JP4665487B2 - 新規ジアミンおよびそれを原料とするポリマー - Google Patents

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Description

本発明は新規なジアミン、そのジアミンを用いたポリアミック酸またはポリイミド、これらのポリマーを用いた液晶配向剤及びこの配向剤を用いた配向膜を有する液晶表示素子に関する。
液晶表示素子は画面の拡大化やカラー化、コントラストや発色等の表示品位や応答速度向上の要求に伴い、ツイステッドネマチック(Twisted Nematic:TN)から、スーパーツイステッドネマチック(Super Twisted Nematic :STN)へ、さらに画素1つ1つに薄膜トランジスタ(Thin Filmed Transistor:TFT)を取り付けたTFT型表示素子へと発展してきている。近年ではTFT型表示素子の駆動方式の改良が進み、例えば視野角をさらに拡大するため、イン−プレ−ン−スイッチング(In Plain Switching:IPS)方式や垂直配向(Vertical Alignment:VA)方式が開発され、さらに動画対応可能な応答速度を持つ光学補償ベンド(Optically Compensated Bend:OCB)方式が開発されている。
配向膜は液晶表示素子において液晶分子を一定方向に配向させること、基板平面に対して傾けること(プレチルト角を付与する)の2つの役割を果たしている。基板平面に対する液晶分子の傾きはプレチルト角と呼ばれる。本明細書中でも以降この名称を使用する。配向膜には、分子配向の経時的な、化学的な、および熱的な劣化を最小限に抑えるため、ガラス転移点(Tg)が高く耐薬品性や耐熱性に優れたポリイミド薄膜がその材料として主に使用されている。配向膜は、通常ポリアミック酸または可溶性ポリイミド等を含んだ溶液(液晶配向剤)をスピンナー法や印刷法等により電極付ガラス基板に塗布し、その基板を加熱してポリアミック酸を脱水、閉環するか、または可溶性ポリイミド溶液の溶媒を蒸発させることによってポリイミドの薄膜を得、さらにラビング等の配向処理工程を経て得られる。
このような配向膜には下記のような液晶表示素子にもたらす効果が要求される。
(1)液晶分子に適切なプレチルト角を付与すること。しかも該プレチルト角が、ラビング時の押込み強度や加熱時の温度の差による変化が小さいこと。
(2)液晶表示素子の配向の欠陥が発生しない配向処理が可能であること。
(3)液晶表示素子に適切な電圧保持率(Voltage Holding Ratio: VHR)を与えることができること。
(4)液晶表示素子に任意の画像を長時間表示させた後、別の画像に変えたときに前の画像が残像として残る「焼き付き」と呼ばれる現象が起きにくいこと。
特にTFT型表示素子に用いられる高品質な配向膜は、高い電圧保持率を有し、しかも焼き付き現象を起こしにくいことが要求されている。
焼き付き現象は、印加電圧により生じた電気二重層の緩和に起因するもの、液晶表示素子に含まれるイオン等の荷電粒子が電圧印加により局在化することによって発生する残留電荷に起因するもの、液晶に対する低い配向規制力に起因するもの等があるといわれている。特に、対向する基板間の液晶のねじれ角が大きいSTN方式や櫛型電極を用い液晶に印加する電界方向が基板界面にほぼ平行となるIPS方式の液晶表示素子においては、液晶に対する配向規制力の大きい配向膜が求められている。
また特にIPS方式の表示素子では、黒表示を行った場合に光漏れの少ないこと(黒レベルが良いこと)が求められている。この黒レベルを良くするためには、上記のように、液晶に対する配向規制力が大きいだけでなく、膜表面の配向方向がラビングにより良く揃うような配向膜材料が必要である。
さらに、近年駆動電圧の低電圧化に伴って誘電率異方性が大きい液晶が用いられるようになるにつれて、ディスプレイの面内に発生する表示むら(輝度むら)が問題視されるようになっている。特に、配向膜をラビング処理したときに発生する削りかすを除去するため水洗を行うと、水洗した跡が表示むらとして残ってしまう現象が発生する場合があり、大きな問題となっている。
特許文献1には式(A)の構成単位を有するポリマーが液晶配向膜として使用できることが記載されている。しかしながらこのポリマーを液晶配向膜として使用したときの特性に関する記載はない。

Figure 0004665487

特許文献2には式(B)の化合物を含むポリアミック酸と他のポリアミック酸溶液とを混合した配向剤を配向膜として用いることにより、配向性、消費電流、VHRおよび残留電荷の特性を改善できることが記載されている。

Figure 0004665487

特許文献3には式(C)の化合物を含むポリアミック酸と他のポリアミック酸溶液とを混合した配向剤を配向膜として用いることにより、配向性を改善できることが記載されている。

Figure 0004665487
特開平11−322925号公報 特開平11−193346号公報 特許第3169062号
本発明は上記の液晶表示素子に要求される諸特性を高水準で満たす液晶配向膜を提供するための材料であるポリアミック酸またはポリイミドを提供することである。
本発明者等は上記の課題の解決のため鋭意研究した。その結果、液晶表示素子に使用される液晶配向膜の材料として、下記の構成によるジアミンを原料として合成されるポリアミック酸および/またはポリイミドを使用することにより、所期の目的が達成できることを見い出し、この知見に基づいて本発明を完成した。
本発明は、以下から構成される。
[1] 式(1)で表されるジアミン

Figure 0004665487
式(1)において、Qは−(CH−または−((CHO)(CH−であり、nは3から10の整数であり、mは1から3の整数であり;Aは独立に単結合またはベンゼン環の任意の水素がフッ素、炭素数1〜4のアルキル若しくは炭素数1〜4のアルコキシで置き換えられもよい1,4−フェニレンであり;RおよびRは独立に水素、フッ素、炭素数1〜4のアルキルまたは炭素数1〜4のアルコキシであり;RおよびRは独立に水素またはフッ素であり;Xは独立に単結合、酸素、または硫黄であり;ただし、Qが−(CH−であり、Aが単結合でXが単結合または硫黄のとき、RまたはRのどちらか一方はフッ素、炭素数1〜4のアルキルまたは炭素数1〜4のアルコキシであり、Aが単結合、かつXが酸素のとき、R〜Rの少なくとも1つはフッ素であり、Qが−(CH −であり、nが4から9の整数であり、Aが単結合であり、一方のXが単結合、他方のXが酸素のとき、R 〜R は水素ではなく、Qが−(CH O(CH −であり、Aが単結合であり、Xが酸素のとき、R 〜R は水素ではない
以 上
[2] 式(1−A)〜(1−L)の何れかで表される項1に記載のジアミン。

