JP5219233B2

JP5219233B2 - 液晶配向剤

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Description

本発明は液晶配向膜を得るための液晶配向剤に関するものであり、さらに詳しくは、高いプレチルト角を有し、かつ液晶の配向性に優れた液晶配向膜が得られる液晶配向剤に関するものである。

近年、液晶表示素子は、その優れた表示特性から活発な開発が成されており、表示性能の一層の向上が成されてきている。これに伴い液晶配向膜に対する要求も種々の特性を同時に向上させることが必要となってきている。液晶配向膜に必要とされる一般的な特性としては、液晶分子のプレチルト角制御、電圧保持率、直流電圧による電荷蓄積特性などが挙げられるが、これらの特性のうち、プレチルト角の制御は、液晶表示素子の駆動を均一に行うために非常に重要な特性である。

現在、一般的な液晶配向膜にはポリイミドやポリイミド前駆体などのポリマーが用いられており、液晶配向膜の特性は、このポリマーの構造に大きく影響される。このようなポリマー系の液晶配向膜によって得られる液晶のプレチルト角は、一般的には１〜２度程度であるが、ポリマーに適当な側鎖を導入すると、より高いプレチルト角が得られることが知られている。

液晶のプレチルト角を高める効果がある側鎖としては、炭素数４〜２０のアルキル基やフルオロアルキル基（例えば、特開平２−２８２７２６号公報参照。）、ベンゼン環やシクロヘキサン環などの環状基およびアルキル基等を有する環状基（例えば、特開平３−１７９３２３号公報参照。）、ステロイド骨格を有する基（例えば、特開平４−２８１４２７号公報参照。）などが知られている。

上記の方法は、側鎖によるプレチルト角の制御とポリマー主鎖から得られるその他の特性とを分離して設計することができ、また、側鎖の構造やその導入量を変更することにより、プレチルト角の値を任意に変更することができるという利点がある。しかしながら、このような側鎖の導入は、ポリマー主鎖による液晶の配向規制を少なからず乱すものであり、場合によっては、作成した液晶表示素子の液晶配向性が低下してしまうという問題が生じる。液晶配向性が低い液晶表示素子は、熱による液晶配向の乱れも起こりやすくなり、加熱により容易にプレチルト角が低下してしまう。加熱によるプレチルト角の低下は、液晶表示素子の信頼性を大きく低下させる。

このような液晶配向性の低下は、ラビング処理条件が弱いときに顕著に表れる。液晶配向膜のラビング処理は、液晶の配向方向を規定するための重要な工程であるが、その際発生する粉塵によって表示欠陥が生じるという問題がある。この粉塵の発生を抑えるために、ラビング処理条件は近年益々弱くなる傾向にある。また、通常、ラビング処理された液晶配向膜は、付着している粉塵を除去するために超純水などで洗浄されるが、洗浄効率を高めるためにイソプロパノール等の有機溶媒が使用される場合がある。液晶配向性が弱い液晶配向膜では、このような有機溶媒によっても、液晶配向の乱れやプレチルト角の低下が生じる。

以上に述べたように、プレチルト発現基をポリマー側鎖に導入した液晶配向膜は、プレチルト角の制御が容易であるという反面、液晶の配向性を低下させるという問題がある。特に弱ラビングや有機溶媒による洗浄に対して、良好な液晶の配向性と安定なプレチルト角を付与することが困難であった。

本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、高く、かつ熱的に安定なプレチルト角を発現させることのできる液晶配向膜を得るための液晶配向剤を提供することである。また、本発明の更なる目的は、弱いラビング、有機溶媒による洗浄などのプロセス工程に依存せず、安定な配向性とプレチルト角を発現させることのできる液晶配向膜を得るための液晶配向剤を提供する。

本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本発明を完成させるに至った。即ち、本発明は以下のものに関する。
１．液晶配向膜を形成するためのポリマーを1種類以上含有する液晶配向剤であって、このポリマーの少なくとも１種類が、下記式（６）で表される構造と、下記式（７）で表される構造と、を有するポリアミック酸またはこのポリアミック酸を脱水閉環させたポリイミからなることを特徴とする液晶配向剤。

（式中、Ｙ１は４価の有機基を表し、ｋは４から１６の整数を表す）

（式中、Ｙ２は４価の有機基を表し、Ｙ３は３価の有機基を表し、Ｘは単結合または２価の結合基を表し、Ｒは炭素数４〜２０のアルキル基、炭素数４〜２０のフルオロアルキル基からなる群から選ばれる少なくとも１種の有機基を表す。）
２．前記ポリマーが、式（６）で表される構造を２０〜９５％含有し、前記式（７）で表される構造を５〜３０％含有する上記１に記載の液晶配向剤。
３．前記式（６）のＹ１または、式（７）のＹ２が、下記（８）または（９）に示す構造である、上記１または２に記載の液晶配向剤。

以下、本発明を詳細に説明する。本発明の液晶配向剤は、液晶配向膜を形成する為の少なくとも一種類のポリマーを含有する溶液であって、そのポリマーが、主鎖に炭素数４〜１６のアルキレン基を有し、かつ、液晶のプレチルト角を高める側鎖を有するポリマーであることにより、高く安定なプレチルト角を発現させる液晶配向膜を得ることが出来るものである。

ここで、ポリマーが主鎖に炭素数４〜１６のアルキレン基を有するとは、ポリマー主鎖中に４〜１６の連続したメチレン基を有していることを表す。この連続したメチレン基上の水素は、メチル基やエチル基で置換されていても良い。また、液晶のプレチルト角を高める側鎖とは、その側鎖を導入することにより、液晶のプレチルト角が高くなる効果があるものを示す。ポリマー中の側鎖は１種類であっても、複数種からなるものであっても良い。

