造した液晶表示素子につき、打鍵試験を実施した後の液晶配向性を評価した。評価は以下のようにして行った。打鍵試験機((株)タッチパネル研究所社製)の打鍵部(ソレノイド方式)に、ペン先の形状が半径3mmであるシリコーンゴムペン3R((株)タッチパネル研究所社製)をセットし、ペン先が液晶表示素子の中心位置となるように設置した。シリコーンゴムペンで荷重500g、10Hzにて1万回打鍵後、液晶表示素子を顕微鏡で観察(100倍)し、輝点数を計測した。輝点数が少ないほど、その液晶表示素子は打鍵耐久性に優れているといえる。輝点数が30個未満であった場合を「優良(◎)」、30個以上50個未満であった場合を「良好(○)」、50個以上100個未満であった場合を「可(△)」、100個以上であった場合を「不良(×)」と判定した。その結果、この実施例では「良好(○)」の評価であった。
上記2.で製造した液晶表示素子につき、打鍵試験を実施した後の液晶配向性を評価した。評価は以下のようにして行った。打鍵試験機((株)タッチパネル研究所社製)の打鍵部(ソレノイド方式)に、ペン先の形状が半径3mmであるシリコーンゴムペン3R((株)タッチパネル研究所社製)をセットし、ペン先が液晶表示素子の中心位置となるように設置した。シリコーンゴムペンで荷重500g、10Hzにて1万回打鍵後、液晶表示素子を顕微鏡で観察(100倍)し、輝点数を計測した。輝点数が少ないほど、その液晶表示素子は打鍵耐久性に優れているといえる。輝点数が30個未満であった場合を「優良(◎)」、30個以上50個未満であった場合を「良好(○)」、50個以上100個未満であった場合を「可(△)」、100個以上であった場合を「不良(×)」と判定した。その結果、この実施例では「良好(○)」の評価であった。
5.密着性の評価
上記1.で調製した液晶配向剤(AL-1)を、ガラス基板上にスピンナーを用いて塗布し、80℃のホットプレートで2分間プレベークを行った後、庫内を窒素置換した230℃のオーブンで30分加熱(ポストベーク)することにより、平均膜厚0.10μmの塗膜を形成した。これと同様の操作を繰り返すことにより、塗膜が形成されたガラス基板を2枚作製した。塗膜を形成した1枚のガラス基板の塗膜上に、ODFシール剤(積水化学社製、S-WB42)を幅が1mmになるように塗布し、もう一枚のガラス基板の塗膜とODFシール剤とが接触するように貼り合わせた。その後、メタルハライドランプを用いて30,000J/m2(365nm換算)の光を照射した後、120℃のオーブンで1時間加熱した。その後、引張圧縮試験機(今田製作所社製、型番:SDWS-0201-100SL)を用いて密着力を測定することにより膜の密着性を評価した。評価は、密着力が175N/cm2以上であった場合を「良好(○)」、125N/cm2以上175N/cm2未満であった場合を「可(△)」、125N/cm2未満であった場合を「不良(×)」とした。その結果、この実施例では密着力175N/cm2であり、密着性「良好(○)」の評価であった。
上記1.で調製した液晶配向剤(AL-1)を、ガラス基板上にスピンナーを用いて塗布し、80℃のホットプレートで2分間プレベークを行った後、庫内を窒素置換した230℃のオーブンで30分加熱(ポストベーク)することにより、平均膜厚0.10μmの塗膜を形成した。これと同様の操作を繰り返すことにより、塗膜が形成されたガラス基板を2枚作製した。塗膜を形成した1枚のガラス基板の塗膜上に、ODFシール剤(積水化学社製、S-WB42)を幅が1mmになるように塗布し、もう一枚のガラス基板の塗膜とODFシール剤とが接触するように貼り合わせた。その後、メタルハライドランプを用いて30,000J/m2(365nm換算)の光を照射した後、120℃のオーブンで1時間加熱した。その後、引張圧縮試験機(今田製作所社製、型番:SDWS-0201-100SL)を用いて密着力を測定することにより膜の密着性を評価した。評価は、密着力が175N/cm2以上であった場合を「良好(○)」、125N/cm2以上175N/cm2未満であった場合を「可(△)」、125N/cm2未満であった場合を「不良(×)」とした。その結果、この実施例では密着力175N/cm2であり、密着性「良好(○)」の評価であった。
[実施例2~12及び比較例1~3]
液晶配向剤の組成を表4のとおりに変更した以外は実施例1と同様にして液晶配向剤を調製した。また、得られた液晶配向剤を用いて、実施例1と同様にして光配向法によりFFS型液晶表示素子を製造し、液晶配向性、輝点抑制性、打鍵耐久性及び密着性の評価を行った。それらの結果を表4に示した。なお、実施例2、4、6、8~10、12及び比較例2、3では重合体成分として2種類の重合体を、実施例5、7及び11では重合体成分として3種類の重合体を使用した。表4中、重合体欄の数値は、液晶配向剤の調製に使用した重合体成分の全量100質量部に対する、各重合体の固形分での配合割合(質量部)を表す。
液晶配向剤の組成を表4のとおりに変更した以外は実施例1と同様にして液晶配向剤を調製した。また、得られた液晶配向剤を用いて、実施例1と同様にして光配向法によりFFS型液晶表示素子を製造し、液晶配向性、輝点抑制性、打鍵耐久性及び密着性の評価を行った。それらの結果を表4に示した。なお、実施例2、4、6、8~10、12及び比較例2、3では重合体成分として2種類の重合体を、実施例5、7及び11では重合体成分として3種類の重合体を使用した。表4中、重合体欄の数値は、液晶配向剤の調製に使用した重合体成分の全量100質量部に対する、各重合体の固形分での配合割合(質量部)を表す。
表4に示すように、重合体[A]を含む液晶配向剤を用いた実施例1~12は、重合体[A]を含まない液晶配向剤を用いた比較例1~3に比べて、液晶配向性、液晶セルの輝点抑制性、打鍵耐久性及び膜の密着性のバランスが取れており、良好な結果であった。
以上の結果から、重合体[A]を含む液晶配向剤によれば、液晶配向性、打鍵耐久性及び密着性に優れ、しかも液晶セルの輝点の発生が少ない液晶素子を得ることができることが明らかになった。
Claims (11)
- 下記式(1)で表される部分構造(a)を有する重合体[A]を含有する液晶配向剤により塗膜を形成する工程と、
前記塗膜に光照射を行って液晶配向能を付与する工程と、
を含む、液晶配向膜の製造方法。
- 前記重合体[A]は、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル及びポリイミドよりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1に記載の液晶配向膜の製造方法。
- 前記重合体[A]は、脂肪族テトラカルボン酸二無水物に由来する構造単位を有する、請求項3に記載の液晶配向膜の製造方法。
- 前記部分構造(a)を有しない重合体[B]を更に含有する、請求項1に記載の液晶配向膜の製造方法。
- 前記重合体[B]は、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル及びポリイミドよりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項6に記載の液晶配向膜の製造方法。
- 下記式(1)で表される部分構造(a)を有する重合体[A]を含有する、光配向剤。
- 請求項1~7のいずれか一項に記載の方法により製造された液晶配向膜を備える液晶素子。
- 下記式(3)で表されるジアミンに由来する構造単位を含む重合体。
- 下記式(3)で表されるジアミン。
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