JP5071659B2 - 液晶配向剤および液晶表示素子 - Google Patents
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Description
さらに近年、液晶を駆動するための2つの電極を片側の基板に櫛歯状に配置し、基板面に平行な電界を発生させ、液晶分子をコントロールする横電界型液晶表示素子が提案されている。この素子は一般的にインプレーンスイッチング型(IPS型)と呼ばれ、広視野角特性に優れることで知られている。特にIPS型素子を光学補償フィルムと併用した場合、視野角特性をさらに向上させることができ、階調反転や色調変化のない、ブラウン管にも匹敵する広視野角を得られることが大きな特徴である。
ところで、液晶配向膜の形成方法のひとつに、液晶配向剤のフレキソ印刷による方法が知られている。今般の基板サイズの大型化により、液晶配向剤を一度に大面積に塗布することの可能なフレキソ印刷法が主流となっている。フレキソ印刷法における印刷性の悪い配向剤の場合、膜厚ムラやピンホール等が発生することで、液晶表示素子とした場合に表示欠陥や輝度ムラが生じるため問題である。表示欠陥の低減かつ歩留まり向上の観点から、均一な塗布膜の形成が可能であり、かつピンホール等の発生のない液晶配向剤が求められている。また同時に、液晶表示素子の表示品位向上の観点から、従来にも増して電圧保持特性の高い液晶配向膜が求められている。
(a)下記式(1)
で表されるテトラカルボン酸二無水物と、
(b1)下記式(2)〜(5)
で表されるジアミンから選択される少なくとも1種と、
(b2)下記式(6)
で表されるジアミンから選択される少なくとも1種と、
(b3)下記式(7)〜(9)
で表されるジアミンから選択される少なくとも1種との反応によって得られるポリアミック酸および/またはそのイミド化重合体である第1の重合体、ならびに
上記第1の重合体以外のポリアミック酸および/またはそのイミド化重合体である第2の重合体
を含有する液晶配向剤によって達成される。
本発明によれば、本発明の上記目的は第2に、上記の液晶配向剤から得られた液晶配向膜を具備する液晶表示素子によって達成される。
(b1)上記式(2)〜(5)で表されるジアミンから選択される少なくとも1種と、
(b2)上記式(6)で表されるジアミンから選択される少なくとも1種と、
(b3)上記式(7)〜(9)で表されるジアミンから選択される少なくとも1種との反応によって得られるポリアミック酸(以下、「特定ポリアミック酸」という。)および/またはそのイミド化重合体である第1の重合体を含有する。以下、本発明の液晶配向剤に含有される第1の重合体を合成するために用いられるテトラカルボン酸二無水物およびジアミンについて説明する。
<テトラカルボン酸二無水物>
特定ポリアミック酸および/またはそのイミド化重合体の合成に用いられる(a)テトラカルボン酸二無水物は、上記式(1)で表される化合物であるが、例えば脂肪族テトラカルボン酸二無水物、脂環族テトラカルボン酸二無水物、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。
上記脂肪族テトラカルボン酸二無水物としては、例えばブタンテトラカルボン酸二無水物等を挙げることができる。
上記脂環族テトラカルボン酸二無水物としては、例えば下記式(10)
で表される化合物、下記式(13)
で表される化合物、下記式(14)または(15)
で表される化合物、1,2,3,4−シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,4,5−シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ジシクロヘキシルテトラカルボン酸二無水物、1,2,4−トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物、3,5,6−トリカルボキシノルボルナン−2−酢酸二無水物、テトラシクロ[4.4.0.12,5.17,10]ドデカン−3,4,8,9−テトラカルボン酸二無水物、2,3,4,5−テトラヒドロフランテトラカルボン酸二無水物、ビシクロ[2.2.2]−オクト−4−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物、ビシクロ[2.2.2]−オクト−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物などを挙げることができる。
上記式(12)で表される化合物の具体例としては、例えば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−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、1,3−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、1,3−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、1,3−ジクロロ−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などを挙げることができる。
これら(a)テトラカルボン酸二無水物は1種単独でまたは2種以上組み合わせて用いられる。
