JP3757514B2 - 液晶垂直配向膜の形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルコキシ基含有珪素化合物のポリマー溶液から形成される液晶表示装置内電極基板上の液晶垂直配向膜の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常用いられる液晶表示装置は、液晶とこれを挟んで相対する２枚の電極基板とからなる。従来より、液晶表示装置内の液晶分子を垂直に配向させるのに有効な方法として、液晶表示装置内の電極基板上に被膜を設ける方法が知られ、この被膜は液晶垂直配向膜と呼ばれている。そして改良された液晶垂直配向膜として、アルコキシ基含有シランを原料として用いるものが幾つか提案されている。
【０００３】
特開昭６１−１１７５２４号公報には、液晶層と接触する２枚の電極基板のうち少なくとも一方の面に、テトラブトキシチタン等有機金属化合物を塗布し、そして熱硬化させてなる下地膜上に、オクタデシルトリエトキシシラン等モノアルキルトリアルコキシシランを塗布し、そして熱硬化させてなる液晶垂直配向膜が開示されている。この公報は更に、その液晶垂直配向膜は、再現性良好な垂直配向性を有し、その下地膜は、この液晶垂直配向膜を安定させると共に、基板との接着性及び耐熱性を向上させることを説明している。
【０００４】
特開昭５７−４２０１９号公報には、テトラエトキシシラン、ジメチルジメトキシシランなど２〜４個のアルコキシ基を有するシランを酸触媒等による通常の加水分解及び縮合重合によってシラノール含有オリゴマーを生成させ、このオリゴマーと上記アルコキシ基含有シラン１モルに対して０．１７〜１０モルの比率のオクタデシルトリエトキシシラン等長鎖アルキル基とアルコキシ基含有シランとをエチルセロソルブ等溶剤に加えて塗布液を調製し、この塗布液を電極基板上に塗布し、次いでその塗膜を１００〜２５０℃で熱硬化させることにより垂直配向膜を形成させる方法が開示されている。そして同公報は、その塗布液は塗布性が優れると共に、加熱工程で配向能が低下せず、得られた配向膜は各種の液晶に対して優れた配向性を有することを説明している。
【０００５】
特開昭５７−５６８１９号公報には、酢酸、ギ酸などカルボン酸とテトラクロロシラン等ハロゲン化シランとを反応させることによりカルボン酸珪素を生成させ、減圧蒸留等で未反応酢酸を除去したカルボン酸珪素とエチルアルコール等アルコールとを反応させることによりシラノールオリゴマーの溶液を生成させ、次いで、このオリゴマー溶液に、珪素原子比で０．０１〜１０の比率にオクタデシルトリエトキシシラン、パーフロロアルキルシランなどアルキルシランを加えて２０〜８０℃で反応させることにより塗布液を調製し、この塗布液を電極基板の表面に塗布し、そしてその塗膜を１００〜３５０℃で熱硬化させることにより垂直配向膜を形成させる方法が開示されている。そして同公報は、この配向膜は、どのような液晶も垂直配向させることができ、配向が安定であって表示品質が高いことを説明している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこれら改良にかかる垂直配向膜、或いはその形成方法も未だ十分ではない。上記特開昭６１−１１７５２４号公報に記載の垂直配向膜の形成には、有機金属化合物の熱硬化物からなる下地膜を形成させる工程を必要とし、二度にわたる塗布及び加熱作業を要す。そしてその形成された垂直配向膜としても、十分な厚さを有するものが得られず、膜にはピンホールが生じやすく、そして膜の通電寿命は短い。
【０００７】
上記特開昭５７−４２０１９号公報に記載の垂直配向膜形成法によれば、十分な厚さの膜が得られ、この膜はピンホールを有しないが、液晶垂直配向能の持続性に乏しく、そしてこの膜の形成に用いられる塗布液の製造には、加水分解工程とその後の混合工程を要し、その製造方法は簡便なものではない上、得られた塗布液の貯蔵安定性も十分ではない。
【０００８】
上記特開昭５７−５６８１９号公報に記載の垂直配向膜の形成方法では、原料のクロロシラン等塩素含有物質の反応で副生する塩化水素が、上記のように減圧蒸留工程を経ても生成液中に残存し、周囲の金属に腐食をもたらしたり、特に高純度が要求される液晶表示装置の製造には害をもたらす。そしてその塗布液の製造においても、他段階の工程を要し、その製造方法は簡便でない上、反応の終点が確認しにくく、一定品質の塗布液を製造し難い。
【０００９】
本発明は、液晶表示装置の電極基板上に、液晶の垂直配向性、その再現性、耐熱性及び均一性に優れる液晶垂直配向膜を、簡便に且つ効率よく形成させようとするものであり、そしてこのような液晶垂直配向膜の形成のために供される工業製品として安定な塗布液及びその効率的製造方法を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の液晶垂直配向膜の形成に供される塗布液は、下記一般式（１）
Ｓｉ（ＯＲ）4 ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （１）
（但し、Ｒは１〜５個の炭素原子を有するアルキル基を表す。）で示される珪素化合物（Ａ）と、下記一般式（２）
Ｒ1 Ｓｉ（ＯＲ）3 ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （２）
（但し、Ｒ1 は、３〜２０個の炭素原子を有する非置換の若しくはフッ素原子置換基を有するアルキル基を表し、そしてＲは、上記と同じである。）で示される珪素化合物（Ｂ）と、下記一般式（３）
Ｒ2 ＣＨ2 ＯＨ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
（但し、Ｒ2 は、水素原子又は１〜１２個の炭素原子を有する非置換の若しくは置換基を有するアルキル基を表す。）で示されるアルコール（Ｃ）と、蓚酸（Ｄ）とを、珪素化合物（Ａ）１モルに対して珪素化合物（Ｂ）０．０５〜０．４３モルの比率に、珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基１モルに対してアルコール（Ｃ）０．５〜１００モルの比率に、そして珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基１モルに対して蓚酸（Ｄ）０．２〜２モルの比率に含有する反応混合物を形成させ、そしてこの反応混合物を、 その中の珪素原子から換算された０．５〜１０重量％のＳｉＯ2 濃度に維持すると共に水の不存在を維持しながら、当該反応混合物中珪素化合物（Ａ）及び珪素化合物（Ｂ）の全残存量が５モル％以下となるまで、５０〜１８０℃で加熱することにより得られたポリシロキサンの溶液からなる。
【００１１】
そして本発明による液晶垂直配向膜の形成方法は、上記塗布液を、電極基板表面に塗布し、そしてこの塗布により得られた塗膜を８０〜４００℃で熱硬化させることからなる。そしてこの液晶垂直配向膜は、電極基板表面に密着して形成される。
上記ポリシロキサンの溶液は透明であって、ゲル状のポリシロキサンは含有していない。多量のアルコール（Ｃ）と比較的多量の蓚酸（Ｄ）とは共存するが、水が存在しない反応混合物中で珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）とは加熱されるから、このポリシロキサンは、珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）の加水分解物の縮合によって生成したものではない。アルコール溶媒中加水分解の方法でアルコキシシランからポリシロキサンを生成させるときは、加水分解の進行につれて液に濁りが生じたり、不均一なポリシロキサンが生成しやすいが、本発明による上記反応混合物ではそのようなことは起こらない。
【００１２】
本発明による上記ポリシロキサンは、その化学構造は複雑であって特定しがたいが、おそらく珪素化合物（Ａ）及び珪素化合物（Ｂ）と蓚酸（Ｄ）との反応により生成した中間体にアルコール（Ｃ）が作用して重合が進行するために、分岐構造は有していても、溶液を形成する程度の重合度を有し、そして比較的に揃った構造を有する珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）の共縮合体ポリシロキサンが生成するものと考えられる。
【００１３】
