JP5716428B2 - 液晶表示素子及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、液晶表示素子及びその製造方法に関し、詳しくは、光配向法によって液晶配向能が付与された液晶配向膜を有する液晶表示素子及びその製造方法に関する。
従来、液晶表示素子としては、例えば、液晶分子を基板に対して垂直配向させるVA(Vertical Alignment)型液晶表示素子などが知られている。VA型液晶表示素子では、電圧を印加しない状態において液晶分子が基板表面に対して垂直に配向され、電圧を印加した状態において液晶分子が基板表面に対して水平方向に配向される。このようなVA型では、従来、例えばリブや電極スリットを設けることにより、垂直配向した状態の液晶分子の倒れる方向を規制することが行われている。
また近年、液晶配向技術としては、従来のラビング法に代えて、基板表面上に形成された塗膜に光照射することにより該塗膜に液晶配向能を付与する光配向法が注目を集めている。この方法によれば、液晶を傾斜配向(チルト配向)させる性能を塗膜自体に発現させることができ、電圧変化に対する液晶分子の応答速度を良好にすることができるといった利点がある。また、その際、基板表面に対する液晶分子のプレチルト角を高精度で制御できるといった利点もある。
このような光配向法により形成された液晶配向膜を有する液晶表示素子が種々提案されている(例えば、特許文献1や特許文献2参照)。特許文献1,2には、2枚の基板のそれぞれ表面に、感放射線性ポリオルガノシロキサンを含む液晶配向剤を用いて塗膜を形成し、それら塗膜に光照射した光配向膜を備える基板を用いて液晶表示素子を作製することが開示されている。
特許第4416054号公報 特開2010−185001号公報
近年、液晶表示装置の高画質化への要求は更に高まっており、これを実現するべく、液晶表示素子において、電圧変化に対する液晶分子の応答性(応答速度)を更に改善する必要がある。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、電圧変化に対する液晶分子の応答特性に優れた液晶表示素子及びその製造方法を提供することを主たる目的とする。
本発明は、上記目的を達成するべく以下の手段を採用した。
本発明の液晶表示素子は、一対の基板を備える液晶表示素子であって、前記一対の基板のうちの一方の基板表面において、該基板表面に垂直な方向に対して液晶分子を傾斜して配向させる第1配向膜が形成され、他方の基板表面において、液晶分子を垂直配向させる第2配向膜が形成されており、前記第1配向膜が、光配向性基を有する感放射線性化合物を含む液晶配向剤を用いて形成されており、該光配向性基が、アゾベンゼン、スチルベン、α−イミノ−β−ケトエステル、スピロピラン、スピロオキサジン、桂皮酸、カルコン、スチルバゾール、ベンジリデンフタルイミジン、クマリン、ジフェニルアセリレン及びアントラセンからなる群より選ばれる少なくとも1つの化合物由来の構造を有していることを特徴とする。
また、本発明の液晶表示素子の製造方法は、一対の基板を備える液晶表示素子の製造方法であって、前記一対の基板のうちの一方の基板表面において、該基板表面に垂直な方向に対して液晶分子を傾斜して配向させる第1配向膜が形成され、他方の基板表面において、液晶分子を垂直配向させる第2配向膜が形成された液晶表示素子を製造する製造工程を含み、前記第1配向膜を、光配向性基を有する感放射線性化合物を含む光配向用液晶配向剤を用いて形成し、該光配向性基が、アゾベンゼン、スチルベン、α−イミノ−β−ケトエステル、スピロピラン、スピロオキサジン、桂皮酸、カルコン、スチルバゾール、ベンジリデンフタルイミジン、クマリン、ジフェニルアセリレン及びアントラセンからなる群より選ばれる少なくとも1つの化合物由来の構造を有していることを特徴とする。
本発明によれば、液晶表示素子において、一対の基板が有する液晶配向膜のうちの一方を、基板表面に垂直な方向に対して液晶分子を傾斜配向させる配向膜とし、他方を垂直配向膜にするとともに、前者の配向膜については、特定の光配向性基を有する感放射線性化合物を含む液晶配向剤により形成することにより、電圧変化に対する液晶分子の応答特性に優れた液晶表示素子を得ることができる。
本発明において、前記光配向性基が、桂皮酸由来の構造を有していてもよい。また、前記感放射線性化合物としては、前記光配向性基を有するポリオルガノシロキサンを含むものであってもよく、この場合、更に、長時間の光照射に対する耐久性(耐光性)を優れたものにすることができる。
ここで、本発明の液晶表示素子の製造方法として具体的には、下記の2つの態様を挙げることができる。まず、第1の構成としては、前記製造工程が、前記一対の基板のうちの一方の基板表面に、前記光配向用液晶配向剤を用いて第1塗膜を形成する第1の膜形成工程と、前記第1塗膜に対して光照射することにより、該第1塗膜を前記第1配向膜とする光照射工程と、前記一対の基板のうちの他方の基板表面に、垂直配向膜を形成可能な液晶配向剤を用いて前記第2配向膜としての第2塗膜を形成する第2の膜形成工程と、前記第1配向膜と前記第2塗膜とが対向するように前記一対の基板が配置されかつその基板間に液晶分子が充填された液晶セルを構築するセル構築工程と、を含むものが挙げられる。
また、第2の構成としては、前記製造工程が、前記一対の基板のうちの一方の基板表面に、前記光配向用液晶配向剤を用いて塗膜を形成する第1の膜形成工程と、前記一対の基板のうちの他方の基板表面に、光配向性基を有する化合物を実質的に含まない液晶配向剤を用いて前記第2配向膜を形成する第2の膜形成工程と、前記塗膜と前記第2配向膜とが対向するように前記一対の基板が配置されかつその基板間に液晶分子が充填された液晶セルを構築するセル構築工程と、前記セル構築工程により構築した前記液晶セルに対して、前記一対の基板間に電圧を印加した状態で光照射する光照射工程と、を含むものが挙げられる。これら2つの構成のうち、電圧変化に対する液晶分子の応答性の観点からすると、上記第1の構成がより好ましい。
液晶表示素子の縦断面図。 透明導電膜のパターン形状を示す図。
[液晶表示素子]
以下、本発明の液晶表示素子について図面を適宜参照しながら説明する。図1は、本発明の液晶表示素子の一例を示す模式図である。
図1に示すように、液晶表示素子10は、一対の基板11a,11bを有しており、それらが互いに離間して配置されている。基板11a,11b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、ポリ(脂環式オレフィン)などのプラスチックからなる透明基板により構成されている。
一対の基板のうち、一方の基板11aには、他方の基板11bに対面する側の表面に第1電極12が設けられている。第1電極12としては、液晶表示素子の電極として一般に用いられているものであれば特に限定されるものではないが、例えば透明導電膜を用いることができる。透明導電膜としては、例えば、酸化スズ(SnO)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(In−SnO)からなるITO膜などを挙げることができる。
第1電極12において、基板11bに対面する側の表面には第1配向膜13が形成されている。第1配向膜13は、基板表面に垂直な方向に対し、液晶分子を傾斜して配向可能な有機薄膜により構成されている。つまり、第1配向膜13では、図1に示すように、液晶分子の基板表面からの立ち上がり角(プレチルト角)がθ(0<θ<90°)となる。第1配向膜13の膜厚は、0.001〜1μmであるのが好ましく、0.005〜0.5μmであるのがより好ましい。
基板11bには、基板11aに対面する側の表面に第2電極14が設けられている。この第2電極14としては、第1電極12で例示した透明導電膜と同様のものを用いることができる。例えば、本発明の液晶表示素子を、TFTを用いた方式に適用する場合、第1電極12及び第2電極14のうちの一方を対向電極とし、他方を画素電極とすることができる。
第2電極14において、基板11aに対面する側の表面には第2配向膜15が形成されている。第2配向膜15は、液晶分子を基板表面に対して垂直配向させる有機薄膜により構成されている。第2配向膜15の膜厚は、0.001〜1μmであるのが好ましく、0.005〜0.5μmであるのがより好ましい。
第1配向膜13と第2配向膜15との間には、液晶分子16が充填された液晶層17が形成されている。液晶分子16としては、例えば、ネマティック液晶、スメクティック液晶などを好ましく用いることができる。中でも、負の誘導異方性を有するネマティック液晶が好ましく、具体的には、例えば、ジシアノベンゼン系液晶、ピリダジン系液晶、シッフベース系液晶、アゾキシ系液晶、ビフェニル系液晶、フェニルシクロヘキサン系液晶などを用いることができる。液晶層17の厚みは、1.2〜8.0μmであるのが好ましく、1.3〜5.5μmであるのがより好ましく、1.4〜4.0μmであるのが更に好ましい。
一対の基板11a,11bの外表面には、それぞれ偏光板18,19が取り付けられている。偏光板18,19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又はH膜そのものからなる偏光板を用いることができる。
次に、本発明における第1配向膜13及び第2配向膜15について説明する。本発明における第1配向膜13及び第2配向膜15は、重合体成分として、ポリアミック酸及びポリイミドの少なくともいずれかの重合体を含む液晶配向剤(第1配向剤、第2配向剤)を用いてそれぞれ形成されている。