(a)テトラカルボン酸二無水物は、上記式(10)および(11)で表される化合物のうちの少なくとも1種を含有することが好ましい。この場合、上記式(10)および(11)で表される化合物の合計量が全テトラカルボン酸二無水物中に占める割合は、好ましくは50モル%以上であり、より好ましくは60〜100モル%であり、さらに80〜100モル%であることが好ましい。
特定ポリアミック酸および/またはそのイミド化重合体の合成に用いられるジアミンは、
(b1)上記式(2)〜(5)で表されるジアミンから選択される少なくとも1種(以下、「ジアミン(b1)」という。)と、
(b2)上記式(6)で表されるジアミンから選択される少なくとも1種(以下、「ジアミン(b2)」という。)と、
(b3)上記式(7)〜(9)で表されるジアミンから選択される少なくとも1種(以下、「ジアミン(b3)」という。)とを含有する。
<ジアミン(b1)>
上記式(2)〜(5)で表されるジアミン(b1)において、R1〜R4で表される炭素数1〜40の線状のアルキル基としては、例えばn−ヘキシル基、n−オクチル基、n−デシル基、n−ドデシル基、n−ペンタデシル基、n−ヘキサデシル基、n−オクタデシル基、n−エイコシル基など;
分枝状アルキル基としては、例えば1−メチルヘキシル基、1−エチルヘキシル基、2−メチルヘキシル基、2−エチルヘキシル基、1−エチルオクチル基、2−エチルオクチル基、3−エチルオクチル基、1、2−ジメチルヘキシル基、1、2−ジエチルヘキシル基、1、2−ジメチルオクチル基、1、2−ジエチルオクチル基、1−メチルデシル基、1−エチルデシル基、2−メチルデシル基、2−エチルデシル基など;
環状のアルキル基としては、例えばシクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロデカン、ノルボルネン、ビシクロオクタン、ビシクロウンデカン、アダマンタンなどの環状アルカンから水素原子を1個除去して得られる基、およびコレスタノールなどのステロール化合物から水酸基を除去して得られる基などを、それぞれ挙げることができる。
R1〜R4で表される炭素数4〜40の線状、分枝状もしくは環状のアルケニル基としては、上記で例示したアルキル基の有する炭素−炭素結合のうちの1つ以上が二重結合となった基を挙げることができる。
ジアミン(b1)としては、上記式(2)で表されるものが好ましく、上記式(2)においてR1が炭素数1〜20の線状、分枝状もしくは環状のアルキル基または炭素数4〜20の線状、分枝状もしくは環状のアルケニル基であるジアミンがより好ましい。
ジアミン(b1)は、印刷性の観点からジアミン(b1)、(b2)および(b3)の合計量に対して0.1〜40モル%の範囲で使用することが好ましく、1〜30モル%の範囲で使用することがより好ましい。
上記式(6)で表されるジアミン(b2)において、R5で表される炭素数1〜6のアルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基などを、炭素数1〜6のアルコキシル基としては、例えばメトキシル基、エトキシル基、ブトキシル基などを、それぞれ挙げることができる。
ジアミン(b2)の具体例としては、例えばp−フェニレンジアミン、m−フェニレンジアミン、4−メチル−1,2−フェニレンジアミン、4−エチル−1,2−フェニレンジアミン、4−メチル−1,3−フェニレンジアミン、4−エチル−1,3−フェニレンジアミン、2−メチル−1,4−フェニレンジアミン、2−エチル−1,4−フェニレンジアミン、2,5−ジメチル−1,4−フェニレンジアミン、2,5−ジエチル−1,4−フェニレンジアミン、2,3,5,6−テトラメチル−1,4−フェニレンジアミン、2−メトキシ−1,4−フェニレンジアミン、2−エトキシ−1,4−フェニレンジアミン、メトキシ−2,4−フェニレンジアミンなどが挙げられる。
ジアミン(b2)は、電気特性向上の観点からジアミン(b1)、(b2)および(b3)の合計量に対して10〜90モル%の範囲で使用することが好ましく、30〜80モル%の範囲で使用することがより好ましい。
上記式(7)〜(9)で表されるジアミン(b3)において、R7で表される1価の有機基としては、例えば炭素数1〜10のアルキル基、炭素数1〜10のアルコキシル基などを挙げることができ、具体的には例えばメチル基、エチル基、メトキシル基などを挙げることができる。
ジアミン(b3)の具体例としては、上記式(7)で表される化合物として例えば3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニル、2,2’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニル、2,2’,5,5’−テトラクロロ−4,4’−ジアミノビフェニル、2,2’−ジクロロ−4,4’−ジアミノ−5,5’−ジメトキシビフェニル、3,3’−ジメトキシ−4,4’−ジアミノビフェニル、4,4’−ジアミノ−2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ビフェニル、4,4’−ビス[(4−アミノ−2−トリフルオロメチル)フェノキシ]−オクタフルオロビフェニルなど;