Figure 0004665487
[3] 式(1)において、RおよびRが独立にフッ素、水素またはtert−ブチルであり、RおよびRが水素であり、Aが単結合または1,4−フェニレンである、項1または2に記載のジアミン。
[4] 式(1)においてXが単結合である項1または3に記載のジアミン。
[5]式(1)においてXが酸素である項1または3に記載のジアミン。
[6] 式(1)においてXが硫黄である項1または3に記載のジアミン。
[7] 式(2−1)で表わされる構成単位が10〜100モル%と、式(2−2)で表される構成単位が90〜0モル%からなるポリアミック酸。

Figure 0004665487

Figure 0004665487
式(2−1)及び(2−2)において、Qは−(CH−または−((CHO)(CH−であり、nは3から10の整数であり、mは1から3の整数であり;Aは独立に単結合またはベンゼン環の任意の水素がフッ素、炭素数1〜4のアルキルまたは炭素数1〜4のアルコキシで置き換えられてもよい1,4−フェニレンであり;RおよびRは独立に水素、フッ素、炭素数1〜4のアルキルまたは炭素数1〜4のアルコキシであり;RおよびRは独立に水素またはフッ素であり;Xは独立に単結合、酸素または硫黄であり;Rは独立に炭素数4〜30の4価の有機基であり;Rは炭素数2〜60の2価の有機基であり;ただし、Qが−(CH−であり、Aが単結合でXが単結合または硫黄原子のとき、RまたはRのどちらか一方はフッ素、炭素数1〜4のアルキルまたは炭素数1〜4のアルコキシであり、Aが単結合、かつ、Xが酸素のとき、R、R、RおよびRの少なくとも1つはフッ素である。
[8] 式(2−1)及び(2−2)において、Rが独立に式(3)〜(11)で表される基から選ばれる4価の基の少なくとも1つである項7に記載のポリアミック酸。
Figure 0004665487
これらの式において、Gは単結合、炭素数1〜12のアルキレン、1,4−フェニレンまたは1,4−シクロヘキシレンであり;Gは単結合、−CH−、−CHCH−、−O−、−CO−、−S−、−C(CH−または−C(CF−であり;Xは独立に単結合またはCH−であり;R32、R33、R34およびR35は独立に水素、メチル、エチルまたはフェニルであり;R36は水素またはメチルであり;R37は水素、メチル、エチルまたはフェニルであり;Aはシクロヘキサン環またはベンゼン環であり;qは1または2であり;式(11)で示される基は2個の結合手が互いにα−位に位置する2組の結合手よりなる。
[9] Rが独立に、下記(I)〜(V)で示される基の何れかである項8に記載のポリアミック酸。

Figure 0004665487
[10] Rは、下記基の何れかである、項7〜9の何れか1項に記載のポリアミック酸。

Figure 0004665487

ここで、Bnはベンジルを表す。
[11] 式(2−1)において、RおよびRが独立にフッ素、水素またはtert−ブチルであり、RおよびRが水素であり、Aが単結合または1,4−フェニレンである、項7〜10の何れか1項に記載のポリアミック酸。
[12] 式(2−1)において、その一部を構成する基である式(2−3)で表わされる基が式(1−A)〜(1−L)で表わされるジアミンのジアミン残基である式(1−a)〜(1−l)で表される基の何れかである項7〜11の何れか1項に記載のポリアミック酸。