液晶のプレチルト角を高める側鎖としては、炭素数４〜２０のアルキル基、炭素数４〜２０のフルオロアルキル基、ベンゼン環またはシクロヘキサン環を１〜３個有する基、ステロイド骨格を有する基、などを挙げることができる。このうち、アルキル基およびフルオロアルキル基は、炭素数８〜２０のものが好ましく、炭素数１２〜２０のものが更に好ましく、炭素数１６〜１８のものが特に好ましい。
ベンゼン環またはシクロヘキサン環を１〜３個有する基、またはステロイド骨格を有する基は、これらの環構造に加えて、炭素数１〜１６アルキル基を持つものが好ましく、より好ましくは炭素数４〜８のアルキル基を持つものである。

これら、側鎖を形成する有機基は、ポリマー主鎖に直接結合していても良く、２価の結合基を介して結合していても良い。結合基としてはエーテル、エステル、アミド、イミノ、これらの基と炭素数１〜３のアルキレンが複合された基、または炭素数１〜３のアルキレン等が挙げられる。このような結合基を含めた側鎖は下記式（１）で表される。

（式中、Ｘは単結合または２価の結合基を表し、Ｒは炭素数４〜２０のアルキル基、炭素数４〜２０のフルオロアルキル基、ベンゼン環またはシクロヘキサン環を１〜３個有する基、およびステロイド骨格を有する基からなる群から選ばれる少なくとも１種の有機基を表す。）
上記式（１）で表される側鎖のうち、好ましい具体例を挙げるならば、下記式（２）又は（３）で表されるものである。

（式中、Ｘ１は、単結合，−Ｏ−，−ＣＯＯ−のいずれかを表し、Ｒ１は炭素数８〜２０のアルキル基を表す。）

（式中、Ｘ２は、単結合，−Ｏ−，−ＣＯＯ−，−ＣＨ_２−，−ＣＨ_２Ｏ−，のいずれかを表し、Ｒ２は、下記式（４）のいずれかを表し、Ｘ３は、単結合，−Ｏ−，−ＣＯＯ−のいずれかを表し、Ｒ３は、炭素数１〜１６のアルキル基を表す。）

上記式（２）において特に好ましい例としては、上記式（２）のＸ１が−Ｏ−、Ｒ１が炭素数１２〜１８アルキル基である。また、上記式（３）において特に好ましい例としては、Ｘ２が−Ｏ−，−ＣＨ_２Ｏ−のいずれか、Ｒ２が上記４ｂ、Ｘ３が単結合、Ｒ３が炭素数４〜１２のアルキル基である。

本発明において、液晶配向膜を形成するためのポリマーとしては、ポリアミド、ポリアミック酸、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリウレア、ポリウレタン、ポリエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリスルフィド、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリエステルイミド、アラミドなどが挙げられる。なかでも液晶配向膜としたときの信頼性に優れるので、ポリアミック酸またはポリイミドを用いることが特に好ましい。

主鎖に炭素数４〜１６のアルキレン基を有し、かつ、液晶のプレチルト角を高める側鎖を有するポリアミック酸は、ジアミン成分とテトラカルボン酸酸二無水物成分の反応により得ることが出来る。具体的には、（ａ）前記ジアミン成分の一つとして、主骨格に炭素数４〜１６のアルキレンを有するジアミンを用い、前記テトラカルボン酸二無水物成分の一つとして、液晶のプレチルト角を高める側鎖を有するテトラカルボン酸二無水物を用いる方法、（ｂ）前記ジアミン成分の一つとして、液晶のプレチルト角を高める側鎖を有するジアミンを用い、前記テトラカルボン酸二無水物成分の一つとして、主骨格に炭素数４〜１６のアルキレンを有するテトラカルボン酸二無水物を用いる方法、（ｃ）前記ジアミン成分の中で、主骨格に炭素数４〜１６のアルキレンを有するジアミンと、液晶のプレチルト角を高める側鎖を有するジアミンとを併用する方法、（ｄ）前記テトラカルボン酸二無水物成分の中で、主骨格に炭素数４〜１６のアルキレンを有するテトラカルボン酸二無水物と、液晶のプレチルト角を高める側鎖を有するテトラカルボン酸二無水物とを併用する方法、などが挙げられる。このポリアミック酸は下記一般式（５）で表される繰り返し単位を有するポリアミック酸として表すことができる。

（式中、Ａは４価の有機基、Ｂは２価の有機基を表わす。）

上記のようなポリアミック酸のなかでも、主骨格に炭素数４〜１６のアルキレンを有するジアミン化合物を用いたものが好ましく、特に液晶のプレチルト角を高める側鎖を有するジアミン化合物と併用して得られるものが好ましい。また、主鎖に炭素数４〜１６のアルキレン基を有し、かつ、液晶のプレチルト角を高める側鎖を有するポリイミドは、上記ポリアミック酸を脱水閉環させることにより得ることが出来る。

主骨格に炭素数４〜１６のアルキレンを有するジアミン化合物の例としては、芳香族ジアミン化合物の例として、１，４−ビス（４−アミノフェノキシ）ブタン、１，５−ビス（４−アミノフェノキシ）ペンタン、１，６−ビス（４−アミノフェノキシ）ヘキサン、１，７−ビス（４−アミノフェノキシ）ヘプタン、１，８−ビス（４−アミノフェノキシ）オクタン、１，９−ビス（４−アミノフェノキシ）ノナン、１，１０−ビス（４−アミノフェノキシ）デカン、１，１１−ビス（４−アミノフェノキシ）ウンデカン、１，１２−ビス（４−アミノフェノキシ）ドデカン、１，１３−ビス（４−アミノフェノキシ）トリデカン、１，１４−ビス（４−アミノフェノキシ）テトラデカン、１，１５−ビス（４−アミノフェノキシ）ペンタデカン、１，１６−ビス（４−アミノフェノキシ）ヘキサデカン等が挙げられる。また、脂肪族ジアミンの例として、１，４−ジアミノブタン、１，５−ジアミノペンタン、１，６−ジアミノヘキサン、１，７−ジアミノヘプタン、１，８−ジアミノオクタン、１，９−ジアミノノナン、１，１０−ジアミノデカン、１，６−ジアミノ−２，５−ジメチルヘキサン、１，７−ジアミノ−２，５−ジメチルヘプタン、１，７−ジアミノ−４，４−ジメチルヘプタン、１，７−ジアミノ−３−メチルヘプタン、１，９−ジアミノ−５−メチルノナン、２，１１−ジアミノドデカン、１，１２−ジアミノオクタデカン、１，２−ビス（３−アミノプロポキシ）エタン等が挙げられる。これらのジアミン化合物を原料として得られるポリアミック酸の中でも、下記式（６）で表される構造を主鎖中に有するポリアミック酸が好ましい。このようなポリアミック酸は上記の芳香族ジアミン化合物を用いることで得られる。