[第1配向剤]
第1配向膜13を形成するための第1配向剤は、光配向性基を有する感放射線性化合物を含んで構成されている。
<感放射線性化合物>
本発明における感放射線性化合物が有する光配向性基は、光照射により膜に異方性を付与する官能基であり、本発明では特に、光異性化反応及び光二量化反応の少なくともいずれかを生じることにより膜に異方性を与える基である。
第1配向膜13の形成に際し適用される光配向性基として具体的には、アゾベンゼン、スチルベン、α−イミノ−β−ケトエステル、スピロピラン、スピロオキサジン、桂皮酸、カルコン、スチルバゾール、ベンジリデンフタルイミジン、クマリン、ジフェニルアセリレン及びアントラセンからなる群より選ばれる少なくとも1つの化合物由来の構造を有する基である。上記光配向性基としては、これらの中でも、桂皮酸由来の構造を有する基が特に好ましい。桂皮酸由来の構造として具体的には、下記式(c1)で表すことができる。
Figure 0005716428
(式中、Rは、炭素数1〜6のアルキル基若しくはアルコキシ基、フッ素原子又はシアノ基である。aは0〜4の整数であり、aが2〜4の場合、複数のRはそれぞれ独立して上記定義を有する。「*」は結合手であることを示す。)
上記式(c1)のRにおける炭素数1〜6のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、ブチル基等を挙げることができる。また、炭素数1〜6のアルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基等を挙げることができる。
aとしては、0又は1が好ましく、0がより好ましい。
上記式(c1)で表される構造を有する光配向性基として具体的には、下記式(c1−1)又は式(c1−2)で表されるものが好ましい。
Figure 0005716428
(式中、R及びRは、それぞれ独立に、水素原子、脂環式基を有する炭素数3〜40の1価の有機基、又はフッ素原子を有してもよい炭素数1〜40のアルキル基である。R及びRは、それぞれ独立に、メチレン基、−Si(CH−、−CH=CH−、−C≡C−又は環式構造を有する2価の基である。X、X及びXは、それぞれ独立に、単結合、酸素原子、−CO−、−COO−、−NR−、−CO−NR、−NR−CO−O−、−NR−CO−NR−、−O−CO−O−(但し、Rは、それぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基である。)である。Xは、単結合又は酸素原子である。b及びcは、それぞれ独立に、0〜3の整数であり、b、cが2又は3の場合、複数のR、R、X、Xはそれぞれ独立して上記定義を有する。R、a及び「*」は、それぞれ上記式(c1)と同義である。)
上記式(c1−1)のR、及び上記式(c1−2)のRにおける脂環式基を有する炭素数3〜40の1価の有機基としては、例えば、シクロヘキシルメチル基、シクロヘキシルプロピル基、シクロヘキシルペンチル基、シクロヘキシルヘプチル基、シクロオクチル基、アダマンチル基、コレスタニル基、コレステニル基、ラノスタニル基などを挙げることができる。
及びRにおける炭素数1〜40のアルキル基としては、直鎖状であっても分岐状であってもよい。当該アルキル基として好ましくは炭素数1〜20であり、具体的には、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−ノニル基、n−デシル基、n−ラウリル基、n−ドデシル基、n−トリデシル基、n−テトラデシル基、n−ペンタデシル基、n−ヘキサデシル基、n−ヘプタデシル基、n−オクタデシル基、n−ノナデシル基、n−イコシル基などを挙げることができる。当該アルキル基は、良好な液晶配向性を発現し得る観点からすると、これらのうち、炭素数1〜12の直鎖状のアルキル基であるのが好ましく、特に炭素数4〜12の直鎖状のアルキル基であるのが好ましい。
及びRにおけるアルキル基は、炭素原子が有する少なくとも1つの水素原子がフッ素原子で置換されていてもよい。このようなフルオロアルキル基の具体例としては、例えば、3,3,3−トリフルオロプロピル基、4,4,4−トリフルオロブチル基、4,4,5,5,5−ペンタフルオロペンチル基、4,4,5,5,6,6,6−ヘプタフルオロヘキシル基、3,3,4,4,5,5,5−ヘプタフルオロペンチル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル基、2−(パーフルオロブチル)エチル基、2−(パーフルオロオクチル)エチル基、2−(パーフルオロデシル)エチル基などを挙げることができる。R及びRにおけるフルオロアルキル基としては、中でも、液晶配向性を良好にできる観点から炭素数3〜6の直鎖状であるのが好ましい。
上記式(c1−1)のR、及び上記式(c1−2)のRにおける環式構造を有する2価の基としては、2価の芳香族基、脂環式基、複素環式基、縮合環式基を挙げることができ、またこれら複数が結合してなる2価の基であってもよい。
これらのうち、2価の芳香族基としては、例えば、1,4−フェニレン基、2−フルオロ−1,4−フェニレン基、3−フルオロ−1,4−フェニレン基、2,3,5,6−テトラフルオロ−1,4−フェニレン基などを;
2価の脂環式基としては、例えば、1,4−シクロヘキシレン基、2−フルオロ−1,4−シクロヘキシレン基、3−フルオロ−1,4−シクロヘキシレン基、2,3,5,6−テトラフルオロ−1,4−シクロヘキシレン基などを;
2価の複素環式基としては、例えば、1,4−ピリジレン基、2,5−ピリジレン基、1,4−フラニレン基などを;
2価の縮合環式基としては、例えばナフチレン基などを、それぞれ挙げることができる。
、X及びXとしては、それぞれ、単結合、酸素原子又は−COO−であるのが好ましい。
bは、0〜2の整数が好ましく、1又は2がより好ましい。
上記式(c1−1)で表される基として具体的には、下記式(c1−1−1)〜(c1−1−28)で表される基を例示することができる。
Figure 0005716428
Figure 0005716428
Figure 0005716428
Figure 0005716428
(式中、R及び「*」は、それぞれ式(c1−1)と同義であり、dは1〜10の整数である。)
上記式(c1−2)で表される基としては、下記式(c1−2−1)〜(c1−2−4)で表される基を例示することができる。
Figure 0005716428
(式中、R及び「*」は、それぞれ、式(c1−2)と同義である。)
光配向性基を有する感放射線性化合物としては、上記光配向性基が直接又は連結基を介して結合された重合体であるのが好ましい。当該重合体としては、例えば、ポリアミック酸及びポリイミドの少なくともいずれかの重合体に上記光配向性基が結合したもの、ポリアミック酸及びポリイミドとは別の重合体に上記光配向性基が結合したものが挙げられる。後者の場合、光配向性基を有する重合体の基本骨格としては、例えば、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、ポリ(メタ)アクリルアミド、ポリビニルエーテル、ポリオレフィン、ポリオルガノシロキサン等を挙げることができる。なお、本明細書において、「(メタ)アクリル」とは、アクリル及びメタクリルを意味する。
感放射線性化合物としては、液晶表示素子において電圧変化に対する液晶分子の反応速度を効果的に速くできる点において、ポリアミック酸、ポリイミド又はポリオルガノシロキサンを基本骨格とするものが好ましい。また、これらの中でも、ポリオルガノシロキサンが特に好ましい。上記光配向性基を有するポリシロキサンを第1配向剤中に含有させることにより、液晶表示素子において、電圧変化に対する液晶分子の反応速度に加え、長時間の光照射に対する耐久性(耐光性)をより良好なものとすることができる。
<特定ポリオルガノシロキサン>
上記光配向性基を有するポリオルガノシロキサン(以下、特定ポリオルガノシロキサンともいう。)は、例えば、エポキシ基を有するポリオルガノシロキサン(ポリシロキサン前駆体)と、エポキシ基と反応する基及び上記光配向性基を有する化合物(以下、反応性化合物X1ともいう。)と、を反応させることにより得ることができる。
(ポリシロキサン前駆体)
ポリシロキサン前駆体は、例えば、エポキシ基と加水分解性基とを有するシラン化合物(1)を、好ましくは有機溶媒、水及び触媒の存在下で加水分解・縮合することにより得ることができる。
シラン化合物(1)としては、例えば、3−グリシジロキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシジロキシプロピルトリエトキシシラン、3−グリシジロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシジロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシジロキシプロピルジメチルメトキシシラン、3−グリシジロキシプロピルジメチルエトキシシラン、2−グリシジロキシエチルトリメトキシシラン、2−グリシジロキシエチルトリエトキシシラン、2−グリシジロキシエチルメチルジメトキシシラン、2−グリシジロキシエチルメチルジエトキシシラン、2−グリシジロキシエチルジメチルメトキシシラン、2−グリシジロキシエチルジメチルエトキシシラン、4−グリシジロキシブチルトリメトキシシラン、4−グリシジロキシブチルトリエトキシシラン、4−グリシジロキシブチルメチルジメトキシシラン、4−グリシジロキシブチルメチルジエトキシシラン、4−グリシジロキシブチルジメチルメトキシシラン、4−グリシジロキシブチルジメチルエトキシシラン、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、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリエトキシシラン、3−(3,4−エポキシシクロヘキシル)プロピルトリメトキシシラン、3−(3,4−エポキシシクロヘキシル)プロピルトリエトキシシランなどを挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上を用いることができる。