電極基板上に塗布された上記ポリシロキサンの溶液を含有する塗膜の加熱により、当該塗膜から揮発成分の除去と当該塗膜中でポリシロキサンの硬化反応が進行することによって、当該基板表面に密着し、そして優れた垂直配向性を有する不溶性の被膜が生成する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
前記一般式（１）及び（２）に含まれるアルキル基Ｒの例としては、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチルなどが挙げられ、好ましい珪素化合物（Ａ）の例としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン等が挙げられる。これらの中でもテトラメトキシシラン、テトラエトキシシランなどが特に好ましい。これらは単独で又は二種以上組み合わせて用いることができる。
【００１５】
前記一般式（２）に含まれるアルキル基Ｒ1 の例としては、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ドデシル、ヘキサデシル、オクタデシルなどの非置換のアルキル基と、トリフルオロプロピル、ヘプタフルオロペンチル、ヘプタフルオロイソペンチル、トリデカフルオロオクチル、ヘプタデカフルオロデシルなどのフッ素原子置換基を有するアルキル基とが挙げられる。好ましい珪素化合物（Ｂ）の例としては、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、ヘプチルトリメトキシシラン、ヘプチルトリエトキシシラン、オクチルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、ドデシルトリメトキシシラン、ドデシルトリエトキシシラン、ヘキサデシルトリメトキシシラン、ヘキサデシルトリエトキシシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、オクタデシルトリエトキシシランなどの非置換のアルキルトリアルコキシシラン、下記一般式（４）
ＣＦ3（ＣＦ2）nＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＲ）3・・・・・・・・（４）（但し、ｎは０〜１７の整数を表し、そしてＲは、１〜５個の炭素原子を有するアルキル基を表す。）で示されるトリフルオロプロピルトリメトキシシラン、トリフルオロプロピルトリエトキシシラン、ヘプタフルオロペンチルトリメトキシシラン、ヘプタフルオロペンチルトリエトキシシラン、トリデカフルオロオクチルトリメトキシシラン、トリデカフルオロオクチルトリエトキシシラン、ヘプタデカフルオロデシルトリメトキシシラン、ヘプタデカフルオロデシルトリエトキシシランなどのフッ素原子置換基を有する直鎖アルキルトリアルコキシシラン及びヘプタフルオロイソペンチルトリメトキシシラン〔（ＣＦ3）2ＣＦＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3〕などのフッ素原子置換基を有する分岐鎖アルキルトリアルコキシシランが挙げられる。これら珪素化合物は、単独で又は二種以上組み合わせて用いることができる。
【００１６】
前記一般式（３）に含まれる非置換のアルキル基Ｒ2 の例としては、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチルなどが挙げられ、そして置換基を有するアルキル基Ｒ2 の例としては、ヒドロキシメチル、メトキシメチル、エトキシメチル、ヒドロキシエチル、メトキシエチル、エトキシエチルなどが挙げられる。好ましいアルコール（Ｃ）の例としては、メタノール、エタノール、プロパノール、n-ブタノール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、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、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテルなどが挙げられる。これら珪素化合物は、単独で又は二種以上組み合わせて用いることができる。これらの中でも特にエタノールが好ましい。
【００１７】
珪素化合物（Ａ）１モルに対して珪素化合物（Ｂ）を０．４３モル以上使用した反応混合物からは、均一性を有するポリシロキサンの溶液が得られない。そして珪素化合物（Ａ）１モルに対して珪素化合物（Ｂ）を０．０５モル以下使用した反応混合物からは、垂直配向性を示す被膜が得られない。珪素化合物（Ａ）１モルに対して珪素化合物（Ｂ）を０．０５〜０．２５モル使用するのが特に好ましい。
【００１８】
珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基の１モル当たり、０．５モルより少ない量のアルコールを使用すると、ポリシロキサンを生成させるのに長時間を要し、そして得られたポリシロキサン含有液からは、硬度の高い被膜が生成しない。反対に、珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基の１モル当たり、１００モルより多い量のアルコールを使用すると、得られたポリシロキサン含有液のＳｉＯ2 濃度が不足し、塗布前に濃縮を必要とし効率的でない。珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基の１モルに対してアルコール（Ｃ）を１〜５０モル使用するのが特に好ましい。
【００１９】
珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基の１モル当たり、０．２モルより少ない量の蓚酸（Ｄ）を使用すると、得られたポリシロキサン含有液からは、垂直配向性を示す膜が得られないばかりか、得られた膜の硬度は低い。反対に、珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基の１モル当たり、２モルより多い量の蓚酸（Ｄ）を使用すると、得られたポリシロキサン含有液中は、相対的に多量の蓚酸（Ｄ）を含有し、かかる液からは目的とする性能の膜が得られない。珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基の１モルに対して、蓚酸（Ｄ）を０．２５〜１モル使用するのが特に好ましい。
【００２０】
ポリシロキサンの溶液の調製には、上記珪素化合物（Ａ）、珪素化合物（Ｂ）、アルコール（Ｃ）及び蓚酸（Ｄ）の他に、所望に応じて、例えば、珪素化合物（Ａ）１モルに対して２〜２０モル％程度の上記珪素化合物（Ａ）及び珪素化合物（Ｂ）では使用しなかったアルコキシシランを変成剤として併用しても良い。好ましい変成剤の例としては、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシランなどのトリアルコキシシラン、及びジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシランなどのジアルコキシシランが挙げられる。これらの変成剤は、電極基板上の塗膜を硬化させるための温度を低下させることができ、そして膜の電極基板に対する密着性を向上させる。
【００２１】
上記珪素化合物（Ａ）、珪素化合物（Ｂ）、アルコール（Ｃ）及び蓚酸（Ｄ）を含有する反応混合物は、これらを混合することにより、或いはこれらに更に上記変成剤を加えることにより形成させることができる。この反応混合物合物には水は加えられない。そしてこの反応混合物は、好ましくは溶液状の反応混合物として加熱するのが好ましく、例えば、あらかじめアルコール（Ｃ）に蓚酸（Ｄ）を加えて蓚酸のアルコール溶液を形成させた後、当該溶液と珪素化合物（Ａ）、珪素化合物（Ｂ）、上記変成剤などを混合することにより得られる溶液状の反応混合物として加熱するのが好ましい。通常、珪素化合物（Ａ）、珪素化合物（Ｂ）、アルコール（Ｃ）及び蓚酸（Ｄ）の上記比率の反応混合物は、これに含まれる珪素原子をＳｉＯ2 に換算して０．５〜１０重量％の濃度に含有する。上記変成剤を含有する反応混合物の場合にも、これに含まれる珪素原子をＳｉＯ2 に換算して０．５〜１０重量％の濃度を有するように上記変成剤は含有される。そしてこれら反応混合物の加熱の間、これら反応混合物は上記ＳｉＯ2 濃度と水の不存在が維持される。この加熱は、通常の反応器中液温５０〜１８０℃で行うことができ、好ましくは、反応器から液の蒸発、揮散などが起こらないように、例えば、密閉式容器中又は還流下に行われる。