上記式(8)で表される化合物として例えば4,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノ−1,2−ジフェニルエタン、4,4’−ジアミノ−1,3−ジフェニルプロパン、4,4’−ジアミノジフェニルスルフィド、4,4’−ジアミノベンズアニリド、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,4’−ジアミノジフェニルエーテル、3,3’−ジアミノベンゾフェノン、3,4’−ジアミノベンゾフェノン、4,4’−ジアミノベンゾフェノンなど;
上記式(9)で表される化合物として例えば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、1,10−ビス(4−アミノフェノキシ)デカン、2,2−ビス(4−アミノフェニル)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、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)−2,2−ジメチルプロパンなどを、それぞれ挙げることができる。
ジアミン(b3)は、得られる重合体の溶媒に対する溶解性の観点から、ジアミン(b1)、(b2)および(b3)の合計量に対して0.1〜70モル%の範囲で使用することが好ましく、1〜50モル%の範囲で使用することがより好ましい。
特定ポリアミック酸の合成に際しては、上記のジアミン(b1)ないし(b3)のほか、他のジアミンを併用してもよい。他のジアミンとしては、例えば脂肪族または脂環式ジアミン、分子内に2つの1級アミノ基および該1級アミノ基以外の窒素原子を有するジアミン、ジアミノオルガノシロキサン、芳香族ジアミンなどを挙げることができる。
上記ジアミノオルガノシロキサンとしては、例えば下記式(20)
で表される化合物など;
上記芳香族ジアミンとしては、例えば1,5−ジアミノナフタレン、5−アミノ−1−(4’−アミノフェニル)−1,3,3−トリメチルインダン、6−アミノ−1−(4’−アミノフェニル)−1,3,3−トリメチルインダン、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−(4−アミノフェノキシ)フェニル]ヘキサフルオロプロパン、2,2−ビス(4−アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、1,4−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3−ビス(3−アミノフェノキシ)ベンゼン、9,9−ビス(4−アミノフェニル)−10−ヒドロアントラセン、2,7−ジアミノフルオレン、9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン、4,4’−メチレン−ビス(2−クロロアニリン)、1,4,4’−(p−フェニレンイソプロピリデン)ビスアニリン、4,4’−(m−フェニレンイソプロピリデン)ビスアニリン、2,2’−ビス[4−(4−アミノ−2−トリフルオロメチルフェノキシ)フェニル]ヘキサフルオロプロパン、4−(4−n−ヘプチルシクロヘキシル)フェノキシ−2,4−ジアミノベンゼン、下記式(21)または(22)
で表される化合物などを、それぞれ挙げることができる。
上記式(21)で表される化合物としては、例えば下記式(23)〜(37)
特定ポリアミック酸の合成に際してジアミン(b1)ないし(b3)と他のジアミンとを併用する場合、他のジアミンの使用割合は、全ジアミンに対して25モル%以下であることが好ましい。
次に、本発明の液晶配向剤が含有することのできる特定ポリアミック酸の合成方法について説明する。
特定ポリアミック酸は、上記テトラカルボン酸二無水物と、ジアミン(b1)ないし(b3)および場合により他のジアミンとを、好ましくは有機溶媒中において、好ましくは−20℃〜150℃、より好ましくは0〜100℃の温度条件下で、好ましくは0.5〜72時間反応させることにより合成することができる。
特定ポリアミック酸の合成反応に供されるテトラカルボン酸二無水物とジアミンの使用割合は、ジアミンのアミノ基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0.5〜2当量となる割合が好ましく、さらに好ましくは0.7〜1.2当量となる割合である。
ここで、有機溶媒としては、合成される特定ポリアミック酸を溶解できるものであれば特に制限はなく、例えば1−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、3−ブトキシ−N,N−ジメチルプロパンアミド、3−メトキシ−N,N−ジメチルプロパンアミド、3−ヘキシルオキシ−N,N−ジメチルプロパンアミドなどのアミド系溶剤、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などの非プロトン系極性溶媒;m−クレゾール、キシレノール、フェノール、ハロゲン化フェノールなどのフェノール系溶媒を例示することができる。また、有機溶媒の使用量(α)は、テトラカルボン酸二無水物およびジアミン化合物の総量(β)の反応溶液の全量(α+β)に対する割合(モノマー濃度)が0.1〜30重量%になるような量であることが好ましい。
有機溶媒および貧溶媒を併用する場合、貧溶媒の使用割合は、有機溶媒および貧溶媒の合計量に対して好ましくは50重量%以下であり、より好ましくは20重量%以下であり、さらに10重量%以下であることが好ましい。