ポリシロキサン前駆体を合成するために用いるシラン化合物は、シラン化合物(1)のみでもよいが、シラン化合物(1)の他に、エポキシ基を有さないシラン化合物(以下、「シラン化合物(2)」という。)を含んでいてもよい。
ここで使用することのできるシラン化合物(2)としては、ケイ素原子を1個有するシラン化合物や、商品名で、例えばKC−89やX−21−3153(いずれも信越化学工業(株)製)などの部分縮合物等を挙げることができる。シラン化合物(2)の好ましい具体例としては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、3−(メタ)アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−(メタ)アクリロキシ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、ビニルトリエトキシシラン、アリルトリメトキシシラン、アリルトリエトキシシラン、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、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、メルカプトメチルトリメトキシシラン、メルカプトメチルトリエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン又はジメチルジエトキシシランを挙げることができる。
ポリシロキサン前駆体は、そのエポキシ当量が100〜10,000g/モルであるのが好ましく、150〜1,000g/モルであるのがより好ましく、特に150〜300g/モルであるのが好ましい。したがって、ポリシロキサン前駆体を合成するにあたっては、シラン化合物(1)とシラン化合物(2)との使用割合を、得られるポリオルガノシロキサンのエポキシ当量が上記の範囲になるように調製するのが好ましい。上記ポリシロキサン前駆体の合成に際しては、シラン化合物(1)のみを用いるのが好ましい。
ポリシロキサン前駆体の合成に使用することのできる有機溶媒としては、例えば、炭化水素、ケトン、エステル、エーテル、アルコールなどを挙げることができ、これらのうち非水溶性のものが好ましい。なお、上記有機溶媒としては、単独で又は2種以上を混合して使用することができる。また、有機溶媒の使用量は、全シラン化合物100重量部に対して、好ましくは10〜10,000重量部、より好ましくは50〜1,000重量部である。
ポリシロキサン前駆体を合成する際の水の使用量は、全シラン化合物に対して、好ましくは0.5〜100倍モル、より好ましくは1〜30倍モルである。
ポリシロキサン前駆体の合成に用いる触媒としては、例えば、酸、アルカリ金属化合物、有機塩基、チタン化合物、ジルコニウム化合物などを挙げることができる。これらのうち、アルカリ金属化合物としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどを;有機塩基としては、例えば、エチルアミン、ジエチルアミン、ピペラジンなどの1〜2級有機アミン:トリエチルアミン、ピリジン、4−ジメチルアミノピリジンなどの3級の有機アミン:テトラメチルアンモニウムヒドロキシドなどの4級の有機アミン等を挙げることができる。上記触媒としては、中でも、アルカリ金属化合物又は有機塩基が好ましく、有機溶媒がより好ましい。また、有機塩基としては、3級の有機アミン又は4級の有機アミンが特に好ましい。
触媒として有機塩基を用いる場合、その使用量は、有機塩基の種類、温度などの反応条件などによって適宜に設定すればよいが、例えば全シラン化合物に対して、好ましくは0.01〜3倍モルであり、より好ましくは0.05〜1倍モルである。
ポリシロキサン前駆体の合成反応(加水分解・縮合反応)は、例えば、シラン化合物(1)と、必要に応じて用いられるシラン化合物(2)とを有機溶媒に溶解し、この溶液を、触媒としての有機塩基及び水と混合して、例えば油浴などで加熱することにより行うことができる。この加水分解・縮合反応時には、加熱温度を好ましくは130℃以下、より好ましくは40〜100℃として、好ましくは0.5〜12時間、より好ましくは1〜8時間加熱するのが望ましい。加熱中は、混合液を撹拌してもよいし、還流下においてもよい。また、反応終了後には、反応液から分取した有機溶媒層を水で洗浄することが好ましい。洗浄は、洗浄後の水層が中性になるまで行い、その後有機溶媒層を、必要に応じて無水硫酸カルシウム、モレキュラーシーブスなどの乾燥剤で乾燥した後、溶媒を除去する。これにより、目的とするポリシロキサン前駆体を得ることができる。
ポリシロキサン前駆体につき、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーで測定したポリスチレン換算の重量平均分子量Mwは、1,000〜1,000,000であるのが好ましく、1,500〜300,000であるのがより好ましい。
なお、ポリシロキサン前駆体として市販品を用いる場合には、例えば、DMS−E01,DMS−E12、DMS−E21,EMS−32(以上、チッソ(株)製)などを用いることができる。
(反応性化合物X1)
反応性化合物X1は、ポリシロキサン前駆体が有するエポキシ基と反応する基、及び上記光配向性基を有するものである。エポキシ基と反応する基としては、カルボキシル基が好ましい。かかる反応性化合物Xの具体例としては、上記式(c1−1−1)〜(c1−1−28)で表される基における結合手が水酸基と結合したもの、上記式(c1−2−1)〜(c1−2−4)で表される基における結合手がカルボキシル基と結合したものを挙げることができる。
ポリオルガノシロキサンの合成に際して使用される反応性化合物X1の割合は、ポリシロキサン前駆体が有するケイ素原子に対して5〜80モル%であるのが好ましく、10〜65モル%であるのがより好ましく、15〜50モル%であるのが更に好ましい。
ポリシロキサン前駆体と反応性化合物X1との反応に際しては、反応性化合物X1とともに、光配向性基を有さずエポキシ基と反応する基を有する化合物(以下、他の反応性化合物X2という。)を含有させてもよい。他の反応性化合物X2としては、例えば、[1]得られる液晶配向膜におけるプレチルト角発現に寄与する化合物(X2−1)、[2]光照射によりラジカルを発生する構造及び光増感機能を有する構造のうちの少なくとも1種を有する化合物(X2−2)、[3]上記以外のその他の化合物(X2−3)、が挙げられる。
[1]他の反応性化合物(X2−1)
他の反応性化合物(X2−1)としては、例えば下記式(x2−1)で表される化合物を用いることができる。
Figure 0005716428
(式中、Aは、炭素数1〜30のアルキル基、炭素数1〜20のアルキル基若しくはアルコキシ基で置換されていてもよい炭素数3〜10のシクロアルキル基、又はステロイド骨格を有する炭素数17〜51の炭化水素基である。但し、Aにおけるアルキル基及びアルコキシ基における水素原子の少なくとも一部は置換されていてもよい。Lは、単結合、*−O−、*−COO−又は*−OCO−であり、「*」を付した結合手がAと結合する。Lは、単結合、炭素数1〜20のアルカンジイル基、フェニレン基、ビフェニレン基、シクロへキシレン基、ビシクロへキシレン基、又は下記式(L−1)若しくは(L−2)
Figure 0005716428
(式中、「*」は、Zに結合する結合手を示す。)
で表される基である。Zは、エポキシ基と反応して結合基を形成しうる1価の有機基である。但し、Lが単結合の場合、Lは単結合である。)
上記式(4)のAにおける炭素数1〜30のアルキル基としては、直鎖状であっても分岐状であってもよく、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、3−メチルブチル基、2−メチルブチル基、1−メチルブチル基、2,2−ジメチルプロピル基、n−ヘキシル基、4−メチルペンチル基、3−メチルペンチル基、2−メチルペンチル基、1−メチルペンチル基、3,3−ジメチルブチル基、2,3−ジメチルブチル基、1,3−ジメチルブチル基、2,2−ジメチルブチル基、1,2−ジメチルブチル基、1,2−ジメチルブチル基、1,1−ジメチルブチル基、n−ヘプチル基、5−メチルヘキシル基、4−メチルヘキシル基、3−メチルヘキシル基、2−メチルヘキシル基、1−メチルヘキシル基、4,4−ジメチルペンチル基、3,4−ジメチルペンチル基、2,4−ジメチルペンチル基、1,4−ジメチルペンチル基、3,3−ジメチルペンチル基、2,3−ジメチルペンチル基、1,3−ジメチルペンチル基、2,2−ジメチルペンチル基、1,2−ジメチルペンチル基、1,1−ジメチルペンチル基、2,3,3−トリメチルブチル基、1,3,3−トリメチルブチル基、1,2,3−トリメチルブチル基、n−オクチル基、6−メチルヘプチル基、5−メチルヘプチル基、4−メチルヘプチル基、3−メチルヘプチル基、2−メチルヘプチル基、1−メチルヘプチル基、2−エチルヘキシル基、n−ノナニル基、n−デシル基、n−ウンデシル基、n−ドデシル基、n−トリデシル基、n−テトラデシル基、n−ヘプタデシル基、n−ヘキサデシル基、n−ヘプタデシル基、n−オクタデシル基、n−ノナデシル基等が挙げられる。