（式中、Ｙ１は４価の有機基を表し、ｋは４から１６の整数を表す）
即ち、一般式（５）で表される繰り返し単位において、この繰り返しの構造の一つとして、上記式（６）で表される構造を含有するポリアミック酸または、このポリアミック酸を脱水閉環させたポリイミドは好ましい。

この中でもとりわけ、液晶配向膜としたときの液晶の配向性とプレチルト角の熱耐性に優れるので、１，５−ビス（４−アミノフェノキシ）ペンタンを用いたポリマー、即ち式（６）のｋは５が特に好ましい。

液晶のプレチルト角を高める側鎖を有するジアミン化合物は、２つの１級アミノ基を有するジアミン主骨格に、前述した液晶のプレチルト角を高める側鎖が結合したジアミンである。
このジアミンの側鎖としては、前述した式（１）の構造を例示でき、好ましい側鎖としては、前述した式（２）又は（３）で表されるものが挙げられる。式（２）においては、Ｘ１が−Ｏ−、Ｒ１が炭素数１２〜１８アルキル基が特に好ましい。また、式（３）においては、Ｘ２が−Ｏ−，−ＣＨ_２Ｏ−のいずれか、Ｒ２が前記４ｂ、Ｘ３が単結合、Ｒ３が炭素数４〜１２のアルキル基が特に好ましい。

ジアミン主骨格の構造は特に限定されないが、プレチルト角を高める効率の観点から、ジアミノベンゼン、ジアミノビフェニル、ジアミノジフェニルエーテル、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルアミンなどが好ましく、中でも、ジアミノベンゼン骨格が特に好ましい。

上記の様な、ジアミン化合物の好ましい具体例としては、４−（ドデシルオキシ）−１，３−ジアミノベンゼン、４−（ヘキサデシルオキシ）−１，３−ジアミノベンゼン、４−（オクタデシルオキシ）−１，３−ジアミノベンゼン、４−［４−（４−ヘプチルシクロヘキシル）フェノキシ］−１，３−ジアミノベンゼン、および、５−｛［４−（４−ヘプチルシクロヘキシル）フェノキシ］メチル｝−１，３−ジアミノベンゼンなどを挙げることができる。これらのプレチルト角発現成分としてのジアミン化合物は、それぞれ単独で、あるいは組み合わせて用いることが出来ることは言うまでもない。

これら、液晶のプレチルト角を高める側鎖を有するジアミン化合物を原料として得られるポリアミック酸は、下記式（７）で表される構造を主鎖中に有するポリアミック酸である。即ち、一般式（５）で表される繰り返し単位において、この繰り返しの構造の一つとして、下記式（７）で表される構造を含有するポリアミック酸または、このポリアミック酸を脱水閉環させたポリイミドは好ましい。

上記式（７）において、Ｙ２は４価の有機基を表し、Ｙ３は３価の有機基を表し、ＸおよびＲは前記式（１）の定義と同じである。
また、Ｙ３は、ベンゼン、ビフェニル、ジフェニルエーテル、ジフェニルエタン、ジフェニルメタン、ジフェニルアミンから選ばれる骨格が好ましく、ベンゼン骨格がより好ましい。

本発明に用いるポリアミック酸を重合する際のジアミン成分としては、主骨格に炭素数４〜１６のアルキレンを有するジアミン化合物と、液晶のプレチルト角を高める側鎖を有するジアミン化合物とに、さらに追加的なジアミン化合物とを組み合わせても良い。追加的なジアミン化合物の具体例を以下に示す。

脂環式ジアミンの例として、１，４−ジアミノシクロヘキサン、１，３−ジアミノシクロヘキサン、４，４’−ジアミノジシクロヘキシルメタン、４，４’−ジアミノ−３，３’−ジメチルジシクロヘキシルアミン、およびイソホロンジアミンが挙げられる。また炭素環式芳香族ジアミン類の例として、ｏ−フェニレンジアミン、ｍ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジアミン、ジアミノトルエン類（例えば、２，４−ジアミノトルエン）、１，４−ジアミノ−２−メトキシベンゼン、２，５−ジアミノキシレン類、１，３−ジアミノ−４−クロロベンゼン、１，４−ジアミノ−２，５−ジクロロベンゼン、１，４−ジアミノ−３−イソプロピルベンゼン、２，２−ビス（４−アミノフェニル）プロパン、４，４’−ジアミノジフェニルメタン、２，２’−ジアミノスチルベン、４，４’−ジアミノスチルベン、４，４’−ジアミノジフェニルエーテル、４，４’−ジフェニルチオエーテル、４，４’−ジアミノジフェニルスルホン、３，３’−ジアミノジフェニルスルホン、４，４’−ジアミノ安息香酸フェニルエステル、２，２’−ジアミノベンゾフェノン、４，４’−ジアミノベンジル、ビス（４−アミノフェニル）メチルホスフィンオキシド、ビス（３−アミノフェニル）スルホキシド、ビス（４−アミノフェニル）フェニルホスフィンオキシド、ビス（４−アミノフェニル）シクロヘキシルホスフィンオキシド、４，４’−ジアミノジフェニル尿素、１，８−ジアミノナフタレン、１，５−ジアミノナフタレン、１，５−ジアミノアントラキノン、ジアミノフルオレン類、ビス（４−アミノフェニル）ジエチルシラン、ビス（４−アミノフェニル）ジメチルシラン、ビス（４−アミノフェニル）テトラメチルジシロキサン、３，４’−ジアミノジフェニルエーテル、ベンジジン、２，２’−ジメチルベンジジン、２，２−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］プロパン、ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］スルホン、４，４’−ビス（４−アミノフェノキシ）ビフェニル、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、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、さらに複素環式ジアミン類としては、２，６−ジアミノピリジン、２，４−ジアミノピリジン、２，４−ジアミノ−ｓ−トリアジン、２，７−ジアミノジベンゾフラン、２，７−ジアミノカルバゾール、３，７−ジアミノフェノチアジン、２，５−ジアミノ−１，３，４−チアジアゾール、２，４−ジアミノ−６−フェニル−ｓ−トリアジンなどが挙げられる。