【００２２】
ポリシロキサンを生成させるための加熱を５０℃より低い温度で行うと、濁りを有したり、不溶解物を含有する液が生成しやすいので、この加熱は５０℃より高い温度で行われ、高温ほど短時間に終了させることができる。けれども、１８０℃より高い温度での加熱は、付加的利益をもたらさず非効率的である。加熱時間には特に制限はなく、例えば５０℃では８時間程度、７８℃の還流下では３時間程度で十分であり、通常、珪素化合物（Ａ）及び珪素化合物（Ｂ）の全仕込量に対してこれら珪素化合物の残存量が５モル％以下となった時点で加熱は停止される。用いられた珪素化合物（Ａ）及び珪素化合物（Ｂ）の全量に対してこれら珪素化合物が５モル％よりも多く残存するポリシロキサン含有液は、これを電極基板表面に塗布し、次いでその塗膜を８０から４００℃で熱硬化させたとき、得られた膜にピンホールが生じたり、或いは十分な硬度を有する膜が得られない。
【００２３】
上記加熱により得られたポリシロキサンの溶液は、そのまま次の塗布工程に塗布液として使用することができるが、所望に応じ、濃縮又は希釈することにより得られる液を塗布液として、他の溶媒に置換することにより得られる液を塗布液として、或いは所望の添加物と混合することにより得られる液を塗布液として使用することができる。この添加物の例としては、コロイド状微粒子など固体の無機微粒子、その他金属塩、金属化合物などが挙げられ、これらは膜の硬度、電極基板への密着性、屈折率等を調節するのに好都合である。
【００２４】
塗布工程に使用されるこの塗布液としては、その中に上記ポリシロキサンの透明溶液に由来する珪素原子をＳｉＯ2 に換算して０．５〜１０重量％含有する液が好ましく、このＳｉＯ2 濃度が０．５重量％より小さいと、一回の塗布で形成される膜の厚さが薄くなりやすく、そしてこの濃度が１０重量％より高いと、この塗布液の貯蔵安定性が不足しやすい。この塗布液のＳｉＯ2 濃度としては２〜８重量％が特に好ましい。
【００２５】
上記ポリシロキサンの溶液は、通常の方法、例えば、ディップ法、スピンコート法、刷毛塗り法、ロールコート法、フレキソ印刷法などで電極基板上に塗布することができる。
電極基板上に形成された塗膜は、そのまま熱硬化させても良いが、これに先立ち室温〜８０℃、好ましくは５０〜８０℃で乾燥させた後、８０〜４００℃、好ましくは、１００〜３５０℃で加熱される。この加熱の時間としては５〜６０分程度で十分である。この加熱温度が８０℃より低いと、得られた被膜の硬度、耐薬品性などが不足しやすい。３５０℃より高い温度、特に４００℃より高い温度での熱硬化は、垂直配向性能が低下し好ましくない。これら加熱は、通常の方法、例えばホットプレート、オーブン、ベルト炉などを使用することにより行うことができる。
【００２６】
硬化後の膜の厚みは通常１００〜２０００Åに調整される。膜厚が１００Åより薄いとピンホールが生じやすく、その膜を有する液晶表示装置の通電安定性の低下や液晶表示の欠陥が生じやすい。一方２０００Åより厚いと、膜の表面の均一性が低下したり、膜にクラック等が発生しやすい。
【００２７】
【実施例】
実施例及び比較例のポリシロキサンの溶液を調製し、それら溶液の安定性及びそれら溶液から得られた膜の性能をテストした。
実施例１
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール５２．８ｇを投入し、撹拌下にこのエタノールに蓚酸２０．０ｇを少量づつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液をその還流温度まで加熱し、還流下のこの溶液中にテトラエトキシシラン２１．８ｇとオクタデシルトリエトキシシラン４．９ｇの混合物を滴下した。滴下終了後も、還流下に加熱を５時間続けた後冷却し、ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−１）を調製した。
【００２８】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。
実施例２
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール５２．３ｇを投入し、撹拌下にこのエタノールに蓚酸２０．５ｇを少量づつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液をその還流温度まで加熱し、還流下のこの溶液中にテトラエトキシシラン２１．８ｇとトリデカフルオロオクチルトリメトキシシラン〔ＣＦ3（ＣＦ2）5ＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3〕５．５ｇの混合物を滴下した。滴下終了後も、還流下に加熱を５時間続けた後冷却し、ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−２）を調製した。
【００２９】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。
実施例３
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール５２．６ｇを投入し、撹拌下にこのエタノールに蓚酸２０．５ｇを少量づつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液をその還流温度まで加熱し、還流下のこの溶液中にテトラエトキシシラン２１．８ｇとトリデカフルオロオクチルトリメトキシシラン〔ＣＦ3（ＣＦ2）5ＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3〕２．７ｇとオクタデシルトリエトキシシラン２．５ｇの混合物を滴下した。滴下終了後も、還流下に加熱を５時間続けた後冷却し、ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−３）を調製した。
【００３０】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。
実施例４
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール４９．７ｇを投入し、撹拌下にこのエタノールに蓚酸２０．０ｇを少量づつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液をその還流温度まで加熱し、還流下のこの溶液中にテトラエトキシシラン１９．４ｇとトリデカフルオロオクチルトリメトキシシラン〔ＣＦ3（ＣＦ2）5ＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3〕１０．９ｇの混合物を滴下した。滴下終了後も、還流下に加熱を５時間続けた後冷却し、ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−４）を調製した。
【００３１】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。
比較例１
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール６４．９ｇとテトラエトキシシラン２１．８ｇとトリデカフルオロオクチルトリメトキシシラン〔ＣＦ3（ＣＦ2）5ＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3〕５．６ｇを加え、均一に混合した。次いでこの溶液に水７．６ｇと触媒として硝酸０．1ｇを加え、３０分間撹拌混合を続けた後、ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−５）を調製した。
【００３２】
比較例２
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール６５．５ｇとテトラエトキシシラン２１．８ｇとオクタデシルトリエトキシシラン５．０ｇを加え、均一に混合した。次いでこの溶液に水７．６ｇと触媒として硝酸０．1ｇを加え、３０分間撹拌混合を続けた後、ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−６）を調製した。
【００３３】
比較例３