において、炭素数3〜10のシクロアルキル基としては、例えば、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基、シクロオクチル基、シクロノナニル基、シクロデシル基等が挙げられる。これらシクロアルキル基は、炭素数1〜20のアルキル基又はアルコキシ基で置換されていてもよい。炭素数1〜20のアルキル基の具体例としては、上記炭素数1〜30のアルキル基の説明で挙げた具体例を適用することができ、炭素数1〜20のアルコキシ基としては、上記炭素数1〜30のアルキル基の説明で挙げた具体例のアルキル基に酸素原子が結合したものを挙げることができる。
におけるアルキル基及びアルコキシ基は、少なくとも一部の水素原子が置換されていてもよく、その場合の置換基としては、シアノ基、フッ素原子、トリフルオロメチル基等が挙げられる。
ステロイド骨格を有する炭素数17〜51の炭化水素基としては、例えば、下記式(s−1)〜(s−3)で表される基が挙げられる。
Figure 0005716428
(式中、「*」は、Lに結合する結合手を示す。)
としては、中でも、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数1〜20のフルオロアルキル基、上記式(s−1)で表される基及び上記式(s−3)で表される基から選ばれる基が好ましい。
Zは、カルボキシル基であるのが好ましい。
における炭素数1〜20のアルカンジイル基としては、上記炭素数1〜30のアルキル基の説明で挙げた各基における水素原子を1つ取り除いた基が挙げられる。
上記式(x2−1)で表される化合物としては、下記式(x2−1−1)〜(x2−1−8)のいずれかで表される化合物が好ましい。
Figure 0005716428
(式中、uは1〜5の整数であり、vは1〜18の整数であり、wは1〜20の整数である。kは1〜5の整数であり、pは0又は1であり、qは1〜18の整数である。rは0〜18の整数であり、jは1〜18の整数である。s及びtは、それぞれ独立して0〜2の整数である。但し、sとtとが同時に0になることはない。)
上記式(X2−1−1)のvとしては、1〜18の整数が好ましく、1〜12の整数がより好ましい。
wについて、上記式(X2−1−2)のwとしては、5〜20の整数が好ましく、10〜18の整数がより好ましい。また、上記式(X2−1−3)のwとしては、1〜17の整数が好ましく、3〜12の整数がより好ましい。上記(X2−1−4)のwとしては、1〜15の整数が好ましく、1〜8の整数がより好ましい。上記(X2−1−8)のwとしては、1〜15の整数が好ましく、1〜8の整数がより好ましい。
上記式(X2−1−5)及び式(X2−1−6)のrとしては、0〜15の整数が好ましく、0〜8の整数がより好ましい。
式(X2−1−6)のqとしては、1〜12の整数が好ましく、1〜5の整数がより好ましい。
式(X2−1−8)のjとしては、1〜15の整数が好ましく、1〜8の整数がより好ましい。
これらの化合物の中でも、上記式(X2−1−2)〜(X2−1−5)、(X2−1−7)及び(X2−1−8)の少なくともいずれかで表される化合物が好ましく、具体的には、下記式(x2−2−1)〜(x2−2−8)で表される化合物が好ましい。
Figure 0005716428
上記式(x2−1)で表される化合物は、反応性化合物X1とともに、エポキシ基を有するポリオルガノシロキサンと反応し、得られる液晶配向膜にプレチルト角発現性を付与する部位となる化合物である。本明細書においては上記式(x2−1)で表される化合物を、以下、「他のプレチルト角発現性化合物」と称することがある。
他のプレチルト角発現性化合物の使用割合は、ポリオルガノシロキサンの有するケイ素原子に対して、好ましくは0〜50モル%であり、より好ましくは0〜35モル%であり、更に好ましくは0〜20モル%である。また、他のプレチルト角発現性化合物は、反応性化合物X1との合計量に対して、好ましくは75モル%以下、より好ましくは50モル%以下の範囲で使用される。他のプレチルト角発現性化合物の使用割合を75モル%以下とすることにより、液晶の高速応答性をより良好にすることができる。
[2]他の反応性化合物(X2−2)
他の反応性化合物(X2−2)において、光照射によりラジカルを発生する構造及び光増感機能を有する構造としては、例えばベンゾフェノン構造、1,3−ジニトロベンゼン構造、9,10−ジオキソジヒドロアントラセン構造、1,4−ジオキソシクロヘキサ−2,5−ジエン構造などが挙げられる。ここで、光増感機能とは、光の照射によって一重項励起状態となった後、速やかに項間交差を起こして三重項励起状態へ遷移し、この三重項励起状態において他の分子と衝突して相手を励起状態に変え、自らは基底状態に戻る機能をいう。この光増感機能は光照射によりラジカルを発生する機能と併存していてもよい。
このような構造を有する化合物として具体的には、例えば、3−ベンゾイル安息香酸、4−ベンゾイル安息香酸、3−(4−ジエチルアミノ−2−ヒドロキシベンゾイル)安息香酸、4−(2−ヒドロキシベンゾイル)安息香酸、3−(2−ヒドロキシベンゾイル)安息香酸、2−(2−ヒドロキシベンゾイル)安息香酸、4−(4−メチルベンゾイル)安息香酸、4−(3,4−ジメチルベンゾイル)安息香酸、3−(4−ベンゾイル−フェノキシ)プロピオン酸、9,10−ジオキソジヒドロアントラセン−2−カルボン酸(アントラキノン−2−カルボン酸)、3−(9,10−ジオキソ−9,10−ジヒドロアントラセン−2−イル)プロピオン酸、[3−(4,5−ジメトキシ−3,6−ジオキソシクロヘキサ−1,4−ジエニル)プロポキシ]アセチル酸、3,5−ジニトロ安息香酸、4−メチル−3,5−ジニトロ安息香酸、3−(3,5−ジニトロフェノキシ)プロピオン酸、2−メチル−3,5−ジニトロ安息香酸などを挙げることができる。
他の反応性化合物(X2−2)の合計の使用割合は、ポリオルガノシロキサンの有するケイ素原子に対して、好ましくは0〜10モル%であり、より好ましくは0〜5モル%である。
[3]他の反応性化合物(X2−3)
他の反応性化合物(X2−3)としては、例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、安息香酸などのカルボン酸等が挙げられる。他の反応性化合物(X2−3)の使用割合は、ポリオルガノシロキサンの有するケイ素原子に対して、好ましくは0〜25モル%であり、より好ましくは0〜10モル%である。
他の反応性化合物X2を含有する場合の反応性化合物X1の使用量は、反応性化合物X1と他の反応性化合物X2との合計量に対して10モル%以上であるのが好ましい。また、反応性化合物X1と他の反応性化合物X2との合計量Q1は、ポリシロキサン前駆体が有するケイ素原子に対して5〜90モル%であるのが好ましく、10〜70モル%であるのがより好ましい。なお、他の反応性化合物(X2−2)を使用する場合、その使用量は、より良好な残像特性を担保するため、上記合計量Q1に対して30モル%以下であるのが好ましく、15モル%以下であるのがより好ましい。
ポリシロキサン前駆体と反応性化合物X1との反応は、適当な触媒の存在下で、好ましくは適当な有機溶媒中で実施することができる。
ここで使用される触媒としては、例えばポリシロキサン前駆体の合成に用いる触媒として例示した有機塩基を使用することができるほか、ポリシロキサン前駆体が有するエポキシ基と、反応性化合物X1が有するエポキシ基と反応し得る基との反応を促進するいわゆる硬化促進剤として公知の化合物を用いることができる。
触媒の使用量は、ポリシロキサン前駆体100重量部に対して、100重量部以下であるのが好ましく、0.01〜100重量部であるのがより好ましく、0.1〜20重量部であるのが更に好ましい。
ポリシロキサン前駆体と反応性化合物X1との反応に使用される有機溶媒としては、例えば、炭化水素化合物、エーテル化合物、エステル化合物、ケトン化合物、アミド化合物、アルコール化合物などを挙げることができる。これらのうち、エーテル化合物、エステル化合物、ケトン化合物が、原料や生成物の溶解性、生成物の精製のし易さの観点から好ましい。溶媒は、固形分濃度(反応溶液中の溶媒以外の成分の合計重量が溶液の全重量に占める割合)が、好ましくは0.1重量%以上、より好ましくは5〜50重量%となる量で使用される。
反応温度は、好ましくは0〜200℃であり、より好ましくは50〜150℃である。反応時間は、好ましくは0.1〜50時間、より好ましくは0.5〜20時間である。
特定ポリオルガノシロキサンについて、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定したポリスチレン換算の重量平均分子量は、1,000〜500,000であるのが好ましい。1,000以上とすることにより、膜に適度な異方性を付与することができ、500,000以下とすることにより、均一な塗膜を形成しやすくすることができる。より好ましくは、2,000〜200,000である。また、GPCによるポリスチレン換算数平均分子量(以下、「Mn」ともいう。)に対するMwの比(Mw/Mn)は、1.0〜5.0であるのが好ましく、1.0〜3.5であるのがより好ましく、1.0〜2.5であるのが更に好ましい。