以上のようなジアミン成分とテトラカルボン酸二無水物とを反応させることにより、前記一般式（５）で表される構造単位を有するポリアミック酸とすることができる。

本発明において、前記式（６）で表される構造は、一般式（５）で表される構造単位のうちの２０〜９５モル％が好ましく、５０〜９５モル％がより好ましく、７０〜９５モル％が特に好ましい。また、前記式（７）で表される構造は、一般式（５）で表される構造単位のうちの５〜３０モル％であることが好ましく、目的とするプレチルト角に応じて、５〜２０％や５〜１０％であっても良い。このような構成のポリアミック酸を得るためには、テトラカルボン酸二無水物とを反応させる、全ジアミン成分のなかで、前述した主骨格に炭素数４〜１６のアルキレンを有するジアミン化合物、液晶のプレチルト角を高める側鎖を有するジアミン化合物、および、必要に応じて追加的なジアミン化合物とを、それぞれ所定の割合で使用すればよい。

以上のようなジアミン成分と反応させるテトラカルボン酸二無水物は、特に限定されない。その具体例をあえて挙げるならば、芳香族酸二無水物として、ピロメリット酸二無水物、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，２’，３，３’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，３，３’，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、２，３，３’，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）エーテル二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）スルホン二無水物、１，２，５，６−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、２，３，６，７−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物等が挙げられる。また脂環式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、１，２，３，４−シクロペンタン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、１，２，４，５−シクロヘキサ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、３，４−ジカルボキシ−１，２，３，４−テトラヒドロ−１−ナフタレンコハク酸二無水物、などが例示される。これらの酸二無水物は単独でも組み合わせても用いることが出来るのは当然である。
また、前記式（６）のＹ１または、式（７）のＹ２が、下記式（８）

の構造である場合、プレチルト角発現基を多く導入したときの液晶配向性が優れるので好ましい。このようなポリアミック酸は、酸二無水物としてピロメリット酸二無水物を用いることで得ることが出来る。また、前記式（６）のＹ１または、式（７）のＹ２が、下記式（９）

である場合、ラビング条件によらす、安定したチルト角が得られるので好ましい。このようなポリアミック酸は、酸二無水物として１，２，３，４−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物を用いることで得ることが出来る。

本発明に用いるポリアミック酸は、前述のジアミンと酸二無水物とを有機溶剤の存在下で−２０℃〜１５０℃、好ましくは０〜８０℃において、３０分〜２４時間、好ましくは１〜１０時間反応させることによって合成する事が出来る。反応の際に用いるジアミンと酸二無水物のモル比は、ジアミンが多くなりすぎると分子量が上がらず、また少なすぎると酸無水物が残存して保存安定性が悪くなるので、ジアミン／酸二無水物＝０．５〜３．０／１．０（モル比）であると好ましく、ジアミン／酸二無水物＝０．８〜２．０／１．０（モル比）であるとより好ましく、中でもジアミン／酸二無水物＝１．０〜１．２／１．０がとりわけ好ましい。

重合反応の際に用いる溶媒については特に限定されないが、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ−メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジンおよびブチロラクトン類を用いると、生成したポリアミック酸の溶解性が高いので好ましい。

重合反応時の溶液濃度は、高すぎると得られたポリアミック酸溶液の取扱い性が悪くなり、低すぎると分子量が上がらないので、好ましくは１〜５０重量％が、より好ましくは５〜３０重量％が、とりわけ好ましくは８〜２０重量％がよい。また、ポリマーが溶解する範囲内でブチルセルソルブやトルエン、メタノールなどの貧溶媒を加えても構わないことは言うまでもない。重合反応時は、反応系内を窒素雰囲気下としたり、反応系中の溶媒に窒素をバブリングしながら反応を行うと、ポリアミック酸の分子量が上がり易いので好ましい。

ポリアミック酸からポリイミドを得るには、加熱によってイミド化を進行させる方法や、触媒を用いて化学的にイミド化を行う方法などが例示できる。なかでも、容易に反応が進行し副反応が起こりにくいため触媒によって化学的にイミド化して得られるポリイミドを用いることが好ましい。化学的イミド化は、ポリアミック酸の溶液に、アミック酸の２〜２０モル倍の塩基触媒とアミック酸の３〜３０モル倍の酸無水物を添加し、−２０〜３００℃、好ましくは０〜２５０℃の温度において、１〜１００時間反応させると好ましい。この際、塩基触媒や酸無水物の量が少ないと反応が十分に進行せず、また多すぎると反応終了後に塩基触媒や酸無水物を完全に除去することが困難となる。塩基触媒としてはピリジン、トリエチルアミン、トリメチルアミン、トリブチルアミン、トリオクチルアミン等が例示でき、中でもピリジンは反応を進行させるのに適度な塩基性を持つために好ましい。また、酸無水物としては無水酢酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸などが例示でき、中でも無水酢酸を用いると反応終了後の精製が容易となるので好ましい。