Figure 0004665487

Figure 0004665487
[13] 式(2−1)においてXが単結合である項7〜11の何れか1項に記載のポリアミック酸。
[14] 式(2−1)においてXが酸素である項7〜11の何れか1項に記載のポリアミック酸。
[15] 式(2−1)においてXが硫黄である項7〜11の何れか1項に記載のポリアミック酸。
[16] 重量平均分子量が5,000〜500,000である項7〜15の何れか1項に記載のポリアミック酸。
[17] 項7〜16の何れか1項に記載のポリアミック酸を脱水して得られるポリイミド。
[18] 項7〜16の何れか1項に記載のポリアミック酸を含有する液晶配向剤。
[19] 項17に記載のポリイミドを含有する液晶配向剤。
[20] 項18または19に記載の液晶配向剤から得られた液晶配向膜。
[21] 項20に記載の液晶配向膜を用いた液晶表示素子。
本発明の液晶配向剤は、安定なプレチルト角を発現し、高い電圧保持率(VHR)を有し、残留DCが少なく、表示むらが発生し難い等、液晶表示素子に要求される諸特性を高水準で満たしながら、特に優れた配向性を発現する液晶配向剤である。
以下の説明では、ポリアミック酸およびポリイミドを総称してポリマーと表記することがある。本発明の特徴は式(1)で表わされる構造を有する新規なジアミンを用いることであり、このジアミンを用いた式(2−1)で表わされる構成単位を有し、場合により式(2−2)で表わされる構成単位を有するポリアミック酸およびこのポリアミック酸から誘導されるポリイミドに関する。これらポリマーを成分の少なくとも1つとする液晶配向剤は、液晶配向膜としたとき、前述の要求を満足する特性を発現する。
尚、本発明のポリマーはポリアミック酸とポリイミドからなり、そのうちポリイミドはポリアミック酸のアミック酸が部分的に、あるいは完全にイミド化されたポリマーを表わす。更に本発明はこれらポリマーのブレンドも包含するものであり、例え部分的であり、イミド化されたポリマーを含有するポリマーブレンドをもポリイミドと称するものである。
式(1)におけるR1およびRは、水素、フッ素、炭素数1〜4のアルキルおよび炭素数1〜4のアルコキシの中から任意に選択することができる。
式(1)におけるRおよびRは、水素およびフッ素の中から任意に選択することができる。
前述の要求特性のうちで、残留DCを低減し配向膜の削れによる表示不良を防ぐには、R、R、R、およびRにメチル、エチル、メトキシ、フッ素等の比較的小さな置換基を導入するのが好ましい。また特に配向膜のVHRを高くするためには、R、R、R、およびRにプロピル、ブチル、イソプロピル、tert−ブチル、エトキシ、プロピルオキシ、ブトキシ、イソプロポキシまたはtert−ブトキシ等のかさ高い置換基を導入すればよい。
前述の要求特性のうちで特に残留DCを低減したい場合、Aに1,4−フェニレンを選択するのが好適である。
一般式(2−1)において、Xは単結合、酸素、または硫黄を表わす。このとき液晶配向剤により高いVHRを付与させたい場合、Xが単結合もしくは酸素であることが好ましく、Xが単結合であることが最も好ましい。また例えばIPS用液晶配向膜では、焼き付き現象を抑えるため、ポリマーの体積抵抗率の小さな液晶配向膜が有用であることがSID国際シンポジウム ダイジェスト、1166ページ、2003年等に記載されている。このような目的にはXが酸素もしくは硫黄であることが好ましく、Xが硫黄であることが最も好ましい。
式(1)及び(2−1)におけるQは−(CH−もしくは−((CHO)(CH−であるが、本発明の配向膜が良好な配向性を保持しつつラビング時の削れ等を防止するために、nは3から10の整数またはmは1から3の整数である。好適な例は、1,3−プロピレン、1,4−ブチレン、1,5−ペンチレン、1,6−へキシレン、1,7−へプチレン、1,8−オクチレン、1,9−ノニレン、1,10−デシレンである。また例えばプレチルト角を大きくする等の理由により、本発明液晶配向膜の表面エネルギーを小さくしたい場合、Qとして−(CH−を選択するのが好ましい。また本発明の液晶配向膜の表面エネルギーを大きくしたい場合、Qとして−((CHO)(CH−を選択するのが好ましい。
式(1)で表されるジアミンの好適な例として、Xを単結合に限定した場合を、表1〜表5に示す。
Figure 0004665487
Figure 0004665487
Figure 0004665487
Figure 0004665487
Figure 0004665487
表1〜表5において、Phは1,4−フェニレンを表す;置換位置はアミノ基に対する位置を表す;Meはメチルを表す;Etはエチルを表す;Prはプロピルを表す;Buはブチルを表す;t−Buはtert−ブチルを表す。
式(1)で表されるジアミンの好適な例として、Xを酸素に限定した場合を、表6〜表7に示す。
Figure 0004665487
Figure 0004665487
表6及び7において、Phは1,4−フェニレンを表す;置換位置はアミノ基に対する位置を表す;Meはメチルを表す;Etはエチルを表す;Prはプロピルを表す;Buはブチルを表す;t−Buはtert−ブチルを表す。
式(1)で表わされるジアミンの好適な例として、Xを硫黄に限定した場合を、表8〜10に示す。
Figure 0004665487
Figure 0004665487
Figure 0004665487
表8〜表10において、Phは1,4−フェニレンを表わし、その置換位置はアミノ基に対する位置を表わす;Meはメチルを表わす;Etはエチルを表わす;Prはプロピルを表わす;Buはブチルを表わす;t−Buはtert−ブチルを表わす。
式(1)で表わされるジアミンの好適な例として、Qが−((CHO)(CH−である場合を、表11に示す。
Figure 0004665487
本発明の式(2−1)、(2−2)中のR5で表される4価の有機基を生ずるテトラカルボン酸二無水物としては、公知の全てのテトラカルボン酸二無水物が使用できる。特に好適な例を、表12〜表14に示す。
Figure 0004665487
Figure 0004665487
Figure 0004665487
これらの化合物の中には異性体を含むものがあるが、これらの異性体混合物であってもよい。また本発明に使用するテトラカルボン酸二無水物は上記化合物以外でもよい。
これら好適例のテトラカルボン酸二無水物から構成される式(2)で表されるポリアミック酸またはポリイミドからなる液晶配向膜は、いずれも配向膜として必要とされる上記特性を満たす。従って、しきい値電圧が低い液晶組成物を含有し、低電圧で駆動するTFT型表示素子用の配向膜として特に優れている。
液晶表示素子に高いVHRを特に付与したい場合、No.4−2、4−12、4−13、4−14、4−15、4−16、4−17、4−18、4−20、4−21、4−22、4−23、4−24、4−28、4−29、4−30、4−31、4−32、4−38等の脂環骨格を有する化合物を少なくとも1つ選択することにより、これが達成できる。また特に焼き付き現象を防ぎたい場合、No.4−1、4−3、4−4、4−5、4−6、4−7、4−8、4−9、4−10、4−11、4−19等の化合物とその他の化合物を適宜組み合わせることにより、これが達成できる。