第1配向剤に含有される重合体成分中において、特定ポリオルガノシロキサンの含有割合は、第1配向剤中に含有されるポリアミック酸及びポリイミドの合計量を100重量部とした場合に、0.1〜100重量部であるのが好ましく、1〜50重量部であるのがより好ましく、5〜15重量部であるのが更に好ましい。上記範囲とすることにより、得られる液晶配向剤の塗布性や印刷性を維持しつつ、適切なプレチルト角を発現することができる。
<特定ポリアミック酸>
一方、本発明における第1配向剤が、感放射線性化合物として、上記光配向性基を有するポリアミック酸(以下、特定ポリアミック酸ともいう。)を含有する場合、当該特定ポリアミック酸は、例えば、テトラカルボン酸二無水物と、上記光配向性基を有するジアミン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)
特定ポリアミック酸の合成に用い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、脂環式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などを挙げることができる。これらの具体例について、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などを;
脂環式テトラカルボン酸二無水物として、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、2,3,5−トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物、1,3,3a,4,5,9b−ヘキサヒドロ−5−(テトラヒドロ−2,5−ジオキソ−3−フラニル)−ナフト[1,2−c]フラン−1,3−ジオン、1,3,3a,4,5,9b−ヘキサヒドロ−8−メチル−5−(テトラヒドロ−2,5−ジオキソ−3−フラニル)−ナフト[1,2−c]フラン−1,3−ジオン、3−オキサビシクロ[3.2.1]オクタン−2,4−ジオン−6−スピロ−3’−(テトラヒドロフラン−2’,5’−ジオン)、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、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、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、4,9−ジオキサトリシクロ[5.3.1.02,6]ウンデカン−3,5,8,10−テトラオンなどを;
芳香族テトラカルボン酸二無水物としては、例えばピロメリット酸二無水物などを、それぞれ挙げることができるほか、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、これらの中でも、脂環式テトラカルボン酸二無水物を含むものであることが好ましく、特に、2,3,5−トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物、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−2:3,5:6−二無水物及び2,4,6,8−テトラカルボキシビシクロ[3.3.0]オクタン−2:4,6:8−二無水物よりなる群から選択される少なくとも1種であるのが好ましい。
(ジアミン)
特定ポリアミック酸の合成に用いるジアミンとしては、上記光配向性基を有するジアミン(以下、特定ジアミンともいう。)を含む。この場合の光配向性基としては、桂皮酸由来の構造を有する基であるのが好ましい。
特定ジアミンは、上記光配向性基を、一分子中に1つ以上有していればよく、1つ又は2つ有しているのが好ましい。このような特定ジアミンとしては、例えば、上記光配向性基が、例えば*−COO−(CH2)−O−、*−(CH2)−(但し、rは1〜10の整数、「*」はジアミン構造に結合する結合手であることを示す。)などの連結基を介してジアミン構造に結合したものを挙げることができる。
特定ジアミンの具体例としては、下記式(d1−1)〜(d1−15)で表されるものが挙げられる。
Figure 0005716428
Figure 0005716428
Figure 0005716428
Figure 0005716428
Figure 0005716428
特定ポリアミック酸を合成するために用いるジアミンとしては、特定ジアミン以外のジアミン(以下、他のジアミンという。)を併用することができる。当該他のジアミンとして具体的には、脂肪族ジアミンとして、例えば、1,1−メタキシリレンジアミン、1,3−プロパンジアミン、テトラメチレンジアミン、ペンタメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミンなどを;
脂環式ジアミンとして、例えば、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)、1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサンなどを;
芳香族ジアミンとして、例えば、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、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スルフィド、1,5−ジアミノナフタレン、2,2’−ジメチル−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、2,7−ジアミノフルオレン、4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]プロパン、9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン、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、4,4’−(p−フェニレンジイソプロピリデン)ビスアニリン、4,4’−(m−フェニレンジイソプロピリデン)ビスアニリン、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、2,6−ジアミノピリジン、3,4−ジアミノピリジン、2,4−ジアミノピリミジン、3,6−ジアミノアクリジン、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、N−エチル−3,6−ジアミノカルバゾール、N−フェニル−3,6−ジアミノカルバゾール、N,N’−ビス(4−アミノフェニル)−ベンジジン、N,N’−ビス(4−アミノフェニル)−N,N’−ジメチルベンジジン、1,4−ビス−(4−アミノフェニル)−ピペラジン、3,5−ジアミノ安息香酸、ドデカノキシ−2,4−ジアミノベンゼン、テトラデカノキシ−2,4−ジアミノベンゼン、ペンタデカノキシ−2,4−ジアミノベンゼン、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、ドデカノキシ−2,5−ジアミノベンゼン、テトラデカノキシ−2,5−ジアミノベンゼン、ペンタデカノキシ−2,5−ジアミノベンゼン、ヘキサデカノキシ−2,5−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、コレステニルオキシ−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、コレステニルオキシ−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ニル、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、4−(4’−トリフルオロメチルベンゾイロキシ)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、1,1−ビス(4−((アミノフェニル)メチル)フェニル)−4−ヘプチルシクロヘキサン、1,1−ビス(4−((アミノフェノキシ)メチル)フェニル)−4−ヘプチルシクロヘキサン、1,1−ビス(4−((アミノフェニル)メチル)フェニル)−4−(4−ヘプチルシクロヘキシル)シクロヘキサン、2,4−ジアミノーN,N―ジアリルアニリン、4−アミノベンジルアミン、3−アミノベンジルアミン、1−(2,4−ジアミノフェニル)ピペラジン−4−カルボン酸、4−(モルホリン−4−イル)ベンゼン−1,3−ジアミン、1,3−ビス(N−(4−アミノフェニル)ピペリジニル)プロパン、α−アミノ−ω−アミノフェニルアルキレンなどを;
ジアミノオルガノシロキサンとして、例えば、1,3−ビス(3−アミノプロピル)−テトラメチルジシロキサンなどを、それぞれ挙げることができるほか、特開2010−97188号公報に記載のジアミンを用いることができる。
また、特定ポリアミック酸の合成に用いるジアミンとしては、プレチルト特性を良好にすることを目的として、特定ジアミンとともに、下記式(A−1)で表される化合物及び下記式(A−2)で表される化合物の少なくともいずれかを含んでいてもよい。
Figure 0005716428