ポリアミック酸またはポリイミドの溶液は、貧溶媒に注入することにより、ポリマー成分を沈殿回収することができる。特に、ポリマー合成の際に触媒を用いる場合、溶液中に未反応のモノマーが残存する場合、およびポリマー合成に用いた溶媒が液晶配向剤の成分として適さない場合は、ポリマーを回収してから液晶配向剤に用いることが好ましい。ポリマーの沈殿回収に用いる貧溶媒としては特に限定されないが、メタノール、アセトン、ヘキサン、ブチルセルソルブ、ヘプタン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、エタノール、トルエン、ベンゼンなどが例示できる。沈殿によって得られたポリマーは濾過して回収した後、常圧あるいは減圧下で、常温あるいは加熱乾燥してパウダーとすることが出来る。このパウダーを更に良溶媒に溶解して、再沈殿する操作を２〜１０回繰り返すと、ポリマー中の不純物が少なくなり、液晶配向膜とした際の電気特性が優れるために好ましい。また、貧溶媒として例えばアルコール類、ケトン類、炭化水素など３種類以上の貧溶媒を用いると、より一層精製の効率が上がるので好ましい。

ポリアミック酸、ポリイミド以外のポリマーについても、主鎖に炭素数４〜１６のアルキレン基を有するモノマーと、液晶のプレチルト角を高める側鎖を有するモノマーとを共重合させる方法や、主鎖に炭素数４〜１６のアルキレン基を有するポリマーに、液晶のプレチルト角を高める側鎖を付加させるなどの一般的な手法により得ることが出来る。

本発明において、液晶配向膜を形成する為のポリマーの還元粘度は、均一な塗膜を形成することができる範囲であれば特に限定されないが、０．０５〜３．０ｄｌ／ｇが好ましく、０．１〜２．５ｄｌ／ｇがより好ましく、０．３〜１．５ｄｌ／ｇがとりわけ好ましい。ポリマーの還元粘度が高すぎると液晶配向剤の取り扱いが難しくなり、低くすぎると液晶配向膜とした際に特性が安定しない場合がある。

以上のようにして得られた、主鎖に炭素数４〜１６のアルキレン基を有し、かつ、液晶のプレチルト角を高める側鎖を有するポリマーは、基板に塗布するのに適した濃度の溶液とすることによって本発明の液晶配向剤となる。この際、液晶配向剤に含有されるポリマー成分は、１種類であっても良く、２種類以上が混合されていても良い。また、液晶配向剤に２種類以上のポリマーが含有されている場合は、その少なくとも１種類が主鎖に炭素数４〜１６のアルキレン基を有し、かつ、液晶のプレチルト角を高める側鎖を有するポリマーであればよい。

本発明の液晶配向剤に用いる溶媒としては、含有する成分を均一に溶解させるものであれば特に限定されない。その一例としてはＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ−メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、およびブチロラクトン類などの良溶媒が挙げられる。中でも、アミド系溶媒を含むとポリマーの溶解性が高いので好ましく、とりわけ、Ｎ−メチル−２−ピロリドンやＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミドを含むと、液晶配向剤の印刷性が向上するので好ましい。また、ブチルセロソルブやプロピレングリコールモノブチルエーテル等のアルキレングリコールモノアルキルエーテル類、エチルカルビトールやジプロピレングリコールモノメチルエーテル等のジアルキレングリコールモノアルキルエーテル類、ジグライムやジエチレングリコールジエチルエーテル等のジアルキレングリコールジアルキルエーテル類、乳酸ブチルのようなアルキルラクテート類、メタノールやエタノール等のアルコール類などは、ポリマーの溶解性は低いものの、液晶配向剤に含有させることにより印刷時の塗膜均一性や平滑性を改善する効果があるので、ポリマー成分が析出しない範囲でこれらの貧溶媒を混合することが好ましい。具体的には、良溶媒３０〜９９．９重量％と上記貧溶媒０．１〜７０重量％とを含む溶媒を用いることが好ましい。

本発明の液晶配向剤の溶液濃度は、低過ぎると液晶配向膜が薄くなって液晶表示素子とした際の信頼性が悪くなることがあり、高すぎると基板に塗布する際の膜厚均一性が損なわれるため、樹脂分濃度が０．１〜３０重量％が好ましく、より好ましくは１〜１０重量％である。

このようにして得られた本発明の液晶配向剤に、さらにカップリング剤、架橋剤などの各種添加剤を加えて使用してもかまわないことは言うまでもない。カップリング剤を添加すると液晶配向膜と基板との密着性が向上する。ここでカップリング剤とは、ケイ素および１〜３族に属するすべての典型金属元素ならびにすべての遷移金属元素から選ばれる少なくとも１つ以上の元素と酸素原子との共有結合を有する化合物を示す。なかでも、アルコキシシラン、アルコキシアルミニウム、アルコキシジルコニウム、アルコキシチタン構造を有するカップリング剤は入手が容易でコスト的にも優れているために好ましい。特に、３−アミノプロピルトリメトキシシランは液晶表示素子とした際の電気特性が向上するためにとりわけ好ましい。またカップリング剤の添加量は多いと配向膜の強度が弱くなり、少ないと密着性向上の効果が少なくなるため、液晶配向剤中の固形分の０．０１〜３０重量％、より好ましくは０．１〜２０重量％、とりわけ好ましくは０．５〜１０重量％である。

上記のカップリング剤を配合するにあたって、あらかじめカップリング剤を溶媒で希釈した後、それらを−５〜８０℃の温度で液晶配向剤中に少しずつ注入すると、増粘や樹脂の不溶化が起こりにくく均一な液晶配向剤となるために好ましい。また、カップリング剤を希釈する溶媒と濃度は特に制限されない。例えばＮ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、トルエン、ヘキサン、γ−ブチロラクトンなど、ポリマー溶液に使用されている溶媒を用いて、１〜５０重量％、好ましくは３〜３０重量％の濃度に希釈してから用いることが好ましい。

本発明の液晶配向剤は、濾過した後、基板上に塗膜を形成させ、ラビングすることにより液晶配向膜とすることができる。この際、用いる基板としては特に限定されず、ガラス基板、アクリル基板やポリカーボネート基板などのプラスチック基板などを用いることが出来る。また、液晶駆動のためのITO電極などが形成された基板を用いることがプロセスの簡素化の観点から好ましいことは言うまでもない。