式(2−2)のRで表される有機基を生ずるジアミンとしては、公知の全てのジアミンが使用できる。特に好適な例を,表15〜表17に示す。
Figure 0004665487
Figure 0004665487
Figure 0004665487
これら好適例のジアミンから構成される式(2−1)で表される構成単位を有し、場合により式(2−2)で表わされる構成単位を含有するポリアミック酸からなる液晶配向膜は、いずれも配向膜として必要とされる上記特性を満たす。従って、しきい値電圧が低い液晶組成物を含有し、低電圧で駆動するTFT型表示素子の配向膜用として特に優れている。
液晶のプレチルト角は、一般的にポリアミック酸やポリイミドの側鎖の大きさを変化させることで調節するが、多くの場合、ジアミン残基の大きさを変えることでこれを行う。式(2−2)のRとして、表5の好適例No.5−1〜5−33、5−35、5−37、および5−40〜5−42で表されるジアミンを使用すれば、小さなプレチルト角が要求されるIPSモード用配向膜として特に好適である。またNo.5−33〜5−36、5−38、5−39、および5−43〜5−52で表されるジアミンを使用すれば、比較的大きなプレチルト角が要求されるTN、OCB、およびVA用配向膜として特に好適である。これらの点を総合的に考慮して好ましいRはNo.5−8、5−12、5−13、5−18、5−22、5−36、5−37、5−38、5−41、5−42、5−44、5−46である。
配向膜に要求される特性をさらに効果的に発現させるため、薄膜化したときの表面エネルギーの値が異なるポリマーを溶剤に溶解したワニスを2種類以上混合する方法(以下、ポリマーブレンドという)がしばしば行われている。たとえば、特開平8−43831号公報には、2成分以上のポリマー混合液から樹脂塗膜を形成した場合、表面張力の小さい成分が自発的に膜表面に偏析しやすい特性を利用して、良好な液晶配向特性を示す樹脂塗膜の表面張力を、良好な電気的特性を発現する樹脂塗膜の表面張力よりも2dyne/cm以上小さくすることにより、配向膜表面には良好な液晶配向性を示す樹脂を形成させ、配向膜内部には良好な電気的特性を発現する樹脂を形成させて配向膜を得る方法が開示されている。
本発明のポリアミック酸およびこれから誘導されるポリイミドも配向膜に要求される特性を向上するため、互いに異なる本発明のポリマー同士または本発明のポリマーと他のポリマーを上述したような目的でポリマーブレンドを行うこともできる。
一般式(2−1)で表される構成単位を有するポリマーは、特に優れた液晶配向性を有する。したがって本発明のポリマーと他のポリマーとのポリマーブレンドを行う場合、本発明ポリマーを表面張力の小さい成分として用いれば、安定した液晶配向特性を効果的に発現する配向膜を得ることができる。このような目的には一般式(2−2)で表される構成単位のRとして、既述の大きな側鎖を有する置換基を用いることが好適である。
ポリマーブレンドは、互いに異なる本発明のポリマー溶液、または本発明のポリマー溶液と他のポリマーの溶液とを混合して混合物とし、この混合物溶液から溶媒を留去して得られる。この混合物溶液から配向膜を製造するには、これを適当な溶媒で希釈した溶液(ワニス)にして用いる。この混合物溶液のポリマー各成分の濃度が所望通りであれば、希釈することなくそのまま配向膜の製造に用いてもよい。
本発明の液晶配向膜の特性を更に改善し、配向膜のガラス基板への密着性の改善や硬さの調節等を行うために、有機シリコーン化合物等を本発明の液晶配向剤に添加してもよい。
配向膜のガラス基板への密着性の改善や硬さの調節等を行うために、本発明の液晶配向剤へ添加される有機シリコーン化合物として、シランカップリング剤の例は、アミノプロピルトリメトキシシラン、アミノプロピルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、N-(2-アミノエチル)3-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N-(2-アミノエチル)3-アミノプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシランであり、シリコーンオイルの例は、ジメチルポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサンである。該有機シリコーン化合物の配向剤への添加量は、配向剤に含有される反応生成物固形分に対し、0.01〜5重量%、好ましくは0.1〜3重量%である。
本発明の各液晶配向剤を調製するために使用される溶媒の例は、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、エチレングリコールモノブチルエーテル(BC)、エチレングリコールモノエチルエーテル、g-ブチロラクトンである。これらの2種以上を混合して用いてもよい。また、上記溶媒以外であっても反応生成物が可溶であればこれらに限定されるものではない。
ガラス基板への塗布が容易に行うことが出来かつラビング時の削れを防ぐため、本発明のポリアミック酸の重量平均分子量は、好ましくは5,000〜500,000であり、より好ましくは10,000〜100,000である。また最新のインクジェット法による印刷による塗布を行う場合、これらの分子量は、好ましくは5,000〜100,000であり、より好ましくは10,000〜50,000である。本発明のポリイミドとしては上記分子量のポリアミック酸から誘導されるポリイミドが好ましい。
該溶媒に総重量の0.1〜30重量%、好ましくは1〜10重量%の濃度で、本発明のポリマーの少なくとも一種、およびその他の成分を溶解し液晶配向剤を調製し、この配向剤を刷毛塗り法、浸漬法、スピンナー法、スプレー法、印刷法等により基板上に塗布する。その後50〜150℃、好ましくは80〜120℃で溶媒を蒸発させた後、150〜400℃好ましくは180〜280℃で加熱し、成膜する。塗布前に基板表面上をシランカップリング剤で処理し、その上に成膜すれば膜と基板との接着性を改善できる。その後この膜表面を布などで一方向にラビングし配向膜が得られる。
上記の構成による本発明のポリマーを含有する液晶配向剤は、配向膜、保護膜、絶縁膜等として使用できるが、特に液晶表示素子用の配向膜として最適である。この配向剤は、ポリアミドイミド、ポリアミド等の他の高分子化合物を混合することもできる。
また、本発明のポリマーは液晶配向膜以外にも、各種ポリイミドコーティング剤、あるいはポリイミド樹脂成型品、フィルム、または繊維などに利用することができる。
本発明の式(1)で表される化合物は下記に記述する方法により合成できる。
(1)Aが単結合である場合
Figure 0004665487
(式中、Q、R、R、R、およびRは既述の通りであり、Prt.は保護基を表し、Tは炭素数が1から8の直鎖または分岐アルキレンを表す。)
第1段階;式(1−1)で表せる市販のフェノール誘導体をBull. Chem. Soc. Jpn., 60, 4187 (1987)またはSynlett, 1241 (1997)等に従い、ブロモ化を行い式(1−2)で示される化合物を得る。