以上のようにして、特定ポリアミック酸を溶解してなる反応溶液が得られる。この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特定ポリアミック酸を単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよく、または単離した特定ポリアミック酸を精製したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。特定ポリアミック酸の単離は、上記反応溶液を大量の貧溶媒中に注いで析出物を得、この析出物を減圧下乾燥する方法、あるいは、反応溶液をエバポレーターで減圧留去する方法により行うことができる。また、この特定ポリアミック酸を再び有機溶媒に溶解し、次いで貧溶媒で析出させる方法、あるいは、エバポレーターで減圧留去する工程を1回または数回行う方法により、特定ポリアミック酸を精製することができる。
次に、本発明の液晶配向剤が含有することのできる特定ポリアミック酸のイミド化重合体の合成方法について説明する。
特定ポリアミック酸のイミド化重合体は、上記特定ポリアミック酸の有するアミック酸構造のうちの一部または全部を脱水閉環することにより合成することができる。本発明に用いることのできるイミド化重合体は、アミック酸構造のすべてが脱水閉環された完全イミド化体であってもよく、あるいはアミック酸構造の数とイミド環の数との合計に対するイミド環の数の割合(以下、「イミド化率」ともいう)が100%未満の、部分的に脱水閉環されたものであってもよい。イミド化率は、重合体の1H−NMRから下記数式(1)により求めることができる。
イミド化率(%)=(1−A1/A2×α)×100 (1)
(数式(1)中、A1はNH基のプロトンに由来する化学シフト10ppm付近のピーク面積であり、A2は芳香族プロトンに由来する化学シフト7〜8ppm付近のピーク面積であり、αはイミド化反応前のポリアミック酸におけるNH基のプロトン1個に対する芳香族プロトンの個数の割合である。)
上記(i)の特定ポリアミック酸を加熱する方法における反応温度は、好ましくは50〜200℃であり、より好ましくは60〜170℃である。反応温度が50℃未満では脱水閉環反応が十分に進行せず、反応温度が200℃を超えると得られるイミド化重合体の分子量が低下することがある。反応時間は、好ましくは1〜120時間であり、より好ましくは2〜30時間である。
一方、上記(ii)の特定ポリアミック酸の溶液中に脱水剤および脱水閉環触媒を添加する方法において、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などの酸無水物を用いることができる。脱水剤の使用量は、所望するイミド化率によるが、特定ポリアミック酸の繰り返し単位1モルに対して0.01〜20モルとするのが好ましい。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、トリエチルアミンなどの3級アミンを用いることができる。しかし、これらに限定されるものではない。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モルとするのが好ましい。イミド化率は上記の脱水剤、脱水閉環剤の使用量が多いほど高くすることができる。脱水閉環反応に用いられる有機溶媒としては、特定ポリアミック酸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℃であり、より好ましくは10〜150℃である。反応時間は好ましくは0.5〜30時間であり、より好ましくは2〜10時間である。
本発明で用いられる特定ポリアミック酸またはそのイミド化重合体は、分子量が調節された末端修飾型のものであってもよい。末端修飾型の重合体を用いることにより、本発明の効果が損われることなく液晶配向剤の塗布特性などを改善することができる。このような末端修飾型の重合体は、特定ポリアミック酸を合成する際に、酸一無水物、モノアミン化合物、モノイソシアネート化合物などの分子量調節剤を反応系に添加することにより合成することができる。ここで、酸一無水物としては、例えば無水マレイン酸、無水フタル酸、無水イタコン酸、n−デシルサクシニック酸無水物、n−ドデシルサクシニック酸無水物、n−テトラデシルサクシニック酸無水物、n−ヘキサデシルサクシニック酸無水物などを挙げることができる。モノアミン化合物としては、例えばアニリン、シクロヘキシルアミン、n−ブチルアミン、n−ペンチルアミン、n−ヘキシルアミン、n−ヘプチルアミン、n−オクチルアミン、n−ノニルアミン、n−デシルアミン、n−ウンデシルアミン、n−ドデシルアミン、n−トリデシルアミン、n−テトラデシルアミン、n−ペンタデシルアミン、n−ヘキサデシルアミン、n−ヘプタデシルアミン、n−オクタデシルアミン、n−エイコシルアミンなどを挙げることができる。モノイソシアネート化合物としては、例えばフェニルイソシアネート、ナフチルイソシアネートなどを挙げることができる。
分子量調節剤は、特定ポリアミック酸を合成する際に使用するテトラカルボン酸二無水物およびジアミンの合計100重量部に対して好ましくは20重量部以下、より好ましくは10重量部以下の範囲で用いられる。
以上のようにして得られる特定ポリアミック酸またはそのイミド化重合体は、濃度10重量%の溶液としたときに、20〜800mPa・sの溶液粘度を持つものであることが好ましく、30〜500mPa・sの溶液粘度を持つものであることがより好ましい。