液晶配向剤の塗布は、スピンコート法、印刷法、インクジェット法などの手法を用いることができる。また、塗膜の形成は、液晶配向剤を塗布した後、５０〜３００℃、好ましくは８０〜２５０℃の温度において、１〜１０００分間乾燥することによってなされる。形成する膜の厚みは、厚すぎるとコスト面で不利となり、薄すぎると液晶表示素子の信頼性が低下するので、５〜３００nm、より好ましくは７〜１００nm、とりわけ好ましくは１０〜８０nmが好ましい。

塗膜のラビング処理は、ナイロン、レーヨン、コットンなどの布を用いて、膜表面を一方向に擦ることによりなされる。このときのラビング布の押し込み量は０．０１〜１mm、より好ましくは０．１〜０．７mmであるが、粉塵の発生が抑えられるので、ラビング布の押し込み量は小さいほうが好ましい。

ラビング後の液晶配向膜付き基板は、水、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどによって洗浄し、ラビング時に発生した粉塵を取り除くことが好ましい。洗浄方法としては、上記液体に基板を浸漬し、超音波をかけると粉塵が効率よく取り除かれるので好ましく、洗浄液としては、水、イソプロパノール、または水／イソプロパノール混合液が好ましい。特に、イソプロパノールを含有する洗浄液で、１分以上超音波洗浄することが好ましい。このようにして得られた液晶配向膜付き基板は、洗浄液を乾燥させた後、液晶表示素子の製造に用いることが出来る。

以下に実施例を挙げ、本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、実施例中の５−｛［４−（４−ヘプチルシクロヘキシル）フェノキシ］メチル｝−１，３−ジアミノベンゼンは以下の反応経路により合成したものを用いた。

mp：153-157℃、1H-NMR(CDCl3, δppm) : 7.09(2H,d), 6.88(2H,d), 5.84(2H,s), 5.74(1H,s), 4.74(4H,s), 3.33(2H,S), 2.36(1H,t), 1.77(4H,m), 1.17-1.41(16H,m), 1.01(2H,m), 0.88(3H,t).

＜実施例１＞
１，５−ビス（４−アミノフェノキシ）ペンタン７．４７ｇ（２６．０９ｍｍｏｌ）、４−（オクタデシルオキシ）−１，３−ジアミノベンゼン１．０９ｇ（２．８９ｍｍｏｌ）を、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰと略す。）８０ｇに溶解した。これにピロメリット酸二無水物５．７０ｇ（２６．１３ｍｍｏｌ）を添加し、室温で４時間反応させ、還元粘度が約０．８ｄｌ／ｇ（濃度０．５ｇ／ｄｌ、ＮＭＰ中３０℃で測定）のポリアミック酸（ａ−１）を得た。
ポリアミック酸（ａ−１）の溶液を、ＮＭＰとブチルセロソルブ（以下、ＢＣＳと略す）で希釈して、ポリアミック酸濃度５重量％、ＢＣＳ濃度２０重量％とし、本発明の液晶配向剤を得た。
［プレチルト角の評価］
上記の液晶配向剤を０．５μｍのフィルターで濾過した後、透明電極付きガラス基板にスピンコートし、２００℃／３０分焼成して膜厚７０nmの塗膜とした。更にこの塗膜を、毛足の長さが２mmのレーヨン布で、押し込み量０．５mm、ローラー回転数３００ｒｐｍ、ローラー送り速度２０mm／ｓの条件でラビングして液晶配向膜とした。

ラビング後の液晶配向膜付き基板は、水中において超音波をかけて１分間洗浄を行った後、水滴をエアーガンで飛ばし、更に８０℃で１０分乾燥させた。この基板を２枚一組とし、５０μｍのスペーサーを挟んで、配向膜面が内側で且つラビング方向が反平行になるようにして組み立て、液晶（メルク社製MLC−２００３）を注入して液晶セルを作成した。この液晶セルの配向状態を偏光顕微鏡で観察したところ欠陥のない均一な配向をしていることが確認された。

上記の液晶セルについて、結晶回転法により液晶のプレチルト角を測定した。プレチルト角の測定は、まず液晶注入後の熱処理を行わずに測定し、その後、１０５℃／５分、１２０℃／６０分の順に熱エージング処理を行い、各熱処理後におけるプレチルト角を室温にて測定した。その結果、熱処理前、１０５℃／５分後、１２０℃／６０分後の順に、４．８度、４．６度、４．７度であり、各条件とも高いプレチルト角を有しており、かつ熱処理に対してプレチルト角の変化がほとんど見られなかった。

＜実施例２＞
１，５−ビス（４−アミノフェノキシ）ペンタン７．４７ｇ（２６．０９ｍｍｏｌ）、４−［４−（４−ヘプチルシクロヘキシル）フェノキシ］−１，３−ジアミノベンゼン１．１０ｇ（２．８９ｍｍｏｌ）を、ＮＭＰ８０ｇに溶解した。これにピロメリット酸二無水物５．７０ｇ（２６．１３ｍｍｏｌ）を添加し、室温で４時間反応させ、還元粘度が約０．９ｄｌ／ｇ（濃度０．５ｇ／ｄｌ、ＮＭＰ中３０℃で測定）のポリアミック酸（ａ−２）を得た。
ポリアミック酸（ａ−２）の溶液を、ＮＭＰとＢＣＳで希釈して、ポリアミック酸濃度５重量％、ＢＣＳ濃度２０重量％とし、本発明の液晶配向剤を得た。

上記の液晶配向剤を用い、実施例１の液晶配向剤と同様にプレチルト角の評価を行った。その結果、液晶のプレチルト角は、熱処理前、１０５℃／５分後、１２０℃／６０分後の順に、３．８度、３．９度、４．２度であり、各条件とも高いプレチルト角を有しており、かつ熱処理に対してプレチルト角の変化がほとんど見られなかった。