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール６２．７ｇとテトラエトキシシラン１９．４ｇとトリデカフルオロオクチルトリメトキシシラン〔ＣＦ3（ＣＦ2）5ＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3〕１０．９ｇを加え、均一に混合した。次いでこの溶液に水６．９ｇと触媒として硝酸０．１ｇを加え、３０分間撹拌混合を続けた後、ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−７）を調製した。
【００３４】
比較例４
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール６２．７ｇとテトラエトキシシラン１９．４ｇを入れ、撹拌混合した。次いでこの溶液に水６．９ｇと触媒として硝酸０．１ｇを加え、３０分間撹拌混合を続けた後、トリデカフルオロオクチルトリメトキシシラン〔ＣＦ3（ＣＦ2）5ＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3〕１０．９ｇを加え、均一に混合した。ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−８）を調製した。
【００３５】
実施例５
上記（Ｌ−１）から（Ｌ−８）のポリシロキサン溶液を、ガラス製容器中密閉下、２３℃で３ヶ月にわたって放置した。その間溶液に発生する濁り、沈殿などの有無を観察し、第１表に記載の結果を得た。同表中、○印は上記放置の３ヶ月時点で変化が全く認められなかったことを、△印は上記放置の１ヶ月時点で白濁を生じたことを、そして×印は上記放置の２週間以内に白濁が生じたことをそれぞれ表す。（Ｌ−６）は７日で白色沈殿を、（Ｌ−７）は溶液の調製時に白濁を、そして（Ｌ−８）は７日で白濁を生じた。同表には、溶液の調製に用いられた珪素化合物（Ａ）の量に対する珪素化合物（Ｂ）の量をモル比で示した。
【００３６】
【表１】
第１表に記載の結果は、実施例のポリシリキサンの溶液はいずれも良好であるのに対して、比較例の加水分解法で調製された（Ｌ−５）〜（Ｌ−６）のポリシロキサンの溶液はいずれも安定性に乏しいことを示している。
【００３７】
実施例６
インジウム−錫酸化物（ＩＴＯ）の導電材料とこれを覆っているガラス板からなる電極基板の当該ガラス板上に、上記（Ｌ−１）から（Ｌ−８）のポリシロキサン溶液をスピンコーターで塗布し、次いで８０℃で乾燥することにより、当該ガラス板上に塗膜を形成させ、塗膜表面を観察してこれら溶液の成膜性をテストした。その結果は第１表に記載されている。同表中、○印は均一な塗膜であることを、△印は塗膜に部分的にピンホールが発生したことを、そして×印は塗膜にはじきが発生したことをそれぞれ示す。
【００３８】
第１表の結果は、比較例の（Ｌ−６）〜（Ｌ−８）のポリシロキサンの溶液は、十分な安定性を有しないばかりか、成膜性も十分でないことを示している。
実施例７
実施例６のテストの後、塗膜を第２表に記載の温度で６０分加熱することにより、電極基板上に熱硬化膜を形成させた。
【００３９】
次いで、上記熱硬化膜を有する面を内側にして、５０μｍのスペーサーを挟んで２枚の電極基板を張り合わせた後、これによって形成された内部空隙にメルク社製ＺＬＩ−４７９２の商品名が付された液晶を注入し封ずることにより液晶表示セルを作製した。
作製したセルを偏光顕微鏡下クロスニコル状態で観察し、顕微鏡視野のアイソジャイヤー状態を観察することにより液晶の垂直配向性をテストした。更に、この垂直配向性は、セルに１００℃で１０分間加熱処理を施した後も同様にテストした。
【００４０】
別途、上記同様にして作製したセルに偏光板を張り合わせ、セルの透過光の状態を目視観察することにより液晶の配向性をテストした。この配向性は、１００℃で１０分間加熱処理を施した後も同様にテストした。
これらテスト結果は、第２表に示されている。同表中、垂直配向性について○印は、明瞭なアイソジャイヤーが観察され、セルの液晶は良好な垂直配向性を示すこと、△印はアイソジャイヤーの中心のずれが観察され、セルの液晶は若干弱い垂直配向性を示すこと、そして×印はアイソジャイヤーが観察されず、セルの液晶は垂直配向性を示さないことをそれぞれ表す。また、同表中、配向性について○印は、セルの液晶は均一な配向性を示すこと、△印はセルの液晶は若干乱れた配向を示すこと、そして×はセルの液晶は配向性を示さないことをそれぞれ表す。
【００４１】
【表２】
第２表に記載の結果は、実施例の（Ｌ−１）の溶液を使用しても、４５０℃の温度で熱硬化膜を形成させると、この膜の液晶垂直配向性は十分でないことを示している。そして比較例の（Ｌ−５）〜（Ｌ−８）のポリシロキサンの溶液は、垂直配向性、配向性なども十分でないことを示している。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、原料を混合して一度の加熱処理を行うのみで、効率よく塗布液を調製することができ、そしてこの塗布液は常温で３ヶ月以上、好ましいものでは６ヶ月以上も安定であるから工業製品として供給することができる。
この塗布液は、従来から使用されている電極基板に適用することができる。そしてこの塗布液を電極基板に塗布し、要すれば乾燥した後熱硬化させるのみで簡便に電極基板上に液晶垂直配向膜を形成させることができる。
【００４３】
本発明の液晶配向膜は、優れた液晶垂直配向性と配向の均一性を示し、加熱してもその性能が劣化しない耐久性を有する。またこの形成された配向膜の表面に、必要に応じて、ナイロン、綿、レーヨンなどからつくられた布で擦るいわゆるラビング処理を施すことによって、更に垂直配向性の良い膜を形成させることができる。
【００４４】
本発明の液晶配向膜は、従来から使用されている種々の液晶に対して有効である。そして本発明の塗布液は、従来から採用されている液晶表示セルの製造方法に使用することができる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルコキシ基含有珪素化合物のポリマー溶液から形成される液晶表示装置内電極基板上の液晶垂直配向膜の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常用いられる液晶表示装置は、液晶とこれを挟んで相対する２枚の電極基板とからなる。従来より、液晶表示装置内の液晶分子を垂直に配向させるのに有効な方法として、液晶表示装置内の電極基板上に被膜を設ける方法が知られ、この被膜は液晶垂直配向膜と呼ばれている。そして改良された液晶垂直配向膜として、アルコキシ基含有シランを原料として用いるものが幾つか提案されている。
【０００３】
特開昭６１−１１７５２４号公報には、液晶層と接触する２枚の電極基板のうち少なくとも一方の面に、テトラブトキシチタン等有機金属化合物を塗布し、そして熱硬化させてなる下地膜上に、オクタデシルトリエトキシシラン等モノアルキルトリアルコキシシランを塗布し、そして熱硬化させてなる液晶垂直配向膜が開示されている。この公報は更に、その液晶垂直配向膜は、再現性良好な垂直配向性を有し、その下地膜は、この液晶垂直配向膜を安定させると共に、基板との接着性及び耐熱性を向上させることを説明している。
【０００４】
特開昭５７−４２０１９号公報には、テトラエトキシシラン、ジメチルジメトキシシランなど２〜４個のアルコキシ基を有するシランを酸触媒等による通常の加水分解及び縮合重合によってシラノール含有オリゴマーを生成させ、このオリゴマーと上記アルコキシ基含有シラン１モルに対して０．１７〜１０モルの比率のオクタデシルトリエトキシシラン等長鎖アルキル基とアルコキシ基含有シランとをエチルセロソルブ等溶剤に加えて塗布液を調製し、この塗布液を電極基板上に塗布し、次いでその塗膜を１００〜２５０℃で熱硬化させることにより垂直配向膜を形成させる方法が開示されている。そして同公報は、その塗布液は塗布性が優れると共に、加熱工程で配向能が低下せず、得られた配向膜は各種の液晶に対して優れた配向性を有することを説明している。
【０００５】