上記重合体の溶液粘度(mPa・s)は、当該重合体の良溶媒(例えばγ−ブチロラクトン、N−メチル−2−ピロリドンなど)を用いて調製した濃度10重量%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。
本発明の液晶配向剤においては、本発明の効果を損なわない範囲で、上記特定ポリアミック酸またはそのイミド化重合体の一部をその他のポリアミック酸およびそのイミド化重合体からなる群から選択される少なくとも一種(以下、「第2の重合体」という。)で置き換える。
上記第2の重合体は、特定ポリアミック酸以外のポリアミック酸またはそのイミド化重合体であれば特に限定されるものではないが、上記式(1)で表されるテトラカルボン酸二無水物と、ジアミン(b1)ないし(b3)のうちから選択される1種または2種との反応によって得られる重合体またはそのイミド化重合体であることが好ましい。ここで使用されるテトラカルボン酸二無水物としては、脂環族テトラカルボン酸二無水物または芳香族テトラカルボン酸二無水物が好ましく、特に1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物またはピロメリット酸二無水物が好ましい。ここで使用されるジアミンとしては、特に4,4’−ジアミノジフェニルメタンまたは2,2’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニルが好ましい。
かかる第2の重合体の合成は、使用するジアミンを変更するほかは、特定ポリアミック酸およびそのイミド化重合体の合成と同様にして行うことができる。
本発明の液晶配向剤における第2の重合体の使用割合としては、特定ポリアミック酸およびそのイミド化重合体ならびに第2の重合体の合計量に対して好ましくは80重量%以下であり、より好ましくは60重量%以下である。
本発明の液晶配向剤は、上記の特定ポリアミック酸および/またはそのイミド化重合体ならびに第2の重合体を必須成分として含有するが、任意的にその他の成分を含有することができる。かかるその他の成分としては、例えばエポキシ化合物、官能性シラン化合物などを挙げることができる。
エポキシ化合物は、分子内に少なくとも1個、好ましくは2個以上のエポキシ基を有する化合物であり、形成される液晶配向膜の膜硬度をより高めるために添加することができる。本発明の液晶配向剤が含有することのできるエポキシ化合物としては、例えばエチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、トリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、1,6−ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、グリセリンジグリシジルエーテル、2,2−ジブロモネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、1,3,5,6−テトラグリシジル−2,4−ヘキサンジオール、ベンゼン−1,4−ジオールジグリシジルエーテル、2−メチルベンゼン−1,4−ジオールジグリシジルエーテル、2−エチルベンゼン−1,4−ジオールジグリシジルエーテル、2−n−ヘキシルベンゼン−1,4−ジオールジグリシジルエーテル、2−n−ドデシルベンゼン−1,4−ジオールジグリシジルエーテル、2−トリフルオロメチルベンゼン−1,4−ジオールジグリシジルエーテル、2,5−ジエチルベンゼン−1,4−ジオールジグリシジルエーテルなどのグリシジルエーテル型エポキシ化合物;
本発明の液晶配向剤は、特定ポリアミック酸および/またはそのイミド化重合体ならびに第2の重合体、ならびに任意的に添加されるその他の成分が、好ましくは有機溶媒に溶解して含有された溶液状態として調製される。
本発明の液晶配向剤に使用される有機溶媒としては、特定ポリアミック酸の合成反応に用いられるものとして例示した溶媒を挙げることができる。また、特定ポリアミック酸の合成反応の際に併用することができるものとして例示した貧溶媒も適宜選択して併用することができる。
本発明の液晶配向剤に使用される特に好ましい有機溶媒としては、例えば、1−メチル−2−ピロリドン、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、エチレングリコールモノメチルエーテル、乳酸ブチル、酢酸ブチル、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、3−ブトキシ−N,N−ジメチルプロパンアミド、3−メトキシ−N,N−ジメチルプロパンアミド、3−ヘキシルオキシ−N,N−ジメチルプロパンアミド、ジエチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール、トリエチレングリコールジメチルエーテル、イソアミルイソブチレート、ジイソペンチルエーテル、などを挙げることができる。これらは単独で使用することができ、または2種以上を混合して使用することができる。
本発明の液晶配向剤のより好ましい固形分濃度の値は、本発明の液晶配向剤を基板に塗布する際に採用する方法によって異なる。例えばスピンナー法による場合には固形分濃度を1.5〜4.5重量%の範囲とすることが特に好ましい。印刷法による場合には、固形分濃度を4〜10重量%の範囲とし、それにより、溶液粘度を10〜50mPa・sの範囲とするのが特に好ましい。インクジェット法による場合には、固形分濃度を2〜5重量%の範囲とし、それにより、溶液粘度を3〜15mPa・sの範囲とするのが特に好ましい。