＜比較例１＞
４，４’−ジアミノジフェニルエーテル３．０６ｇ（１５．２８ｍｍｏｌ）、４−（オクタデシルオキシ）−１，３−ジアミノベンゼン０．６４ｇ（１．７０ｍｍｏｌ）を、ＮＭＰ４７ｇに溶解した。これにピロメリット酸二無水物３．４０ｇ（１５．５９ｍｍｏｌ）を添加し、室温で４時間反応させ、還元粘度が約０．７ｄｌ／ｇ（濃度０．５ｇ／ｄｌ、ＮＭＰ中３０℃で測定）のポリアミック酸（ａ−３）を得た。
ポリアミック酸（ａ−３）の溶液を、ＮＭＰとＢＣＳで希釈して、ポリアミック酸濃度５重量％、ＢＣＳ濃度２０重量％とし、比較のための液晶配向剤を得た。

上記の液晶配向剤を用い、実施例１の液晶配向剤と同様にプレチルト角の評価を行った。その結果、液晶のプレチルト角は、熱処理前、１０５℃／５分後、１２０℃／６０分後の順に、６．３度、６．０度、５．６度であり、各条件とも高いプレチルト角を示したが、熱処理に対してプレチルト角の低下が見られた。

＜比較例２＞
４，４’−ジアミノジフェニルエーテル３．０６ｇ（１５．２８ｍｍｏｌ）、４−［４−（４−ヘプチルシクロヘキシル）フェノキシ］−１，３−ジアミノベンゼン０．６５ｇ（１．７１ｍｍｏｌ）を、ＮＭＰ４７ｇに溶解した。これにピロメリット酸二無水物３．４０ｇ（１５．５９ｍｍｏｌ）を添加し、室温で４時間反応させ、還元粘度が約０．８ｄｌ／ｇ（濃度０．５ｇ／ｄｌ、ＮＭＰ中３０℃で測定）のポリアミック酸（ａ−４）を得た。
ポリアミック酸（ａ−４）の溶液を、ＮＭＰとＢＣＳで希釈して、ポリアミック酸濃度５重量％、ＢＣＳ濃度２０重量％とし、比較のための液晶配向剤を得た。

上記の液晶配向剤を用い、実施例１の液晶配向剤と同様にプレチルト角の評価を行った。その結果、液晶のプレチルト角は、熱処理前、１０５℃／５分後、１２０℃／６０分後の順に、５．６度、５．４度、５．０度であり、各条件とも高いプレチルト角を示したが、熱処理に対してプレチルト角の低下が見られた。

＜実施例３＞
１，５−ビス（４−アミノフェノキシ）ペンタン６．８０ｇ（２３．７５ｍｍｏｌ）、４−（オクタデシルオキシ）−１，３−ジアミノベンゼン０．４７ｇ（１．２５ｍｍｏｌ）を、ＮＭＰ６８ｇに溶解した。これに１，２，３，４−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物４．６６ｇ（２３．７６ｍｍｏｌ）を添加し、室温で４時間反応させ、還元粘度が約０．７ｄｌ／ｇ（濃度０．５ｇ／ｄｌ、ＮＭＰ中３０℃で測定）のポリアミック酸（ａ−５）を得た。
ポリアミック酸（ａ−５）の溶液を、ＮＭＰとＢＣＳで希釈して、ポリアミック酸濃度５重量％、ＢＣＳ濃度２０重量％とし、本発明の液晶配向剤を得た。

上記の液晶配向剤を用い、実施例１の液晶配向剤と同様にプレチルト角の評価を行った。その結果、液晶のプレチルト角は、熱処理前、１０５℃／５分後、１２０℃／６０分後の順に、８．９度、８．８度、８．９度であり、各条件とも高いプレチルト角を有しており、かつ熱処理に対してプレチルト角の変化がほとんど見られなかった。

＜実施例４＞
１，５−ビス（４−アミノフェノキシ）ペンタン６．８０ｇ（２３．７５ｍｍｏｌ）、４−［４−（４−ヘプチルシクロヘキシル）フェノキシ］−１，３−ジアミノベンゼン０．４８ｇ（１．２６ｍｍｏｌ）を、ＮＭＰ８０ｇに溶解した。これに１，２，３，４−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物４．６６ｇ（２３．７６ｍｍｏｌ）を添加し、室温で４時間反応させ、還元粘度が約０．８ｄｌ／ｇ（濃度０．５ｇ／ｄｌ、ＮＭＰ中３０℃で測定）のポリアミック酸（ａ−６）を得た。
ポリアミック酸（ａ−６）の溶液を、ＮＭＰとＢＣＳで希釈して、ポリアミック酸濃度５重量％、ＢＣＳ濃度２０重量％とし、本発明の液晶配向剤を得た。

上記の液晶配向剤を用い、実施例１の液晶配向剤と同様にプレチルト角の評価を行った。その結果、液晶のプレチルト角は、熱処理前、１０５℃／５分後、１２０℃／６０分後の順に、６．９度、６．８度、７．２度であり、各条件とも高いプレチルト角を有しており、かつ熱処理に対してプレチルト角の変化がほとんど見られなかった。

＜実施例５＞
１，５−ビス（４−アミノフェノキシ）ペンタン７．４７ｇ（２６．０９ｍｍｏｌ）、５−｛［４−（４−ヘプチルシクロヘキシル）フェノキシ］メチル｝−１，３−ジアミノベンゼン１．１４ｇ（２．８９ｍｍｏｌ）を、ＮＭＰ９８ｇに溶解した。これにピロメリット酸二無水物６．１４ｇ（２８．１５ｍｍｏｌ）を添加し、室温で４時間反応させ、還元粘度が約１．１ｄｌ／ｇ（濃度０．５ｇ／ｄｌ、ＮＭＰ中３０℃で測定）のポリアミック酸（ａ−７）を得た。
ポリアミック酸（ａ−７）の溶液を、ＮＭＰとＢＣＳで希釈して、ポリアミック酸濃度５重量％、ＢＣＳ濃度２０重量％とし、本発明の液晶配向剤を得た。