特開昭５７−５６８１９号公報には、酢酸、ギ酸などカルボン酸とテトラクロロシラン等ハロゲン化シランとを反応させることによりカルボン酸珪素を生成させ、減圧蒸留等で未反応酢酸を除去したカルボン酸珪素とエチルアルコール等アルコールとを反応させることによりシラノールオリゴマーの溶液を生成させ、次いで、このオリゴマー溶液に、珪素原子比で０．０１〜１０の比率にオクタデシルトリエトキシシラン、パーフロロアルキルシランなどアルキルシランを加えて２０〜８０℃で反応させることにより塗布液を調製し、この塗布液を電極基板の表面に塗布し、そしてその塗膜を１００〜３５０℃で熱硬化させることにより垂直配向膜を形成させる方法が開示されている。そして同公報は、この配向膜は、どのような液晶も垂直配向させることができ、配向が安定であって表示品質が高いことを説明している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこれら改良にかかる垂直配向膜、或いはその形成方法も未だ十分ではない。上記特開昭６１−１１７５２４号公報に記載の垂直配向膜の形成には、有機金属化合物の熱硬化物からなる下地膜を形成させる工程を必要とし、二度にわたる塗布及び加熱作業を要す。そしてその形成された垂直配向膜としても、十分な厚さを有するものが得られず、膜にはピンホールが生じやすく、そして膜の通電寿命は短い。
【０００７】
上記特開昭５７−４２０１９号公報に記載の垂直配向膜形成法によれば、十分な厚さの膜が得られ、この膜はピンホールを有しないが、液晶垂直配向能の持続性に乏しく、そしてこの膜の形成に用いられる塗布液の製造には、加水分解工程とその後の混合工程を要し、その製造方法は簡便なものではない上、得られた塗布液の貯蔵安定性も十分ではない。
【０００８】
上記特開昭５７−５６８１９号公報に記載の垂直配向膜の形成方法では、原料のクロロシラン等塩素含有物質の反応で副生する塩化水素が、上記のように減圧蒸留工程を経ても生成液中に残存し、周囲の金属に腐食をもたらしたり、特に高純度が要求される液晶表示装置の製造には害をもたらす。そしてその塗布液の製造においても、他段階の工程を要し、その製造方法は簡便でない上、反応の終点が確認しにくく、一定品質の塗布液を製造し難い。
【０００９】
本発明は、液晶表示装置の電極基板上に、液晶の垂直配向性、その再現性、耐熱性及び均一性に優れる液晶垂直配向膜を、簡便に且つ効率よく形成させようとするものであり、そしてこのような液晶垂直配向膜の形成のために供される工業製品として安定な塗布液及びその効率的製造方法を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の液晶垂直配向膜の形成に供される塗布液は、下記一般式（１）
Ｓｉ（ＯＲ）4 ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （１）
（但し、Ｒは１〜５個の炭素原子を有するアルキル基を表す。）で示される珪素化合物（Ａ）と、下記一般式（２）
Ｒ1 Ｓｉ（ＯＲ）3 ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （２）
（但し、Ｒ1 は、３〜２０個の炭素原子を有する非置換の若しくはフッ素原子置換基を有するアルキル基を表し、そしてＲは、上記と同じである。）で示される珪素化合物（Ｂ）と、下記一般式（３）
Ｒ2 ＣＨ2 ＯＨ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
（但し、Ｒ2 は、水素原子又は１〜１２個の炭素原子を有する非置換の若しくは置換基を有するアルキル基を表す。）で示されるアルコール（Ｃ）と、蓚酸（Ｄ）とを、珪素化合物（Ａ）１モルに対して珪素化合物（Ｂ）０．０５〜０．４３モルの比率に、珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基１モルに対してアルコール（Ｃ）０．５〜１００モルの比率に、そして珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基１モルに対して蓚酸（Ｄ）０．２〜２モルの比率に含有する反応混合物を形成させ、そしてこの反応混合物を、 その中の珪素原子から換算された０．５〜１０重量％のＳｉＯ2 濃度に維持すると共に水の不存在を維持しながら、当該反応混合物中珪素化合物（Ａ）及び珪素化合物（Ｂ）の全残存量が５モル％以下となるまで、５０〜１８０℃で加熱することにより得られたポリシロキサンの溶液からなる。
【００１１】
そして本発明による液晶垂直配向膜の形成方法は、上記塗布液を、電極基板表面に塗布し、そしてこの塗布により得られた塗膜を８０〜４００℃で熱硬化させることからなる。そしてこの液晶垂直配向膜は、電極基板表面に密着して形成される。
上記ポリシロキサンの溶液は透明であって、ゲル状のポリシロキサンは含有していない。多量のアルコール（Ｃ）と比較的多量の蓚酸（Ｄ）とは共存するが、水が存在しない反応混合物中で珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）とは加熱されるから、このポリシロキサンは、珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）の加水分解物の縮合によって生成したものではない。アルコール溶媒中加水分解の方法でアルコキシシランからポリシロキサンを生成させるときは、加水分解の進行につれて液に濁りが生じたり、不均一なポリシロキサンが生成しやすいが、本発明による上記反応混合物ではそのようなことは起こらない。
【００１２】
本発明による上記ポリシロキサンは、その化学構造は複雑であって特定しがたいが、おそらく珪素化合物（Ａ）及び珪素化合物（Ｂ）と蓚酸（Ｄ）との反応により生成した中間体にアルコール（Ｃ）が作用して重合が進行するために、分岐構造は有していても、溶液を形成する程度の重合度を有し、そして比較的に揃った構造を有する珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）の共縮合体ポリシロキサンが生成するものと考えられる。
【００１３】
電極基板上に塗布された上記ポリシロキサンの溶液を含有する塗膜の加熱により、当該塗膜から揮発成分の除去と当該塗膜中でポリシロキサンの硬化反応が進行することによって、当該基板表面に密着し、そして優れた垂直配向性を有する不溶性の被膜が生成する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
前記一般式（１）及び（２）に含まれるアルキル基Ｒの例としては、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチルなどが挙げられ、好ましい珪素化合物（Ａ）の例としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン等が挙げられる。これらの中でもテトラメトキシシラン、テトラエトキシシランなどが特に好ましい。これらは単独で又は二種以上組み合わせて用いることができる。
【００１５】
前記一般式（２）に含まれるアルキル基Ｒ1 の例としては、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ドデシル、ヘキサデシル、オクタデシルなどの非置換のアルキル基と、トリフルオロプロピル、ヘプタフルオロペンチル、ヘプタフルオロイソペンチル、トリデカフルオロオクチル、ヘプタデカフルオロデシルなどのフッ素原子置換基を有するアルキル基とが挙げられる。好ましい珪素化合物（Ｂ）の例としては、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、ヘプチルトリメトキシシラン、ヘプチルトリエトキシシラン、オクチルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、ドデシルトリメトキシシラン、ドデシルトリエトキシシラン、ヘキサデシルトリメトキシシラン、ヘキサデシルトリエトキシシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、オクタデシルトリエトキシシランなどの非置換のアルキルトリアルコキシシラン、下記一般式（４）
ＣＦ3（ＣＦ2）nＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＲ）3・・・・・・・・（４）（但し、ｎは０〜１７の整数を表し、そしてＲは、１〜５個の炭素原子を有するアルキル基を表す。）で示されるトリフルオロプロピルトリメトキシシラン、トリフルオロプロピルトリエトキシシラン、ヘプタフルオロペンチルトリメトキシシラン、ヘプタフルオロペンチルトリエトキシシラン、トリデカフルオロオクチルトリメトキシシラン、トリデカフルオロオクチルトリエトキシシラン、ヘプタデカフルオロデシルトリメトキシシラン、ヘプタデカフルオロデシルトリエトキシシランなどのフッ素原子置換基を有する直鎖アルキルトリアルコキシシラン及びヘプタフルオロイソペンチルトリメトキシシラン〔（ＣＦ3）2ＣＦＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3〕などのフッ素原子置換基を有する分岐鎖アルキルトリアルコキシシランが挙げられる。これら珪素化合物は、単独で又は二種以上組み合わせて用いることができる。