本発明の液晶配向剤の表面張力は、25〜40mN/mであることが好ましい。
本発明の液晶配向剤を調製する際の温度は、好ましくは0℃〜200℃であり、より好ましくは20℃〜60℃である。
本発明の液晶表示素子は、上記の如くして得られた本発明の液晶配向剤から得られた液晶配向膜を具備することを特徴とする。
本発明の液晶表示素子は、例えば次の工程(1)〜(4)により製造することができる。
(1)パターニングされた透明導電膜が設けられている基板の一面に、本発明の液晶配向剤をオフセット印刷法、スピンコート法、インクジェット印刷法などの適宜の塗布方法により塗布し、次いで、塗布面を加熱することにより塗膜を形成する。ここに、基板としては、例えばフロートガラス、ソーダガラスなどのガラス;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、ポリカーボネートなど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。基板の一面に設けられ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膜などを用いることができ、これらの透明導電膜のパターニングには、フォト・エッチング法や予めマスクを用いる方法が用いられる。液晶配向剤の塗布に際しては、基板表面および透明導電膜と塗膜との接着性をさらに良好にするために、基板の該表面に、官能性シラン化合物、官能性チタン化合物などを予め塗布しておいてもよい。液晶配向剤塗布後の加熱温度は好ましくは80〜300℃であり、より好ましくは120〜250℃である。加熱時間は好ましくは5〜200分であり、より好ましくは10〜100分である。なお、本発明の液晶配向剤は、塗布後に有機溶媒を除去することによって配向膜となる塗膜を形成するが、本発明の液晶配向剤がアミック酸構造を有する重合体を含有する場合には、さらに加熱することによって脱水閉環を進行させ、よりイミド化された塗膜とすることもできる。
形成される塗膜の膜厚は、好ましくは0.001〜1μmであり、より好ましくは0.005〜0.5μmである。
(3)上記(1)ないし(2)のようにして得られた液晶配向膜は、必要に応じて洗浄を行ってもよい。洗浄溶剤としては、例えば水、アセトン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、シクロヘキサノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、テトラヒドロフラン、ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどを用いることができる。洗浄効率を高めるために、洗浄溶剤に界面活性剤を添加してもよく、あるいは溶剤を加熱して洗浄する方法、ブラッシングを併用する方法、超音波の併用する方法によってもよい。洗浄後は、そのまままたは適当な溶剤でリンス等を実施したのち、必要に応じて加熱乾燥を実施することもできる。
液晶セルの外表面に貼り合わされる偏光板としては、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」と称される偏光膜を酢酸セルロース保護膜で挟んだ偏光板またはH膜そのものからなる偏光板を挙げることができる。
以下の実施例、比較例において調製した液晶配向剤の評価は、以下の方法によった。
[印刷性評価]
片面全面に透明電極としてITO膜が形成された127mm(D)×127mm(W)×1.1mm(H)のガラス基板を用意し、このガラス基板上に液晶配向膜塗布用印刷機(日本写真印刷(株)製、型名「オングストローマー S−40L」)を用いて各実施例または比較例で得られた固形分濃度6重量%の液晶配向剤を透明電極面に塗布した。塗布後の基板は、80℃に設定したホットプレート密着式予備乾燥機により溶媒を除去した後、200℃で10分間加熱することにより、ITO膜付きガラス基板上に膜厚約0.06μmの塗膜を形成した。この塗膜を目視により観察し、ハジキや塗布ムラのない場合を「良好」とし、ハジキや塗布ムラが観測された場合は「不良」と判断した。
[溶解性評価]
各実施例または比較例で得られた固形分濃度6重量%の液晶配向剤5gに対して貧溶媒である純水を徐々に加えていったときに、配向剤に白濁が生じる直前の純水添加量を調べた。この純水添加量が0.5g以上であるときを「良好」とし、0.5g未満であるときを「不良」とした。
片面に厚さ約1mmのパターニングされたITO電極が形成されたガラス基板を用い、また、液晶配向剤として各実施例または比較例で得られた固形分濃度3.5重量%の液晶配向剤を使用したほかは上記[印刷性評価]と同様にして膜厚約0.06μmの塗膜を有するガラス基板を一対(2枚)作成した。
次に、一対の透明電極/透明基板の上記液晶配向膜塗布基板の液晶配向膜を有するそれぞれの外縁に、液晶注入口を残して直径5.5μmの酸化アルミニウム球入りエポキシ樹脂接着剤を塗布した後、液晶配向膜面が相対するように重ね合わせて圧着し、接着剤を硬化させた。次いで、液晶注入口より基板間に、ネマティック型液晶(ネガ型、メルク社製、MLC−6608)を充填した後、アクリル系光硬化接着剤で液晶注入口を封止し、基板の外側の両面に偏光板を張り合わせ、液晶表示素子を作製した。