第2段階;常法に従い式(1−2)で示される化合物をメチルやベンジル等の保護基で保護する。
第3段階;Organic Reaction, 22, 253 (1975)等に従い、式(1−3)で示される化合物をグリニヤール試薬とし、式(1−4)で表せる酸塩化物とカップリング反応させ、ついで酸による加水分解により、目的とする式(1−5)で示される化合物が得られる。
第4段階;式(1−5)で示される化合物をシラン還元やWolff-Kishner還元等により式(1−7)で示される化合物に変換する。
第5段階;常法に従い、式(1−7)で示される化合物を塩化チオニル等によりクロル化し、式(1−8)で示される化合物とし、上記と同様に式(1−9)で示される化合物と反応させることにより式(1−10)で示される化合物が得られる。
第6段階;式(1−10)で示される化合物を脱保護することで、式(1−11)で示される化合物が得られる。このものを常法に従い無水トリフルオロ酢酸等と反応させることにより、式(1−12)で示される化合物が得られる。
第7段階;Tetrahedron Lett., 38, 6367 (1997)等に従いトリフラート基をアミノ基に変換することにより目的とする式(1)で示される化合物が得られる。
=RおよびR=Rである化合物は、上記反応において、式(1−4)で示される化合物の2倍当量の式(1−3)で示される化合物を用いることによりさらに容易に合成できる。
Figure 0004665487
(2)Aが1,4−フェニレンである場合
(式中、R、R、R、Rは水素、炭素数1〜4のアルキル、アルコキシ、またはフッ素を表す。)
式(1−12)で示される化合物をJ. Org. Chem., 58, 2201 (1993)およびSynthesis, 735 (1993)等の方法に従い式(1−13)で示される化合物で表わせるボロン酸誘導体と反応させることにより得られる。このとき式(1−13)で示される化合物はJ. Am. Chem. Soc., 80, 3609 (1958)およびUS4462819等に従って得られる。
本発明の式(1)で表される化合物は、以下の実施例で示す方法によっても合成できる。
以下実施例により、本発明のポリマーを用いることによって得られる製品、すなわちポリイミド樹脂の液晶配向剤を詳細に説明する。実施例中、反応は全て窒素雰囲気下で行い、分子量の測定はGPC法を用い、ポリスチレンの標準溶液を用い、溶出液はDMFを用いて測定した。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
液晶表示素子の評価法
以下に実施例で用いた液晶表示素子の評価法を記載する。
1.プレチルト角
クリスタルローテーション法により行った。
2.焼き付き(残留DC)
「三宅他、信学技報、EID91−111,p19」に記載の方法により、残留DCを測定した。測定は液晶セルに50mV、1kHzの交流および周波数0.0036Hzの直流の三角波を重畳させ行った。この残留DCを焼き付きの指標にした。つまり残留DCが多いほど焼き付きやすいとした。
3.電圧保持率
「水嶋他、第14回液晶討論会予稿集 p78」に記載の方法により行った。測定条件は、ゲート幅69μs、周波数60Hz、波高±4.5Vであった。
4.液晶配向性、黒レベル
偏光顕微鏡を用いた目視により行った。特に黒レベルは、クロスニコル状態において、入射光とセルのラビング方向を同一にした状態で観察した。
5.削れ
顕微鏡を用いた目視により行った。
実施例1
(1,3−ビス(4−アミノ−2−メチルフェニル)プロパン;化合物No.1−2の合成)
4‐ブロモ−2‐メチルベンズアルデヒド(Chem. Ber., 102, 2493 (1969))に従って合成)(10.0g、50mmol)、メチル(メチルチオ)メチルスルフォキサイド(12.4g、100mmol)、トリメチルベンジルアンモニウムヒドロキサイド 40%メタノール溶液(10ml)の混合物を5時間還流した。
冷却後、トルエン(50ml)および純水(50ml)を加え抽出操作を行った。有機層を0.5M硫酸水(50ml)および純水(50mlx2)で洗浄し、有機層を無水硫酸マグネシウムで乾燥した。ろ過および溶媒を減圧留去し、目的物の粗結晶を得た。この化合物にエタノール(20ml)および6MHCl(20ml)を加え、5時間還流した。溶媒を減圧留去した後、残さを酢酸エチル(50ml)および純水(50ml)で上記と同様な抽出操作を行った。得られた組成生物をアルコールでの再結晶を行うことにより、目的とする4‐ブロモ−2‐メチルフェニル酢酸を得た。収量7.4g(64%)。
この化合物(7.4g、32mmol)および鉄粉(1.8g、32mmol)を250℃で30分間加熱した。冷却後トルエン(100ml)を加え、不溶物をろ過した。トルエンを減圧留去した後、残さをカラムクロマトグラフィー(シリカゲル/トルエン)で精製し、目的とする1,3−ビス(4−ブロモ−2−メチルフェニル)−2−プロパノンを得た。収量3.8g(60%)。
この化合物(3.8g、9.6mmol)、ヒドラジン1水和物(1.9ml、39mmol)、およびKOH(0.77g、19mmol)のジエチレングリコール(10ml)溶液を140℃で1時間、200℃で2時間かくはんした。冷却後、トルエン(50ml)および純水(50ml)で抽出操作を行った。上記と同様な操作を行い、残さをカラムクロマトグラフィー(シリカゲル/ヘプタン)で精製し、目的とする1,3−ビス(4−ブロモ−2−メチルフェニル)プロパンを得た。収量3.4g(92%)。
この化合物(3.4g、8.9mmol)、ベンゾフェノンイミン(3.9g、21mmol)、酢酸パラジウム(40mg、0.18mmol)、2, 2'-ビス(ジフェニルフォスフィノ)-1, 1'-ビナフチル (BINAP、166mg、0.27mmol)、および炭酸セシウム(4.0g、12mmol)の混合物をトルエン(20ml)中7時間還流させた。冷却後、トルエン(40ml)および純水(50ml)を加え抽出を行った。上記と同様な操作を行い、残さをカラムクロマトグラフィー(シリカゲル/トルエン)で精製した。このものを5%Pd/Cを用い、トルエン−アルコール(1:1、100ml)中で常法に従い水素化分解反応した。触媒をろ過した後、溶媒を減圧留去した。残さをエタノールで再結晶することにより、目的とする1,3−ビス(4−アミノ−2−メチルフェニル)プロパンを得た。1.4g(61%)。
実施例2
(1,3−ビス(4−アミノ−2−フルオロフェニル)プロパン;化合物No.1−17の合成)
4‐ブロモ−2‐フルオロフェニル酢酸(8.0g、34mmol、特開昭62−252774号公報に記載の方法で合成)および鉄粉(1.9g、34mmol)を用い実施例1と同様な方法で反応させた。残さをカラムクロマトグラフィー(シリカゲル/トルエン)で精製し、目的とする1,3−ビス(4−ブロモ−2フルオロフェニル)−2−プロパノンを得た。収量4.0g(58%)。
この化合物を上記と同様に変換して目的とする1,3−ビス(4−アミノ−2−フルオロフェニル)プロパンを得た。
各段階の収率および精製条件を以下に示す。