【００１６】
前記一般式（３）に含まれる非置換のアルキル基Ｒ2 の例としては、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチルなどが挙げられ、そして置換基を有するアルキル基Ｒ2 の例としては、ヒドロキシメチル、メトキシメチル、エトキシメチル、ヒドロキシエチル、メトキシエチル、エトキシエチルなどが挙げられる。好ましいアルコール（Ｃ）の例としては、メタノール、エタノール、プロパノール、n-ブタノール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、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、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテルなどが挙げられる。これら珪素化合物は、単独で又は二種以上組み合わせて用いることができる。これらの中でも特にエタノールが好ましい。
【００１７】
珪素化合物（Ａ）１モルに対して珪素化合物（Ｂ）を０．４３モル以上使用した反応混合物からは、均一性を有するポリシロキサンの溶液が得られない。そして珪素化合物（Ａ）１モルに対して珪素化合物（Ｂ）を０．０５モル以下使用した反応混合物からは、垂直配向性を示す被膜が得られない。珪素化合物（Ａ）１モルに対して珪素化合物（Ｂ）を０．０５〜０．２５モル使用するのが特に好ましい。
【００１８】
珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基の１モル当たり、０．５モルより少ない量のアルコールを使用すると、ポリシロキサンを生成させるのに長時間を要し、そして得られたポリシロキサン含有液からは、硬度の高い被膜が生成しない。反対に、珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基の１モル当たり、１００モルより多い量のアルコールを使用すると、得られたポリシロキサン含有液のＳｉＯ2 濃度が不足し、塗布前に濃縮を必要とし効率的でない。珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基の１モルに対してアルコール（Ｃ）を１〜５０モル使用するのが特に好ましい。
【００１９】
珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基の１モル当たり、０．２モルより少ない量の蓚酸（Ｄ）を使用すると、得られたポリシロキサン含有液からは、垂直配向性を示す膜が得られないばかりか、得られた膜の硬度は低い。反対に、珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基の１モル当たり、２モルより多い量の蓚酸（Ｄ）を使用すると、得られたポリシロキサン含有液中は、相対的に多量の蓚酸（Ｄ）を含有し、かかる液からは目的とする性能の膜が得られない。珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基の１モルに対して、蓚酸（Ｄ）を０．２５〜１モル使用するのが特に好ましい。
【００２０】
ポリシロキサンの溶液の調製には、上記珪素化合物（Ａ）、珪素化合物（Ｂ）、アルコール（Ｃ）及び蓚酸（Ｄ）の他に、所望に応じて、例えば、珪素化合物（Ａ）１モルに対して２〜２０モル％程度の上記珪素化合物（Ａ）及び珪素化合物（Ｂ）では使用しなかったアルコキシシランを変成剤として併用しても良い。好ましい変成剤の例としては、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシランなどのトリアルコキシシラン、及びジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシランなどのジアルコキシシランが挙げられる。これらの変成剤は、電極基板上の塗膜を硬化させるための温度を低下させることができ、そして膜の電極基板に対する密着性を向上させる。
【００２１】
上記珪素化合物（Ａ）、珪素化合物（Ｂ）、アルコール（Ｃ）及び蓚酸（Ｄ）を含有する反応混合物は、これらを混合することにより、或いはこれらに更に上記変成剤を加えることにより形成させることができる。この反応混合物合物には水は加えられない。そしてこの反応混合物は、好ましくは溶液状の反応混合物として加熱するのが好ましく、例えば、あらかじめアルコール（Ｃ）に蓚酸（Ｄ）を加えて蓚酸のアルコール溶液を形成させた後、当該溶液と珪素化合物（Ａ）、珪素化合物（Ｂ）、上記変成剤などを混合することにより得られる溶液状の反応混合物として加熱するのが好ましい。通常、珪素化合物（Ａ）、珪素化合物（Ｂ）、アルコール（Ｃ）及び蓚酸（Ｄ）の上記比率の反応混合物は、これに含まれる珪素原子をＳｉＯ2 に換算して０．５〜１０重量％の濃度に含有する。上記変成剤を含有する反応混合物の場合にも、これに含まれる珪素原子をＳｉＯ2 に換算して０．５〜１０重量％の濃度を有するように上記変成剤は含有される。そしてこれら反応混合物の加熱の間、これら反応混合物は上記ＳｉＯ2 濃度と水の不存在が維持される。この加熱は、通常の反応器中液温５０〜１８０℃で行うことができ、好ましくは、反応器から液の蒸発、揮散などが起こらないように、例えば、密閉式容器中又は還流下に行われる。
【００２２】
ポリシロキサンを生成させるための加熱を５０℃より低い温度で行うと、濁りを有したり、不溶解物を含有する液が生成しやすいので、この加熱は５０℃より高い温度で行われ、高温ほど短時間に終了させることができる。けれども、１８０℃より高い温度での加熱は、付加的利益をもたらさず非効率的である。加熱時間には特に制限はなく、例えば５０℃では８時間程度、７８℃の還流下では３時間程度で十分であり、通常、珪素化合物（Ａ）及び珪素化合物（Ｂ）の全仕込量に対してこれら珪素化合物の残存量が５モル％以下となった時点で加熱は停止される。用いられた珪素化合物（Ａ）及び珪素化合物（Ｂ）の全量に対してこれら珪素化合物が５モル％よりも多く残存するポリシロキサン含有液は、これを電極基板表面に塗布し、次いでその塗膜を８０から４００℃で熱硬化させたとき、得られた膜にピンホールが生じたり、或いは十分な硬度を有する膜が得られない。
【００２３】
上記加熱により得られたポリシロキサンの溶液は、そのまま次の塗布工程に塗布液として使用することができるが、所望に応じ、濃縮又は希釈することにより得られる液を塗布液として、他の溶媒に置換することにより得られる液を塗布液として、或いは所望の添加物と混合することにより得られる液を塗布液として使用することができる。この添加物の例としては、コロイド状微粒子など固体の無機微粒子、その他金属塩、金属化合物などが挙げられ、これらは膜の硬度、電極基板への密着性、屈折率等を調節するのに好都合である。
【００２４】
塗布工程に使用されるこの塗布液としては、その中に上記ポリシロキサンの透明溶液に由来する珪素原子をＳｉＯ2 に換算して０．５〜１０重量％含有する液が好ましく、このＳｉＯ2 濃度が０．５重量％より小さいと、一回の塗布で形成される膜の厚さが薄くなりやすく、そしてこの濃度が１０重量％より高いと、この塗布液の貯蔵安定性が不足しやすい。この塗布液のＳｉＯ2 濃度としては２〜８重量％が特に好ましい。
【００２５】
上記ポリシロキサンの溶液は、通常の方法、例えば、ディップ法、スピンコート法、刷毛塗り法、ロールコート法、フレキソ印刷法などで電極基板上に塗布することができる。
電極基板上に形成された塗膜は、そのまま熱硬化させても良いが、これに先立ち室温〜８０℃、好ましくは５０〜８０℃で乾燥させた後、８０〜４００℃、好ましくは、１００〜３５０℃で加熱される。この加熱の時間としては５〜６０分程度で十分である。この加熱温度が８０℃より低いと、得られた被膜の硬度、耐薬品性などが不足しやすい。３５０℃より高い温度、特に４００℃より高い温度での熱硬化は、垂直配向性能が低下し好ましくない。これら加熱は、通常の方法、例えばホットプレート、オーブン、ベルト炉などを使用することにより行うことができる。