この液晶表示素子に対して室温において5Vの電圧を60マイクロ秒の印加時間、16.7ミリ秒のスパンで印加した後、印加解除から16.7ミリ秒後の電圧保持率を測定した。測定装置は(株)東陽テクニカ製VHR−1を使用した。
<ジアミン(b1)の合成例>
合成例b−1(1−(3,5−ジアミノフェニル)−3−オクタデシルスクシンイミドの合成)
窒素ガスで置換した300mL三口フラスコ中に3,5−ジニトロアニリン 12.81g(0.07mol)および酢酸70mLを加え、窒素ガスを流通しながら攪拌して固形物を溶解させた。ここに、オクタデシルコハク酸無水物24.64g(0.07mol)を加え窒素下で20h還流して反応させた。反応液を室温まで冷却した後、メタノール70mLを加えて一晩静置した。析出した固形分を濾別し、メタノールで洗浄した後に乾燥し、1−(3,5−ジニトロフェニル)−3−オクタデシルスクシンイミド30g(収率83%)を得た。
次に、窒素ガスで置換した500mLフラスコに、上記で合成した1−(3,5−ジニトロフェニル)−3−オクタデシルスクシンイミド30g(0.058mol)、エタノール100mL、テトラヒドロフラン(THF)100mLおよび還元触媒パラジウム炭素(Pd/C)25gを加えて70℃で1時間攪拌した。ここにヒドラジン一水和物42.5ml(43.75g)を加え6時間加熱還流し反応させた。Pd/Cを濾別し、濾液をロータリーエバポレーターにて濃縮した。得られた粗生成物をN−メチル−2−ピロリドン中で加熱溶解した後冷却して再結晶し、目的生成物である1−(3,5−ジアミノフェニル)−3−オクタデシルスクシンイミド14.6g(0.032mol、収率55%)を得た。
オクタデシルコハク酸無水物24.64g(0.07mol)の代わりに、ドデシルコハク酸無水物18.76g(0.07mol)を用いたほかは、合成例b−1と同様にして、1−(3,5−ジアミノフェニル)−3−ドデシルスクシンイミド11g(0.030mol、収率51%)を得た。
窒素置換した2,000mL三口フラスコにジメチルマレイン酸無水物31.5g(0.25mol)、N−ブロモスクシンイミド89.0g(0.5mol)、過酸化ベンゾイル1.0g(4.15mmol)および四塩化炭素1,500mLを加え、5h加熱還流した。反応液を室温まで冷却し、室温で一晩静置した後、濾過した。濾液を水で洗浄した後、有機層をロータリーエバポレーターで濃縮した。得られた油状の粗生成物を高真空下で蒸留し(120〜125℃/2mmHg)、中間体である3−ブロモメチル−4−メチルマレイン酸無水物20.0g(0.1mol、収率39%)を得た。
次に、アルゴンガスで置換した2,000mL三口フラスコに、上記で得られた3−ブロモメチル−4−メチルマレイン酸無水物16.4g(80mmol)、ヨウ化銅1.52g(8.0mmol)、ジエチルエーテル400mLおよびHMPA(ヘキサメチルリン酸トリアミド)160mLを加えた後、アルゴンガス流通下−5〜0℃に冷却した。この混合液を攪拌しながら、別途準備したヘキサデシルマグネシウムブロマイド400mmolのジエチルエーテル400mL溶液を、約20分かけて滴下した。混合液を室温に戻し、さらに8h攪拌した。その後、ジエチルエーテル600mLで希釈した4N−硫酸600mLを加えて溶液を酸性にした。分離した水層をジエチルエーテル600mLにてさらに洗浄し、有機層を合わせた。有機層を水で洗浄して硫酸ナトリウムで脱水した後、ロータリーエバポレーターで溶液を濃縮して油状の粗生成物を得た。この粗生成物を、展開溶剤として石油エーテル/酢酸エチル(19:1)混合溶液を用いシリカゲルカラムにて精製し、3−ヘプタデシル−4−メチルマレイン酸無水物14.0g(0.04mol 収率50%)を得た。
次に、窒素ガス置換された300mLフラスコに1−(3,5−ジニトロフェニル)−3−ヘプタデシル−4−メチルマレイミド13.4g(0.026mol)、エタノール50mL、THF50mLおよび還元触媒Pd/C12.5gを加え70℃で1時間攪拌した。次いでヒドラジン一水和物19mL(19.6g)を加え6時間加熱還流し反応させた。Pd/Cを濾別し、濾液をロータリーエバポレーターにて濃縮した。得られた粗生成物をN−メチル−2−ピロリドンで加熱溶解して冷却することにより再結晶し、目的生成物である1−(3,5−ジアミノフェニル)−3−ヘプタデシル−4−メチルマレイミド6.6g(0.015mol 収率56%)を得た。
窒素置換した300mL三口フラスコに3,5−ジニトロアニリン12.81g(0.07mol)および酢酸70mLを加えた後、窒素ガスを流通しながら攪拌して固形物を溶解させた。ここに、合成例b−3の中間体と同様にして合成した3−(ブロモメチル)−4−メチルマレイン酸無水物14.35g(0.07mol)を加え窒素下で20h還流し反応させた。反応溶液を室温まで冷却した後、メタノール70mLを加えて一晩静置した。固形分を濾別し、メタノールで洗浄した後乾燥し、1−(3,5−ジニトロフェニル)−3−ブロモメチル−4−メチルマレイミド18.9g(0.051mol 収率73%)を得た。
次に、窒素置換した500mL三口フラスコに1−(3,5−ジニトロフェニル)−3−ブロモメチル−4−メチルマレイミド18.1g(0.049mol)、1−ヘキサデカノールナトリウム塩12.9g(0.049mol)およびジメチルスルホキシド100mLを加えた後、100℃で10h攪拌し反応させた。反応液を室温まで冷却した後、メタノール70mLを加えて一晩静置した。固形分を濾別し、メタノールで洗浄した後乾燥し、1−(3,5−ジニトロフェニル)−3−ヘキサデカノキシメチル−4−メチルマレイミド20.8g(0.039mol 収率80%)を得た。