(式中、XI、XII及びXIIIは、それぞれ独立に、単結合、*−O−、*−COO−又は*−OCO−(但し、「*」を付した結合手がベンゼン環に結合する。)であり、Rは、炭素数1〜3のアルカンジイル基であり、aは0又は1であり、bは0〜2の整数であり、cは1〜20の整数であり、nは0又は1である。)
Figure 0005716428
(式中、RIIIは、それぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜12のアルキル基であり、RIV及びRは、それぞれ独立に、水素原子又はメチル基である。)
上記式(A−1)における−X−(R−XII−で表される2価の基としては、炭素数1〜3のアルカンジイル基、*−O−、*−COO−又は*−O−CHCH−O−(但し、「*」を付した結合手がジアミノフェニル基と結合する。)であるのが好ましい。基C2c+1−の具体例としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−ヘプチル基、n−オクチル基、n−ノニル基、n−デシル基、n−ドデシル基、n−トリデシル基、n−テトラデシル基、n−ペンタデシル基、n−ヘキサデシル基、n−ヘプタデシル基、n−オクタデシル基、n−ノナデシル基、n−エイコシル基などを挙げることができる。ジアミノフェニル基における2つの1級アミノ基は、他の基に対して2,4−位又は3,5−位にあるのが好ましい。
上記式(A−1)で表される化合物の具体例としては、例えば下記式(d2−1)〜(d2−7)のそれぞれで表される化合物などを挙げることができる。
Figure 0005716428
上記式(A−2)で表される化合物としては、N,N−ジアリル−2,4−ジアミノアニリンが好ましい。
特定ポリアミック酸を合成するために用いるジアミンは、全ジアミンに対する特定ジアミンの含有割合が、50〜100モル%であるのが好ましく、80〜100モル%であるのがより好ましい。
(特定ポリアミック酸の合成)
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との使用割合は、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0.2〜2当量となる割合が好ましく、0.3〜1.2当量となる割合が更に好ましい。
ポリアミック酸の合成反応は、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℃において、好ましくは0.1〜120時間、より好ましくは0.5〜48時間行われる。
ここで、有機溶媒としては、例えば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などの非プロトン性極性溶媒;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性溶媒を挙げることができる。有機溶媒の使用量(a)は、テトラカルボン酸二無水物及びジアミンの合計量(b)が、反応溶液の全量(a+b)に対して0.1〜50重量%になるような量であることが好ましい。
特定ポリアミック酸について、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定したポリスチレン換算の重量平均分子量は、1,000〜500,000であるのが好ましく、5,000〜300,000であるのがより好ましい。上記範囲とすることにより、膜に適度な異方性を付与することができるとともに、より均一な塗膜を形成することができる。
<特定ポリイミド>
本発明における第1配向剤が、感放射線性化合物として、上記光配向性基を有するポリイミド(以下、特定ポリイミドという。)を含有する場合、当該特定ポリイミドは、上記の特定ポリアミック酸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。
特定ポリイミドは、その前駆体であるポリアミック酸が有していたアミック酸構造のすべ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が併存する部分イミド化物であってもよい。特定ポリイミドは、そのイミド化率が30%以上であることが好ましく、40〜90%であることがより好ましい。なお、このイミド化率は、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。
ポリアミック酸の脱水閉環は、好ましくはポリアミック酸を加熱する方法により、又はポリアミック酸を有機溶媒に溶解し、この溶液中に脱水剤およ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。このうち、後者の方法によることが好ましい。
上記ポリアミック酸の溶液中に脱水剤及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、ポリアミック酸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、トリエチルアミンなどの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1.0〜120時間であり、より好ましくは2.0〜30時間である。
特定ポリアミック酸及び特定ポリイミドの含有割合は、重合体成分として含有されるポリアミック酸及びポリイミドの全量を100重量部とした場合に、5〜100重量部であるのが好ましく、10〜100重量部であるのがより好ましい。
<ポリアミック酸及びポリイミド>
第1配向剤は、上記感放射線性化合物が特定ポリオルガノシロキサンの場合には必須成分として、又は、上記感放射線性化合物が特定ポリアミック酸若しくは特定ポリイミドの場合には任意成分として、光配向性基を有さないポリアミック酸及びポリイミドの少なくともいずれかを含んでいる。当該ポリアミック酸としては、例えば、特定ポリアミック酸の合成に使用するカルボン酸二無水物として例示の化合物と、他のジアミンとして例示の化合物との反応生成物を使用することができる。また、当該ポリイミドとしては、上記反応生成物としてのポリアミック酸を脱水閉環してイミド化したものを使用することができる。
(第1配向剤の他の成分)
第1配向剤は、当該配向剤に含有される重合体成分が適当な有機溶媒に溶解された溶液組成物として調製されるのが好ましい。このような有機溶媒としては、上記重合体成分を溶解し、かつこれらと反応しないものであればよく、例えば、上記特定ポリオルガノシロキサンの合成に用いるものとして例示した有機溶媒を挙げることができる。
また、第1配向剤は、重合体成分以外のその他の成分を任意に含有してもよい。当該その他の成分としては、例えば、ポリオルガノシロキサン、ポリアミック酸及びイミド化重合体以外の重合体、硬化剤、硬化触媒、硬化促進剤、エポキシ化合物、官能性シラン化合物、界面活性剤、光増感剤などを挙げることができる。
<第2配向剤>
第2配向膜15を形成するための第2配向剤は、液晶分子を垂直配向させる垂直配向膜を形成可能となっている。第2配向剤としては、(1)光配向性基を有する化合物を実質的に含有しない配向剤、(2)上記の感放射線性化合物を含有する配向剤、のいずれであってもよい。(1)の場合、例えば、重合体成分として、上記特定ポリアミック酸の合成に使用するカルボン酸二無水物として例示した化合物と、上記他のジアミンとして例示した化合物との反応により得られるポリアミック酸又はそのイミド化重合体を含有するものを用いることができる。一方、(2)の場合、上記第1配向剤で例示したものと同様のものを用いることができる。なお、第2配向膜の形成に際し、(1)、(2)のいずれの液晶配向剤を用いるかは、上記液晶表示素子を製造する工程に応じて適宜選択される。
[液晶表示素子の製造方法]
本発明の液晶表示素子の製造方法は、一対の基板のうちの一方の基板表面に、該基板表面に垂直な方向に対して液晶分子を傾斜して配向させる第1配向膜13が形成され、他方の基板表面に、液晶分子を垂直配向させる第2配向膜15が形成された液晶表示素子10を製造する工程を含む。このような製造方法として具体的には、下記の2つの態様が好ましい。
[第1の製造方法]
本発明の液晶表示素子10を製造するための第1の製造方法は、第1配向膜13が形成された基板を用いて液晶セルを構築することにより本発明の液晶表示素子10を製造するものであり、具体的には、以下の工程を含むものである。
[第1の膜形成工程]
本工程は、一対の基板のうち一方の基板表面に、光配向用液晶配向剤としての上記第1配向剤を用いて第1塗膜を形成する工程である。詳しくは、まず、第1電極12を有する基板11aの電極面側に、第1配向剤を、例えばロールコーター法、スピンナー法、印刷法、インクジェット法などの適宜の塗布方法により塗布する。ここで用いる基板11aは、スリット状にパターニングされたスリット電極やリブ(突起)によって液晶分子の倒れる方向を規制可能としてあるものでもよいし、スリット電極やリブが設けられていないものでもよい。なお、第1電極12として、スリット状にパターニングされた導電膜を用いる場合、これを得るには、例えば、パターンなし導電膜を形成した後、フォト・エッチングによりパターンを形成する方法、導電膜を形成する際に所望のパターンを有するマスクを用いる方法などによることができる。
続いて、該塗布面を、予備加熱(プレベーク)し、次いで焼成(ポストベーク)することにより塗膜を形成する。プレベーク条件は、例えば、40〜120℃において0.1〜5分であり、ポストベーク条件は、好ましくは120〜300℃、より好ましくは150〜250℃において、好ましくは5〜200分、より好ましくは10〜100分である。ポストベーク後の塗膜の膜厚は、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。