【００２６】
硬化後の膜の厚みは通常１００〜２０００Åに調整される。膜厚が１００Åより薄いとピンホールが生じやすく、その膜を有する液晶表示装置の通電安定性の低下や液晶表示の欠陥が生じやすい。一方２０００Åより厚いと、膜の表面の均一性が低下したり、膜にクラック等が発生しやすい。
【００２７】
【実施例】
実施例及び比較例のポリシロキサンの溶液を調製し、それら溶液の安定性及びそれら溶液から得られた膜の性能をテストした。
実施例１
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール５２．８ｇを投入し、撹拌下にこのエタノールに蓚酸２０．０ｇを少量づつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液をその還流温度まで加熱し、還流下のこの溶液中にテトラエトキシシラン２１．８ｇとオクタデシルトリエトキシシラン４．９ｇの混合物を滴下した。滴下終了後も、還流下に加熱を５時間続けた後冷却し、ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−１）を調製した。
【００２８】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。
実施例２
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール５２．３ｇを投入し、撹拌下にこのエタノールに蓚酸２０．５ｇを少量づつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液をその還流温度まで加熱し、還流下のこの溶液中にテトラエトキシシラン２１．８ｇとトリデカフルオロオクチルトリメトキシシラン〔ＣＦ3（ＣＦ2）5ＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3〕５．５ｇの混合物を滴下した。滴下終了後も、還流下に加熱を５時間続けた後冷却し、ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−２）を調製した。
【００２９】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。
実施例３
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール５２．６ｇを投入し、撹拌下にこのエタノールに蓚酸２０．５ｇを少量づつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液をその還流温度まで加熱し、還流下のこの溶液中にテトラエトキシシラン２１．８ｇとトリデカフルオロオクチルトリメトキシシラン〔ＣＦ3（ＣＦ2）5ＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3〕２．７ｇとオクタデシルトリエトキシシラン２．５ｇの混合物を滴下した。滴下終了後も、還流下に加熱を５時間続けた後冷却し、ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−３）を調製した。
【００３０】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。
実施例４
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール４９．７ｇを投入し、撹拌下にこのエタノールに蓚酸２０．０ｇを少量づつ添加することにより、蓚酸のエタノール溶液を調製した。次いでこの溶液をその還流温度まで加熱し、還流下のこの溶液中にテトラエトキシシラン１９．４ｇとトリデカフルオロオクチルトリメトキシシラン〔ＣＦ3（ＣＦ2）5ＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3〕１０．９ｇの混合物を滴下した。滴下終了後も、還流下に加熱を５時間続けた後冷却し、ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−４）を調製した。
【００３１】
この溶液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、アルコキシシランモノマーは検出されなかった。
比較例１
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール６４．９ｇとテトラエトキシシラン２１．８ｇとトリデカフルオロオクチルトリメトキシシラン〔ＣＦ3（ＣＦ2）5ＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3〕５．６ｇを加え、均一に混合した。次いでこの溶液に水７．６ｇと触媒として硝酸０．1ｇを加え、３０分間撹拌混合を続けた後、ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−５）を調製した。
【００３２】
比較例２
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール６５．５ｇとテトラエトキシシラン２１．８ｇとオクタデシルトリエトキシシラン５．０ｇを加え、均一に混合した。次いでこの溶液に水７．６ｇと触媒として硝酸０．1ｇを加え、３０分間撹拌混合を続けた後、ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−６）を調製した。
【００３３】
比較例３
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール６２．７ｇとテトラエトキシシラン１９．４ｇとトリデカフルオロオクチルトリメトキシシラン〔ＣＦ3（ＣＦ2）5ＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3〕１０．９ｇを加え、均一に混合した。次いでこの溶液に水６．９ｇと触媒として硝酸０．１ｇを加え、３０分間撹拌混合を続けた後、ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−７）を調製した。
【００３４】
比較例４
還流管を備えつけた４つ口反応フラスコにエタノール６２．７ｇとテトラエトキシシラン１９．４ｇを入れ、撹拌混合した。次いでこの溶液に水６．９ｇと触媒として硝酸０．１ｇを加え、３０分間撹拌混合を続けた後、トリデカフルオロオクチルトリメトキシシラン〔ＣＦ3（ＣＦ2）5ＣＨ2ＣＨ2Ｓｉ（ＯＣＨ3）3〕１０．９ｇを加え、均一に混合した。ブチルセロソルブ７５ｇを加えることにより、４重量％のＳｉＯ2 濃度を有するポリシロキサンの溶液（Ｌ−８）を調製した。
【００３５】
実施例５
上記（Ｌ−１）から（Ｌ−８）のポリシロキサン溶液を、ガラス製容器中密閉下、２３℃で３ヶ月にわたって放置した。その間溶液に発生する濁り、沈殿などの有無を観察し、第１表に記載の結果を得た。同表中、○印は上記放置の３ヶ月時点で変化が全く認められなかったことを、△印は上記放置の１ヶ月時点で白濁を生じたことを、そして×印は上記放置の２週間以内に白濁が生じたことをそれぞれ表す。（Ｌ−６）は７日で白色沈殿を、（Ｌ−７）は溶液の調製時に白濁を、そして（Ｌ−８）は７日で白濁を生じた。同表には、溶液の調製に用いられた珪素化合物（Ａ）の量に対する珪素化合物（Ｂ）の量をモル比で示した。
【００３６】
【表１】
【００３７】
実施例６
インジウム−錫酸化物（ＩＴＯ）の導電材料とこれを覆っているガラス板からなる電極基板の当該ガラス板上に、上記（Ｌ−１）から（Ｌ−８）のポリシロキサン溶液をスピンコーターで塗布し、次いで８０℃で乾燥することにより、当該ガラス板上に塗膜を形成させ、塗膜表面を観察してこれら溶液の成膜性をテストした。その結果は第１表に記載されている。同表中、○印は均一な塗膜であることを、△印は塗膜に部分的にピンホールが発生したことを、そして×印は塗膜にはじきが発生したことをそれぞれ示す。
【００３８】
第１表の結果は、比較例の（Ｌ−６）〜（Ｌ−８）のポリシロキサンの溶液は、十分な安定性を有しないばかりか、成膜性も十分でないことを示している。
実施例７
実施例６のテストの後、塗膜を第２表に記載の温度で６０分加熱することにより、電極基板上に熱硬化膜を形成させた。
【００３９】