上記の液晶配向剤を用い、実施例１の液晶配向剤と同様にプレチルト角の評価を行った。その結果、液晶のプレチルト角は、熱処理前、１０５℃／５分後、１２０℃／６０分後の順に、８．３度、８．０度、８．２度であり、各条件とも高いプレチルト角を有しており、かつ熱処理に対してプレチルト角の変化がほとんど見られなかった。

＜実施例６＞
４，４’−ジアミノジフェニルメタン２０．０２ｇ（１００ｍｍｏｌ）をＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド１１５ｇ、γ−ブチロラクトン１１５ｇに溶解した。これに１，２，３，４−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物９．６０ｇ（４９ｍｍｏｌ）、ピロメリット酸二無水物１０．９０ｇ（５０ｍｍｏｌ）を添加し、室温で４時間反応させ、還元粘度が約１．２ｄｌ／ｇ（濃度０．５ｇ／ｄｌ、ＮＭＰ中３０℃で測定）のポリアミック酸（ａ−８）を得た。

ポリアミック酸（ａ−８）の溶液に、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドで２％に希釈した３−アミノプロピルトリメトキシシラン（LS-3150：信越化学工業株式会社製）を、３−アミノプロピルトリメトキシシランがポリアミック酸に対して１重量％になるように添加し、更にγ−ブチロラクトンで希釈して、ポリアミック酸濃度５重量％の溶液とした。

上記で調製したポリアミック酸（ａ−８）の５％溶液と、実施例１で調製したポリアミック酸（ａ−１）の５％溶液とを、重量比で（ａ−８）／（ａ−１）＝４／１となるように混合し、充分攪拌して本発明の液晶配向剤を得た。
上記の液晶配向剤を用い、実施例１の液晶配向剤と同様にプレチルト角の評価を行った。その結果、液晶のプレチルト角は、熱処理前、１０５℃／５分後、１２０℃／６０分後の順に、４．０度、４．１度、４．３度であり、各条件とも高いプレチルト角を有しており、かつ熱処理に対してプレチルト角の変化がほとんど見られなかった。

＜実施例７＞
実施例１で得られた液晶配向剤を、０．５μｍのフィルターで濾過した後、透明電極付きガラス基板にスピンコートし、２００℃／３０分焼成して膜厚７０nmの塗膜とした。更にこの塗膜を、毛足の長さが２mmのレーヨン布で、押し込み量０．３mm、ローラー回転数３００ｒｐｍ、ローラー送り速度４０mm／ｓの条件でラビングして液晶配向膜とした。
ラビング後の液晶配向膜付き基板は、イソプロパノール中において超音波をかけて１分間洗浄を行った後、液滴をエアーガンで飛ばし、更に８０℃で１０分乾燥させた。この基板を２枚一組とし、５０μｍのスペーサーを挟んで、配向膜面が内側で且つラビング方向が反平行になるようにして組み立て、液晶（メルク社製MLC−２００３）を注入して液晶セルを作成した。

上記の液晶セルについて、結晶回転法により液晶のプレチルト角を測定したところ、９．９度であった。この液晶セルの配向状態を偏光顕微鏡で観察したところ欠陥のない均一な配向をしていることが確認され、弱いラビング条件、有機溶剤による洗浄にも関わらず、良好な配向性と高いプレチルト角を有していた。

＜実施例８＞
実施例２で得られた液晶配向剤を用い、実施例７と同様の評価を行った。その結果、液晶のプレチルト角は８．７度であり、液晶は欠陥のない均一な配向をしていることが確認され、弱いラビング条件、有機溶剤による洗浄にも関わらず、良好な配向性と高いプレチルト角を有していた。

＜実施例９＞
実施例３で得られた液晶配向剤を用い、実施例７と同様の評価を行った。その結果、液晶のプレチルト角は８．７度であり、液晶は欠陥のない均一な配向をしていることが確認され、弱いラビング条件、有機溶剤による洗浄にも関わらず、良好な配向性と高いプレチルト角を有していた。

＜実施例１０＞
実施例４で得られた液晶配向剤を用い、実施例７と同様の評価を行った。その結果、液晶のプレチルト角は７．３度であり、液晶は欠陥のない均一な配向をしていることが確認され、弱いラビング条件、有機溶剤による洗浄にも関わらず、良好な配向性と高いプレチルト角を有していた。

本発明の液晶配向剤を用いて作製した液晶表示素子は高いプレチルト角を発現し、表示素子に対して熱エージングを行ったときのプレチルト角の低下も起こらず、信頼性の高い液晶表示デバイスとすることが出来る。また、本発明の液晶配向剤を用いて作製した液晶配向膜は、弱いラビング条件、イソプロパノールなどの有機溶剤による洗浄にも関わらず、良好な配向性と高いプレチルト角を有する。

Claims

液晶配向膜を形成するためのポリマーを1種類以上含有する液晶配向剤であって、このポリマーの少なくとも１種類が、下記式（６）で表される構造と、下記式（７）で表される構造と、を有するポリアミック酸またはこのポリアミック酸を脱水閉環させたポリイミからなることを特徴とする液晶配向剤。

（式中、Ｙ１は４価の有機基を表し、ｋは４から１６の整数を表す）

（式中、Ｙ２は４価の有機基を表し、Ｙ３は３価の有機基を表し、Ｘは単結合または２価の結合基を表し、Ｒは炭素数４〜２０のアルキル基、炭素数４〜２０のフルオロアルキル基からなる群から選ばれる少なくとも１種の有機基を表す。）
前記ポリマーが、式（６）で表される構造を２０〜９５モル％含有し、前記式（７）で表される構造を５〜３０モル％含有する請求項１に記載の液晶配向剤。
前記式（６）のＹ１または、式（７）のＹ２が、下記（８）または（９）に示す構造である、請求項１または２に記載の液晶配向剤。