基板上に液晶配向剤を塗布する際に使用される液晶配向剤の固形分濃度(液晶配向剤の溶媒以外の成分の合計重量が液晶配向剤の全重量に占める割合)は、粘性、揮発性などを考慮して適宜に選択されるが、好ましくは1〜10重量%の範囲である。固形分濃度が1重量%未満である場合には、塗膜の膜厚が過小となって良好な液晶配向膜を得にくい。一方、固形分濃度が10重量%を超える場合には、塗膜の膜厚が過大となって良好な液晶配向膜を得にくく、また、液晶配向剤の粘性が増大して塗布特性が劣るおそれがある。
特に好ましい固形分濃度の範囲は、基板に液晶配向剤を塗布する際に用いる方法によって異なる。例えば、スピンコート法による場合には固形分濃度1.5〜4.5重量%の範囲が特に好ましい。オフセット印刷法による場合には、固形分濃度を3〜9重量%の範囲とし、それにより溶液粘度を12〜50mPa・sの範囲とすることが特に好ましい。インクジェット印刷法による場合には、固形分濃度を1〜5重量%の範囲とし、それにより、溶液粘度を3〜15mPa・sの範囲とすることが特に好ましい。
なお、液晶配向剤を塗布する前において、基板表面(第1電極12)と塗膜との接着性をさらに良好にするために、基板表面のうち塗膜を形成するべき面に、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する前処理を施しておいてもよい。
[光照射工程]
本工程は、基板11a上に形成した第1塗膜に対して光照射することにより、該第1塗膜を、光配向膜としての第1配向膜13とする工程である。第1塗膜に対する照射光は、偏光の放射線及び非偏光の放射線のいずれを用いてもよく、偏光の放射線の場合、直線偏光、部分偏光などを用いることができるが、好ましくは直線偏光である。また、放射線としては、例えば、150nm〜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。このうち、300nm〜400nmの波長の光を含む紫外線が好ましい。
第1塗膜に対する光の照射方向は、プレチルト角を付与するために、基板表面に対して斜め方向とする。この場合の照射角度は、第1塗膜において発現させるプレチルト角に応じて適宜設定すればよい。このような光照射により、第1配向膜13におけるプレチルト角を85〜89.5°とするのが好ましく、87〜89°とするのがより好ましい。
照射放射線の光源としては、例えば、低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、水銀キセノンランプ、重水素ランプ、ハロゲンランプ、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などを使用することができる。上記好ましい波長領域の紫外線は、光源を、例えばフィルター、回折格子などと併用する手段などにより得ることができる。
放射線の照射量としては、好ましくは1J/m以上10,000J/m未満であり、より好ましくは10〜3,000J/mである。
[第2の膜形成工程]
本工程は、一対の基板11a,11bのうち、第1塗膜を形成していない他方の基板11bの表面に、垂直配向膜を形成可能な液晶配向剤として第2配向剤を用いて第2塗膜を形成する工程である。第2塗膜の形成は、基本的には上記第1の膜形成工程における塗膜形成と同様の方法により行うことができる。なお、ここで用いる基板11bについても、スリット電極やリブにより液晶分子の倒れる方向を規制可能としたものでもよいし、それらが設けられていないものでもよい。
本製造方法における第2配向剤としては、(1)光配向性基を有する化合物を実質的に含有しないもの、(2)上記感放射線性化合物を含有するもの、のいずれを用いてもよい。第2配向剤として(2)のものを用いる場合、上記第1配向剤として例示したものと同様のものを用いてもよく、その場合、第1塗膜の形成に用いたものと同じ種類であっても異なる種類であってもよい。ただし、第2配向剤として(2)のものを用いた場合でも、当該基板11bに形成された第2塗膜に対しては光照射を行わない。
なお、上記のように形成された第2塗膜はそのまま垂直配向膜(第2配向膜15)として使用することができるが、形成された塗膜を、例えばナイロン、レーヨン、コットンなどの繊維からなる布を巻き付けたロールで一定方向に擦る処理(ラビング処理)を施してもよい。
[セル構築工程]
続いて、液晶配向膜がそれぞれ形成された2枚の基板11a,11bを、第1配向膜13と、第2塗膜としての垂直配向膜(第2配向膜15)とが対向するように配置して液晶セルを構築する。液晶セルを構築するには、例えば以下の2つの方法が挙げられる。
第1の方法では、先ずそれぞれの液晶配向膜が対向するように間隙(セルギャップ)を介して2枚の基板11a,11bを対向配置し、2枚の基板11a,11bの周辺部をシール剤を用いて貼り合わせる。次に、基板表面及びシール剤により区画されたセルギャップ内に液晶を注入充填し、その後、注入孔を封止する。これにより、液晶セルが構築される。
第2の方法は、ODF(One Drop Fill)方式と呼ばれる手法である。すなわち、液晶配向膜を形成した2枚の基板11a,11bのうちの一方の基板上の所定の場所に、例えば紫外光硬化性のシール剤を塗布し、更に液晶配向膜面上に液晶を滴下した後、液晶配向膜が対向するように他方の基板を貼り合わせる。次いで、基板の全面に紫外光を照射してシール剤を硬化する。これにより、液晶セルが構築される。
なお、いずれの方法の場合でも、液晶充填時の流動配向を除去することを目的として、上記製造した液晶セルを、用いた液晶が等方相をとる温度まで加熱した後、室温まで徐冷するのが好ましい。
上記構築した液晶セルについては、2枚の基板11a,11bのそれぞれの外側表面に偏光板18,19を貼り合わせることにより、本発明の液晶表示素子10が得られる。このとき、偏光板18,19の偏光方向が互いに直行し、かつ、第1配向膜13が形成された基板において、紫外線の光軸の基板面への射影方向と45°の角度をなすように偏光板を貼り合わせる。
上記シール剤としては、例えば、スペーサーとしての酸化アルミニウム球及び硬化剤を含有するエポキシ樹脂等を用いることができる。
[第2の製造方法]
本発明の液晶表示素子10を製造するための第2の製造方法は、液晶配向剤を用いてそれぞれの基板表面に塗膜を形成し、該塗膜が形成された基板を用いて液晶セルを構築した後、液晶セルに対して光照射することにより本発明の液晶表示素子10を製造するものである。具体的には、以下の工程を含む。
[第1の膜形成工程]
本工程は、一対の基板11a,11bのうちの一方の基板11aの表面に、光配向用液晶配向剤としての第1配向剤を用いて塗膜を形成する工程である。ただし、本製造方法では、塗膜を形成する基板11a,11bとして、スリット状のパターンを有する電極(第1電極12、第2電極14)を備える基板を使用する。なお、塗膜の形成方法については、上記第1の製造方法における第1の膜形成工程の記載を適用することができる。
[第2の膜形成工程]
本工程は、一対の基板11a,11bのうちの他方の基板11bの表面に、第2配向剤を用いて第2配向膜15を形成する工程である。このとき、第2配向剤としては、光配向性基を有する化合物を実質的に含まない液晶配向剤、つまり上記第1の製造方法における第2の膜形成工程で例示した第2配向剤(1)、(2)のうちの(1)を用いる。
なお、上記のように形成された第2配向膜15はそのまま使用することができるが、形成された塗膜に対してラビング処理を施してもよい。
[セル構築工程]
本工程では、膜形成された2枚の基板11a,11bを、それぞれの膜が対向するように配置して液晶セルを構築する。液晶セルを構築する方法としては、上記第1の製造方法におけるセル構築工程で説明した2つの方法が挙げられる。
[光照射工程]
本工程では、上記構築された液晶セルに対して、一対の基板間に電圧を印加した状態で光照射することにより、第1配向剤により形成された塗膜に液晶配向性を付与する。これにより、該塗膜を、基板表面に垂直な方向に対して液晶分子を傾斜して配向可能な膜(第1配向膜13)とする。
印加する電圧としては、例えば、5〜50Vの直流又は交流とすることができる。このとき、基板表面における導電膜として、複数の領域に区画されたパターン状導電膜が形成されている場合には、この電圧印加の際に各領域で異なる電圧を印加することにより、上記塗膜において、領域ごとに液晶分子の傾き方向を変えることができる。これにより、視野角特性をより広くすることが可能になる。
液晶セルに照射する光は、偏光の放射線及び非偏光の放射線のいずれを用いてもよいが、非偏光が好ましい。また、非偏光の放射線を照射する際には、基板表面に対して垂直方向から行うのが好ましい。
放射線としては、例えば、150nm〜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、300nm〜400nmの波長の光を含む紫外線が好ましい。照射放射線の光源としては、上記第1の製造方法において例示した光源と同様のものを例示することができる。
放射線の照射量としては、好ましくは1,000J/m以上100,000J/m未満であり、より好ましくは1,000J/m以上50,000J/m以下である。
このような光照射により、第1配向膜13におけるプレチルト角を85〜89.5°とするのが好ましく、87〜89°とするのがより好ましい。