Wolff-Kishner還元;精製:カラムクロマトグラフィー(シリカゲル/ヘプタン)。収率:90%。
ベンゾフェノンイミノ化;精製:カラムクロマトグラフィー(シリカゲル/ヘプタン)。
水素化分解;精製:再結晶(エタノール)。収率:64%。
実施例3
(1,5−ビス(4−アミノ−2−メチルフェニル)ペンタン;化合物No.1−35の合成)
4−ブロモ−3‐メチルアニソール(25g、124mmol)およびマグネシウム(3.3g、135mmol)から常法にしたがって調製したグリニヤール試薬(溶媒THF)をヨウ化銅(24g、126mmol)のTHF(200ml)溶液に0℃以下で加えた。ここにさらにグルタル酸クロリド(10.5g、67mmol)のTHF(50ml)溶液を0℃以下で加えた。室温で30分間かくはんした後、反応物を3NHCl(100ml)中に滴下した。トルエンで上記と同様に抽出操作を行った。得られた粗生成物をカラムクロマトグラフィー(シリカゲル/トルエン)で精製し、目的とする1,5−ビス(4−メトキシ−2−メチルフェニル)−1,5−ペンタジオンを得た。収量9.1g(43%)。
この化合物(9.0g、26mmol)、四塩化チタン(19.4g、104mmol)、および塩化メチレン80mlの混合物に、室温でトリエチルシラン18.6ml(114mmol)を添加し、そのまま室温で2時間かくはんした。反応後、反応混合物を氷水に投入し、上記と同様な抽出操作を行った。反応で生成するヘキサエチルシロキサンを減圧蒸留で除去し、目的とする1,5−ビス(4−メトキシ−2−メチルフェニル)ペンタンを得た。この化合物は精製を行わずそのまま次の反応に用いた。
この化合物(8.3g、26mmol)の塩化メチレン(80ml)溶液に−50℃以下で三臭化ホウ素(13g、52mmol)を加えた。室温で1晩かくはんした後、反応物を純水(80ml)に加えた。上記と同様な抽出操作を行った後、再結晶(シクロヘキサン)することによって、目的とする1,5−ビス(4−ヒドロキシ−2−メチルフェニル)ペンタンを得た。収量6.3g(86%)。
この化合物(6.3g、22mmol)のピリジン(20ml)溶液に、0‐5℃でトリフルオロメタンスルホン酸無水物(13.7g、49mmol)を加えた。室温で1晩かくはんした後、ピリジンを減圧留去し、トルエン−純水で抽出操作を行った。得られた粗生成物をカラムクロマトグラフィー(シリカゲル/トルエン)で精製し、目的とする1,5−ビス(4−トリフルオロメタンスルホニルオキシ−2−メチルフェニル)ペンタンを得た。収量10.7g(89%)。
この化合物(10.0g、18mmol)、ベンゾフェノンイミン(7.3g、40mmol)、酢酸パラジウム(81mg、0.36mmol)、BINAP(332mg、0.54mmol)、および炭酸セシウム(16.8g、54mmol)の混合物をTHF(100ml)中20時間還流させた。冷却後、溶媒を減圧留去した後、トルエン(200ml)および純水(200ml)を加え抽出を行った。上記と同様な操作を行い、残さをカラムクロマトグラフィー(シリカゲル/トルエン)で精製した。このものを5%Pd/Cを用い、トルエン−アルコール(1:1、200ml)中で常法に従い水素化分解反応した。触媒をろ過した後、溶媒を減圧留去した。残さをエタノールで再結晶することにより、目的とする1,5−ビス(4−アミノ−2−メチルフェニル)ペンタンを得た。収量2.3g(45%)。
実施例4
(1,5−ビス(4−(4−アミノフェニル)−2−メチルフェニル)ペンタン;化合物No.1−118の合成)
実施例3で合成した1,5−ビス(4−トリフルオロメタンスルホニルオキシ−2−メチルフェニル)ペンタン(4.0g、7.3mmol)、J. Am. Chem. Soc., 80, 3609 (1958)に従って合成した4−アミノフェニルボロン酸(2.0g、15mmol)、テトラキストリフェニルフォスフィノパラジウム(0)(210mg、0.18mmol)、炭酸ナトリウム(5.7g、54mmol)の混合物をトルエン/アルコール/純水=1/1/1(v/v/v、60ml)中、8時間還流させた。冷却後、トルエン−純水系で抽出操作を行った。上記と同様な操作を行い得られた粗生成物をカラムクロマトグラフィー(シリカゲル/トルエン:メタノール=20:1)で精製し、目的とする1,5−ビス(4−(4−アミノフェニル)−2−メチルフェニル)ペンタンを得た。収量1.8g(57%)。
実施例4−2
(1,3−ビス(4−(4−アミノフェニル)フェニル)プロパン;化合物No.1−100の合成)
WO8803134明細書に従って合成した1,3−ビス(4−ブロモフェニル)プロパン(10.0g、28mmol)、J. Am. Chem. Soc., 80, 3609 (1958)に従って合成した4−アミノフェニルボロン酸(7.7g、56mmol)、テトラキストリフェニルフォスフィノパラジウム(0)(780mg、0.67mmol)、炭酸ナトリウム(21g、200mmol)の混合物をトルエン/アルコール/純水=1/1/1(v/v/v、300ml)中、8時間還流させた。冷却後、トルエン−純水系で抽出操作を行った。上記と同様な操作を行い得られた粗生成物をカラムクロマトグラフィー(シリカゲル/トルエン:メタノール=20:1)で精製し、目的とする1,3−ビス((4−(4−アミノフェニル)フェニル)プロパンを得た。収量16g(54%)。
実施例5
(1,4−ビス(4−アミノ−2−t‐ブチルフェニルオキシ)ブタン;化合物の合成)
J. Org. Chem., 33, 223, (1968)記載の方法に従って合成した4−ニトロ−2−t‐ブチルフェノール(4.8g、25mmol)および1,4−ジブロモブタン(2.6g、12mmol)を用い、J. Polym. Sci., Part A, Polym. Chem., 31, 1423 (1993)と同様な方法に従い合成した。
実施例5−2
(ジ(2−(4−アミノフェニルスルファニル)エチル)エーテルの合成;化合物No.3−4−6の合成)
4−ニトロチオフェノール(20.0g、129mmol)、2−クロロエチルエーテル(9.2g、64mmol)、およびKCO(21g、150mmol)をDMF(100ml)中、80℃で4時間反応させた。冷却後、反応液に純水(100ml)および塩化メチレン(200ml)を加え、抽出を行った。有機層を純水(100ml)で2回洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥させた。ろ過および溶媒を減圧留去後、残さをカラムクロマトグラフィー(シリカゲル/塩化メチレン)および再結晶(トルエン)により精製し、目的とするジ(2−(4−ニトロフェニルスルファニル)エチル)エーテルを得た。収量22g(91%)。
この化合物(22g、58mmol)および鉄粉(19g、340mmol)を50%エタノール水溶液(40ml)中に溶解し窒素気流下、還流した。ここに1N塩酸50%エタノール水溶液(20ml)をゆっくり滴下した。滴下後、さらに3時間還流させた。冷却後、30% NaOH水溶液を加え、pH12とした。この反応液に塩化メチレン (100ml)を加え、セライトろ過した。有機層を純水(100ml)で2回洗浄後、無水硫酸マグネシウムで乾燥した。ろ過および溶媒を減圧留去後、カラムクロマトグラフィー(シリカゲル/塩化メチレン:メタノール=1:1)および再結晶(エタノール)で精製することにより目的物を得た。収量14g(74%)。