次いで、上記熱硬化膜を有する面を内側にして、５０μｍのスペーサーを挟んで２枚の電極基板を張り合わせた後、これによって形成された内部空隙にメルク社製ＺＬＩ−４７９２の商品名が付された液晶を注入し封ずることにより液晶表示セルを作製した。
作製したセルを偏光顕微鏡下クロスニコル状態で観察し、顕微鏡視野のアイソジャイヤー状態を観察することにより液晶の垂直配向性をテストした。更に、この垂直配向性は、セルに１００℃で１０分間加熱処理を施した後も同様にテストした。
【００４０】
別途、上記同様にして作製したセルに偏光板を張り合わせ、セルの透過光の状態を目視観察することにより液晶の配向性をテストした。この配向性は、１００℃で１０分間加熱処理を施した後も同様にテストした。
これらテスト結果は、第２表に示されている。同表中、垂直配向性について○印は、明瞭なアイソジャイヤーが観察され、セルの液晶は良好な垂直配向性を示すこと、△印はアイソジャイヤーの中心のずれが観察され、セルの液晶は若干弱い垂直配向性を示すこと、そして×印はアイソジャイヤーが観察されず、セルの液晶は垂直配向性を示さないことをそれぞれ表す。また、同表中、配向性について○印は、セルの液晶は均一な配向性を示すこと、△印はセルの液晶は若干乱れた配向を示すこと、そして×はセルの液晶は配向性を示さないことをそれぞれ表す。
【００４１】
【表２】
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、原料を混合して一度の加熱処理を行うのみで、効率よく塗布液を調製することができ、そしてこの塗布液は常温で３ヶ月以上、好ましいものでは６ヶ月以上も安定であるから工業製品として供給することができる。
この塗布液は、従来から使用されている電極基板に適用することができる。そしてこの塗布液を電極基板に塗布し、要すれば乾燥した後熱硬化させるのみで簡便に電極基板上に液晶垂直配向膜を形成させることができる。
【００４３】
本発明の液晶配向膜は、優れた液晶垂直配向性と配向の均一性を示し、加熱してもその性能が劣化しない耐久性を有する。またこの形成された配向膜の表面に、必要に応じて、ナイロン、綿、レーヨンなどからつくられた布で擦るいわゆるラビング処理を施すことによって、更に垂直配向性の良い膜を形成させることができる。
【００４４】
本発明の液晶配向膜は、従来から使用されている種々の液晶に対して有効である。そして本発明の塗布液は、従来から採用されている液晶表示セルの製造方法に使用することができる。
Claims (3)
- 下記一般式（１）
Ｓｉ（ＯＲ）4 ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （１）
（但し、Ｒは１〜５個の炭素原子を有するアルキル基を表す。）で示される珪素化合物（Ａ）と、下記一般式（２）
Ｒ1 Ｓｉ（ＯＲ）3 ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （２）
（但し、Ｒ1 は、３〜２０個の炭素原子を有する非置換の若しくはフッ素原子置換基を有するアルキル基を表し、そしてＲは、上記と同じである。）で示される珪素化合物（Ｂ）と、下記一般式（３）
Ｒ2 ＣＨ2 ＯＨ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
（但し、Ｒ2 は、水素原子又は１〜１２個の炭素原子を有する非置換の若しくは置換基を有するアルキル基を表す。）で示されるアルコール（Ｃ）と、蓚酸（Ｄ）とを、珪素化合物（Ａ）１モルに対して珪素化合物（Ｂ）０．０５〜０．４３モルの比率に、珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基１モルに対してアルコール（Ｃ）０．５〜１００モルの比率に、そして珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基１モルに対して蓚酸（Ｄ）０．２〜２モルの比率に含有する反応混合物を形成させ、そしてこの反応混合物を、 その中の珪素原子から換算された０．５〜１０重量％のＳｉＯ2 濃度に維持すると共に水の不存在を維持しながら、当該反応混合物中珪素化合物（Ａ）及び珪素化合物（Ｂ）の全残存量が５モル％以下となるまで、５０〜１８０℃で加熱することにより、これにより生じたポリシロキサンの溶液を生成させ、次いで当該ポリシロキサンの溶液を含有する塗布液を電極基板表面に塗布し、そしてこの塗布により得られた塗膜を８０〜４００℃で熱硬化させることを特徴とする当該電極基板表面上にこれに密着した液晶垂直配向膜を形成させる方法。 - 下記一般式（１）
Ｓｉ（ＯＲ）4 ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （１）
（但し、Ｒは１〜５個の炭素原子を有するアルキル基を表す。）で示される珪素化合物（Ａ）と、下記一般式（２）
Ｒ1 Ｓｉ（ＯＲ）3 ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （２）
（但し、Ｒ1 は、３〜２０個の炭素原子を有する非置換の若しくはフッ素原子置換基を有するアルキル基を表し、そしてＲは、上記と同じである。）で示される珪素化合物（Ｂ）と、下記一般式（３）
Ｒ2 ＣＨ2 ＯＨ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
（但し、Ｒ2 は、水素原子又は１〜１２個の炭素原子を有する非置換の若しくは置換基を有するアルキル基を表す。）で示されるアルコール（Ｃ）と、蓚酸（Ｄ）とを、珪素化合物（Ａ）１モルに対して珪素化合物（Ｂ）０．０５〜０．４３モルの比率に、珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基１モルに対してアルコール（Ｃ）０．５〜１００モルの比率に、そして珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基１モルに対して蓚酸（Ｄ）０．２〜２モルの比率に含有する反応混合物を形成させ、そしてこの反応混合物を、 その中の珪素原子から換算された０．５〜１０重量％のＳｉＯ2 濃度に維持すると共に水の不存在を維持しながら、当該反応混合物中珪素化合物（Ａ）及び珪素化合物（Ｂ）の全残存量が５モル％以下となるまで、５０〜１８０℃で加熱することにより得られたポリシロキサンの溶液を含有する、電極基板表面上に液晶垂直配向膜を形成させるための塗布液。 - 下記一般式（１）
Ｓｉ（ＯＲ）4 ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （１）
（但し、Ｒは１〜５個の炭素原子を有するアルキル基を表す。）で示される珪素化合物（Ａ）と、下記一般式（２）
Ｒ1 Ｓｉ（ＯＲ）3 ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （２）
（但し、Ｒ1 は、３〜２０個の炭素原子を有する非置換の若しくはフッ素原子置換基を有するアルキル基を表し、そしてＲは、上記と同じである。）で示される珪素化合物（Ｂ）と、下記一般式（３）
Ｒ2 ＣＨ2 ＯＨ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
（但し、Ｒ2 は、水素原子又は１〜１２個の炭素原子を有する非置換の若しくは置換基を有するアルキル基を表す。）で示されるアルコール（Ｃ）と、蓚酸（Ｄ）とを、珪素化合物（Ａ）１モルに対して珪素化合物（Ｂ）０．０５〜０．４３モルの比率に、珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基１モルに対してアルコール（Ｃ）０．５〜１００モルの比率に、そして珪素化合物（Ａ）と珪素化合物（Ｂ）に含まれる全アルコキシ基１モルに対して蓚酸（Ｄ）０．２〜２モルの比率に含有する反応混合物を形成させ、そしてこの反応混合物を、 その中の珪素原子から換算された０．５〜１０重量％のＳｉＯ2 濃度に維持すると共に水の不存在を維持しながら、当該反応混合物中珪素化合物（Ａ）及び珪素化合物（Ｂ）の全残存量が５モル％以下となるまで、５０〜１８０℃で加熱することからなる、電極基板表面上に液晶垂直配向膜を形成させるための塗布液の製造方法。
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-
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