次に、窒素ガス置換した300mLフラスコに1−(3,5−ジニトロフェニル)−3−ヘキサデカノキシメチル−4−メチルマレイミド13.8g(0.026mol)、エタノール50mL、THF50mLおよび還元触媒Pd/C12.5gを加え70℃で1時間攪拌した。その後ヒドラジン一水和物19mL(19.6g)を加え6時間加熱還流し反応させた。Pd/Cを濾別し、濾液をロータリーエバポレーターにて濃縮した。得られた粗生成物をN−メチル−2−ピロリドンで加熱溶解して冷却することにより再結晶し、目的生成物である1−(3,5−ジアミノフェニル)−3−ヘキサデカノキシメチル−4−メチルマレイミド8.2g(0.018mol 収率67%)を得た。
合成例P−1〜P−14
N−メチル−2−ピロリドンに、表1に示す組成でジアミンおよびテトラカルボン酸二無水物をこの順で加えてモノマー濃度20重量%の溶液とし、60℃で4時間反応させてポリアミック酸を含有する溶液を得た。得られた各ポリアミック酸溶液に、溶液中のアミック酸単位の総量(モル)に対して表1に示した倍モル数(当量)のピリジンおよび無水酢酸をそれぞれ加えた後、110℃に加熱して4時間脱水閉環反応を行った。得られた溶液をジエチルエーテルで再沈殿して、回収、減圧乾燥することにより、イミド化重合体である(A−1)〜(A−14)を得た。これらイミド化重合体のイミド化率を表1に示した。
<他の重合体の合成>
合成例P−15〜P−23
ジアミンおよびテトラカルボン酸二無水物として表1に記載のものを使用したほかは、合成例P−1〜P−14と同様にしてポリアミック酸(B−1)、(B−2)およびイミド化重合体(a−1)〜(a−7)を得た。なお、合成例P−15およびP−16においては、ポリアミック酸の脱水閉環反応は行わなかった。イミド化重合体(a−1)〜(a−7)のイミド化率は表1に示した。
<ジアミン化合物>
ジアミン(b1);
D−1:1−(3,5−ジアミノフェニル)−3−オクタデシルスクシンイミド
D−2:1−(3,5−ジアミノフェニル)−3−ドデシルスクシンイミド
D−3:1−(3,5−ジアミノフェニル)−3−ヘプタデシル−4−メチルマレイミド
D−4:1−(3,5−ジアミノフェニル)−3−ヘキサデカノキシメチル−4−メチルマレイミド
ジアミン(b2);
D−5:4−メチル−1,2−フェニレンジアミン
D−6:p−フェニレンジアミン
ジアミン(b3);
D−7:4,4’−ジアミノジフェニルメタン
D−8:4,4’−ジアミノジフェニルエーテル
D−9:2,2’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニル
<テトラカルボン酸二無水物>
T−1:5−(2,5−ジオキソテトラヒドロ−3−フラニル)−3−メチル−3−シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸無水物
T−2:2,3,5−トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物
T−3:1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物
T−4:ピロメリット酸二無水物
合成例P−1で得たイミド化重合体A−1および合成例P−15で得たポリアミック酸B−1(重量比50:50)を、γ―ブチロラクトン/N−メチル−2−ピロリドン/ブチルセロソルブ混合溶液(重量比40:30:30)に溶解して、固形分濃度3.5重量%および6重量%の2種類の液晶配向剤を調製した。
これらの配向剤を用いて上述した方法に従って、印刷性、溶解性および電圧保持率の評価を行った。結果を表2に示した。
実施例2〜15、比較例1〜7
配向剤に配合した重合体の種類を表2に記載のとおりとしたほかは実施例1と同様にして液晶配向剤をそれぞれ2種類の濃度で調製した。これらの配向剤を用いて上述した方法に従って行った評価の結果を表2に示した。
Claims (4)
- (a)下記式(1)
で表されるテトラカルボン酸二無水物と、
(b1)下記式(2)〜(5)
で表されるジアミンから選択される少なくとも1種と、
(b2)下記式(6)
で表されるジアミンから選択される少なくとも1種と、
(b3)下記式(7)〜(9)
で表されるジアミンから選択される少なくとも1種との反応によって得られるポリアミック酸および/またはそのイミド化重合体である第1の重合体、ならびに
上記第1の重合体以外のポリアミック酸および/またはそのイミド化重合体である第2の重合体
を含有することを特徴とする液晶配向剤。
- (b1)ジアミンが、上記式(2)で表され、R1が炭素数1〜20の線状、分枝状もしくは環状のアルキル基または炭素数4〜20の線状、分枝状もしくは環状のアルケニル基であるジアミンである、請求項1または2に記載の液晶配向剤。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の液晶配向剤から得られた液晶配向膜を具備することを特徴とする、液晶表示素子。
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