実施例5−3
(1,4−ビス(4’−アミノジフェニル−4−スルファニル)ブタンの合成;化合物No.3−56の合成)
4−ニトロチオフェノールに換えてJ.Am.Che.Soc.,200,122(3688)に記載の4−(4−ニトロフェニル)チオフェノールを、2−クロロエチルエーテルに換えて1,4−ジブロモブタンを用いる以外は実施例5−2と同様な方法により合成した。トータル収率54%。
実施例6
(ポリアミック酸6および該ポリアミック酸6を含有する液晶配向剤6の調製)
かくはん機、窒素導入口、温度計、及び原料導入口を供えた100mlの4つ口フラスコに、実施例1で合成した1,3−ビス(4−アミノ−2−メチルフェニル)プロパン1.145g(4.500mmol)を投入し、NMP10gに溶解した。ここにピロメリット酸二無水物(以下、PMDAという。)0.4908g(2.250mmol)および1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物(以下、CBTAという。)0.4412g(2.250mmol)を加え、6時間かくはんした。その後この溶液をNMP29gで希釈することにより、ポリアミック酸濃度が約5重量%の透明溶液が得られた。このポリマーの重量平均分子量は5.6万であり、この溶液の25℃での粘度は35mPa・sであった。以下この溶液を液晶配向剤6とする。
実施例7
(ポリアミック酸7および該ポリアミック酸7を含有する液晶配向剤7の調製)
1,3−ビス(4−アミノ−2−メチルフェニル)プロパンに換えて実施例2で合成した1,3−ビス(4−アミノ−2−フルオロフェニル)プロパン1.1803g(4.500mmol)を用いた以外は実施例に準拠してワニスを得た。このポリマーの重量平均分子量は5.5万であり、この溶液の25℃での粘度は32mPa・sであった。以下この溶液を液晶配向剤7とする。
実施例8
(ポリイミドおよび該ポリイミドを含有する液晶配向剤8の調製)
実施例6の方法で調製したワニス1に無水酢酸4.6g(45mmol)を加え、100℃で1時間反応した。冷却後、反応液を純水100mlに加え、生じた沈殿をろ過した。沈殿を純水(25ml)およびメタノール(25ml)で洗浄し、これを真空乾燥することにより、ポリイミドを得た。物性評価にはこのポリマーをNMPに溶解し濃度5%の溶液として用いた。以下この溶液を液晶配向剤8とする。
実施例6および7に準じた方法によって、表6に示す液晶配向剤を調製した。
Figure 0004665487
実施例22
スクリューバイアルに実施例6の方法で調製した液晶配向剤6の10gにBC6.7gを加え、濃度約3重量%の溶液を得た。片面にITO電極を設けた透明ガラス基板上に、この溶液を滴下し、スピンナー法により塗布した(2500rpm、15秒)。塗布後80℃で5分間加熱し、溶媒を蒸発させた後、オーブン中で250℃、30分間加熱処理を行い、膜厚約60nmのポリイミド樹脂薄膜を得た。該樹脂薄膜が形成されたガラス基板をラビング処理し、ラビング方向が逆平行になるようにこれらの2枚を貼り合わせ、セル厚20μmの液晶セルを組み立てた。このセルに下記の化合物からなる液晶組成物Aを注入し、110℃で30分間アイソトロピック処理を行い、室温まで冷却し液晶表示素子を得た。この液晶表示素子の残留DCは25℃で0.25Vであり、20、60、および90℃におけるVHRはそれぞれ99.6、98.9、96.7%であった。またこの表示素子を用いてプレチルト角を測定した結果、1.2度であった。さらに顕微鏡による観察の結果、液晶の配向欠陥は観察されず、黒レベルも良かった。また削れも観察されなかった(以下、これらの測定値を初期値とする)。
このセルを110℃で20時間静置し、室温まで冷却した後、これらの値を再測定した。その結果残留DCは0.26V(25℃)であり、VHRは99.5(20)、98.5(60)、96.3%(90℃)、プレチルト角は1.2度であった。また液晶の配向欠陥は観察されず、黒レベルも良かった。さらに削れも観察されなかった(以下、これらの測定値を加熱後値とする)。
液晶組成物A
Figure 0004665487
実施例23
液晶配向剤6に換えてに液晶配向剤7を用いた以外は、実施例22に準じた方法で液晶表示素子を製作し、特性測定した。
初期値:残留DC;0.29V、VHR;99.1(20)、96.3(60)、94.9(90℃)%、プレチルト角;1.3度。配向欠陥および削れなし。黒レベル良。
加熱後値:残留DC;0.30V、VHR;99.0(20)、96.2(60)、94.7(90℃)%、プレチルト角;1.2度。配向欠陥および削れなし。黒レベル良。
実施例22および23に準じて以下の液晶表示素子を製作し、特性を測定した。
Figure 0004665487
実施例2
液晶配向剤6を液晶配向剤6と液晶配向剤21の混合物(液晶配向剤6:液晶配向剤21=10:1(重量比))に代えた以外は実施例22に準拠して液晶表示素子を製作し、特性測定した。
初期値:残留DC;0.48V、VHR;98.4(20)、97.4(60)、95.2(90℃)%、プレチルト角;7.5度。配向欠陥なし。黒レベル良。
加熱後値:残留DC;0.53V、VHR;98.3(20)、97.5(60)、94.5(90℃)%、プレチルト角;7.6度。配向欠陥なし。黒レベル良。
比較例1
特公平2−11615号公報(特許第1587418号明細書)に従い、化合物No.4−2および化合物No.5−13を用い実施例6の方法に準じて液晶配向剤Aを調製した。液晶配向剤6に換えて液晶配向剤Aを用いた以外は、実施例22に準じた方法で液晶表示素子を製作し、特性を測定した。その結果を表22に示す。
Figure 0004665487
実施例22から27と比較例1との比較により、本発明の液晶配向剤を用いれば、残留DCやVHR・等の特性を悪化することなく配向性および黒レベルの良い表示素子が製作できることが分かる。
比較例2
特開平5−43687号公報に従い、実施例6の方法に準じて以下の組成で液晶配向剤Bを調製した。液晶配向剤6に換えて液晶配向剤Bを用いた以外は、実施例22に準じた方法で液晶表示素子を製作し、特性を測定した。その結果を表23に示す。
酸無水物: 化合物No.4−1 100モル%
ジアミン: 化合物No.5−8 80モル%
化合物No.5−11 20モル%
Figure 0004665487
実施例29と比較例2との比較により、同程度のプレチルト角を付与する配向膜であっても本発明の液晶配向膜は残留DC(V)が少なく、VHRが高いことが分かる。また特に液晶の配向性が良いことが分かる。
比較例3
特許第3169062号に従い、実施例6の方法に準じて以下の組成で液晶配向剤Cを調製した。液晶配向剤6に換えて液晶配向剤Cを用いた以外は、実施例22に準じた方法で液晶表示素子を製作し、特性を測定した。その結果を表10に示す。
酸無水物;化合物No.4−1(表1)、100モル%
Figure 0004665487
Figure 0004665487

実施例26と比較例3との比較により、本発明の液晶配向剤はVHRが高いことが分かる。
実施例6で合成したポリアミック酸をメタノール中で再沈殿させ、それをろ過し、真空で加熱乾燥して得られたサンプルの赤外線吸収スペクトルである。

Claims (13)

  1. 式(1)で表されるジアミン
    Figure 0004665487
    式(1)において、Qは−(CH−または−((CHO)(CH−であり、nは3から10の整数であり、mは1から3の整数であり;Aは独立にベンゼン環の任意の水素がフッ素、炭素数1〜4のアルキル若しくは炭素数1〜4のアルコキシで置き換えられてもよい1,4−フェニレンであり;RおよびRは独立に水素、フッ素、炭素数1〜4のアルキルまたは炭素数1〜4のアルコキシであり;RおよびRは独立に水素またはフッ素であり;Xは単結合または硫黄である。
  2. 式(1)において、RおよびRが独立にフッ素、水素またはtert−ブチルであり、RおよびRが水素であり、Aが1,4−フェニレンである、請求項1に記載のジアミン。
  3. 式(2−1)で表わされる構成単位が10〜100モル%と、式(2−2)で表される構成単位が90〜0モル%からなるポリアミック酸。
    Figure 0004665487

    Figure 0004665487
    式(2−1)及び(2−2)において、Qは−(CH−または−((CHO)(CH−であり、nは3から10の整数であり、mは1から3の整数であり;Aは独立にベンゼン環の任意の水素がフッ素、炭素数1〜4のアルキルまたは炭素数1〜4のアルコキシで置き換えられてもよい1,4−フェニレンであり;RおよびRは独立に水素、フッ素、炭素数1〜4のアルキルまたは炭素数1〜4のアルコキシであり;RおよびRは独立に水素またはフッ素であり;Xは単結合、酸素または硫黄であり;Rは独立に炭素数4〜30の4価の有機基であり;Rは炭素数2〜60の2価の有機基である。
  4. 式(2−1)及び(2−2)において、Rが独立に式(3)〜(11)で表される基から選ばれる4価の基の1つである請求項に記載のポリアミック酸。
    Figure 0004665487
    これらの式において、Gは単結合、炭素数1〜12のアルキレン、1,4−フェニレンまたは1,4−シクロヘキシレンであり;Gは単結合、−CH−、−CHCH−、−O−、−CO−、−S−、−C(CH−または−C(CF−であり;Xは独立に単結合またはCH−であり;R32、R33、R34およびR35は独立に水素、メチル、エチルまたはフェニルであり;R36は水素またはメチルであり;R37は水素、メチル、エチルまたはフェニルであり;Aはシクロヘキサン環またはベンゼン環であり;qは1または2であり;式(11)で示される基は2個の結合手が互いに隣の炭素に位置する2組の結合手よりなる。
  5. が独立に、下記(I)〜(V)で示される基の何れかである請求項に記載のポリアミック酸。
    Figure 0004665487
  6. は、下記基の何れかである、請求項3〜5の何れか1項に記載のポリアミック酸。
    Figure 0004665487
    ここで、Bnはベンジルを表す。
  7. 式(2−1)において、RおよびRが独立にフッ素、水素またはtert−ブチルであり、RおよびRが水素であり、Aが1,4−フェニレンである、請求項3〜6の何れか1項に記載のポリアミック酸。
  8. 式(2−1)において、その一部を構成する基である式(2−3)で表わされる基が式(1−I)〜(1−K)で表わされるジアミンのジアミン残基である式(1−i)〜(1−k)で表される基の何れかである請求項3〜7の何れか1項に記載のポリアミック酸。
    Figure 0004665487

    Figure 0004665487
  9. 式(2−1)においてXが単結合である請求項3〜7の何れか1項に記載のポリアミック酸。
  10. 式(2−1)においてXが酸素である請求項3〜7の何れか1項に記載のポリアミック酸。
  11. 式(2−1)においてXが硫黄である請求項3〜7の何れか1項に記載のポリアミック酸。
  12. 重量平均分子量が5,000〜500,000である請求項3〜11の何れか1項に記載のポリアミック酸。
  13. 請求項3〜12の何れか1項に記載のポリアミック酸を脱水して得られるポリイミド。
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