光照射後の液晶セルについては、上記第1の製造方法と同様の方法により、2枚の基板11a,11bのそれぞれの外側表面に偏光板18,19を貼り合わせることにより、本発明の液晶表示素子10を得ることができる。
本発明の液晶表示素子は、VA型液晶表示素子として種々の装置に有効に適用することができ、例えば、時計、携帯型ゲーム、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、各種モニター、液晶テレビなどの表示装置に用いることができる。
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。
なお、以下において、重量平均分子量Mw、数平均分子量Mn、エポキシ当量、重合体溶液の溶液粘度及びポリイミドのイミド化率は以下のようにして測定した。
重量平均分子量Mw及び数平均分子量Mnは、以下の条件で単分散ポリスチレンを標準とするゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定した。
カラム:東ソー(株)製、TSKgelGRCXLII
溶剤:テトラヒドロフラン
温度:40℃
圧力:68kgf/cm
エポキシ当量は、JIS C2105の「塩酸−メチルエチルケトン法」に準じて測定した。
重合体溶液の溶液粘度(mPa・s)は、NMP溶媒中、各ポリアミック酸の濃度20重量%における粘度を、E型回転粘度計を用いて25℃で測定した。
ポリイミドのイミド化率は、ポリイミドのNMP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H−NMRを測定した。得られたH−NMRスペクトルから、下記数式(1)で示される式によりイミド化率を求めた。
イミド化率(%)=(1−A/A×α)×100 (1)
(数式(1)中、A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、A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。)
H−NMR分析は、核磁気共鳴装置(商品名:JNM−ECX400、日本電子社製)を使用して行った。
原料化合物及び重合体の合成は、下記の合成スケールで必要に応じて繰り返すことにより、以降の合成に使用する必要量を確保した。
[エポキシ基を有するポリオルガノシロキサンの合成]
(合成例E−1)
撹拌機、温度計、滴下漏斗及び還流冷却管を備えた反応容器に、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100.0g、メチルイソブチルケトン500g及びトリエチルアミン10.0gを仕込み、室温で混合した。次いで、脱イオン水100gを滴下漏斗より30分かけて滴下した後、還流下で混合しつつ、80℃で6時間反応させた。反応終了後、有機層を取り出し、0.2重量%硝酸アンモニウム水溶液により洗浄後の水が中性になるまで洗浄したのち、減圧下で溶媒及び水を留去することにより、エポキシ基を有するポリオルガノシロキサン(EPS−1)を粘調な透明液体として得た。
このポリオルガノシロキサン(EPS−1)について、H−NMR分析を行ったところ、化学シフト(δ)=3.2ppm付近にエポキシ基に基づくピークが理論強度どおりに得られた。これにより、反応中にエポキシ基の副反応が起こっていないことが確認された。
得られたポリオルガノシロキサン(EPS−1)の重量平均分子量Mwは2,200であり、エポキシ当量は186g/モルであった。
[桂皮酸誘導体(A)の合成]
(合成例A−1)
下記スキーム1に従って桂皮酸誘導体(A−1)を合成した。
Figure 0005716428
1Lのナス型フラスコに4−ヒドロキシ安息香酸メチル91.3g、炭酸カリウム182.4g及びN−メチル−2−ピロリドン320mLを仕込み、室温で1時間撹拌を行った後、1−ヨード−4,4,4−トリフルオロブタン157.1gを加え100℃で5時間撹拌した。反応終了後、水で再沈殿を行った。次に、この沈殿に水酸化ナトリウム48g及び水400mLを加えて3時間還流して加水分解反応を行った。反応終了後、塩酸で中和し、生じた沈殿をエタノールで再結晶することにより化合物(A−1−1)の白色結晶を110g得た。
この化合物(A−1−1)のうちの12.41gを反応容器中にとり、これに塩化チオニル100mL及びN,N−ジメチルホルムアミド77μLを加えて80℃で1時間撹拌した。次に、減圧下で塩化チオニルを留去し、塩化メチレンを加えて炭酸水素ナトリウム水溶液で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥し、濃縮を行った後、テトラヒドロフランを加えて溶液とした。
次に、上記とは別の500mL三口フラスコに4−ヒドロキシ桂皮酸7.39g、炭酸カリウム13.82g、テトラブチルアンモニウム0.48g、テトラヒドロフラン50mL及び水100mLを仕込んだ。この水溶液を氷冷し、上記テトラヒドロフラン溶液をゆっくり滴下し、更に2時間撹拌下に反応を行った。反応終了後、塩酸を加えて中和し、酢酸エチルで抽出した後、硫酸マグネシウムで乾燥し、濃縮を行った後、エタノールで再結晶することにより、桂皮酸誘導体(A−1)の白色結晶を10.0g得た。
(合成例A−2)
下記スキーム2に従って、桂皮酸誘導体(A−2)を合成した。
Figure 0005716428
還流管、温度計及び窒素導入管を備えた500mLの三口フラスコに、化合物(A−2−1)31g、酢酸パラジウム0.23g、トリ(o−トリル)ホスフィン1.2g、トリエチルアミン56mL、アクリル酸8.2mL及びN,N−ジメチルアセトアミド200mLを仕込んで120℃で3時間撹拌下に反応を行った。反応終了後、反応混合物をろ過して得られたろ液に酢酸エチル1Lを加えて得た有機層を、希塩酸で2回及び水で3回順次に洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥した。その後、減圧下で溶媒を除去して得られた固体を酢酸エチル及びテトラヒドロフランの混合溶剤から再結晶することにより、桂皮酸誘導体(A−2)の結晶を15g得た。
(合成例A−3)
下記スキーム3に従って桂皮酸誘導体(A−3)を合成した。
Figure 0005716428
還流管及び窒素導入管を備えた300mLのナスフラスコに、化合物(A−3−1)21g、塩化チオニル80mL及びN,N−ジメチルホルムアミド0.1mLを仕込んで80℃で1時間撹拌下に反応を行った。反応終了後、反応混合物から塩化チオニルを留去し、次いで塩化メチレンを150mL加えて得た有機層を水で3回洗浄した。この有機層を硫酸マグネシウムで乾燥した後、減圧にて溶媒を除去して得た固体にテトラヒドロフラン400mLを加えた。
一方、滴下ロート及び温度計を備えた1Lの三口フラスコに、p−ヒドロキシ桂皮酸16g、炭酸カリウム24g、テトラブチルアンモニウムブロミド0.87g、水200mL及びテトラヒドロフラン100mLを仕込んで5℃以下に氷冷した。ここに、上記テトラヒドロフラン溶液を3時間かけて滴下し、更に1時間撹拌下に反応を行った。反応終了後、反応混合物に希塩酸を加えてpHを4以下にした後、トルエン3L及びテトラヒドロフラン1Lを加えて得た有機層を水で3回洗浄した。この有機層を硫酸マグネシウムで乾燥した後、減圧にて溶媒を除去して得た固体をエタノール及びテトラヒドロフランの混合溶剤から再結晶することにより、桂皮酸誘導体として化合物(A−3)を21g得た。
[感放射線性ポリオルガノシロキサンの合成]
(合成例S−1)
300mLの三口フラスコに、エポキシ基を有するポリオルガノシロキサンとして上記合成例E−1で得た化合物(EPS−1)30.1g、メチルイソブチルケトン140g、上記合成例A−1で得た桂皮酸誘導体(A−1)31.9g(化合物(EPS−1)の有するケイ素原子に対して50モル%に相当する。)、ステアリン酸4.60g(化合物(EPS−1)の有するケイ素原子に対して10モル%に相当する。)、3,5−ジニトロ安息香酸0.0686g(化合物(EPS−1)の有するケイ素原子に対して0.2モル%に相当する。)及びテトラブチルアンモニウムブロミド3.00gを仕込み、80℃で5時間撹拌下に反応を行った。反応終了後、メタノールで再沈殿を行い、沈殿物を酢酸エチルに溶解して溶液を得、該溶液を5回水洗した後、溶媒を留去することにより、感放射線性ポリオルガノシロキサンとして、重量平均分子量(Mw)が12,600(Mw/Mn=1.42)の化合物(S−1)の白色粉末55.6gを得た。
(合成例S−2)
200mLの三口フラスコに、エポキシ基を有するポリオルガノシロキサンとして上記合成例E−1で得た化合物(EPS−1)10.0g、メチルイソブチルケトン60g、上記合成例A−2で得た桂皮酸誘導体(A−2)1.62g(化合物(EPS−1)の有するケイ素原子に対して10モル%に相当する。)、上記合成例A−3で得た桂皮酸誘導体(A−3)3.45g(化合物(EPS−1)の有するケイ素原子に対して15モル%に相当する。)及びテトラブチルアンモニウムブロミド1.00gを仕込み、80℃で2時間撹拌下に反応を行った。反応終了後、メタノールで再沈殿を行い、沈殿物を酢酸エチルに溶解して溶液を得、該溶液を5回水洗した後、溶媒を留去することにより、感放射線性ポリオルガノシロキサンとして、重量平均分子量(Mw)が11,200(Mw/Mn=1.13)の化合物(S−2)の白色粉末12.8gを得た。
(実施例S−3)
50mLの三口フラスコに、エポキシ基を有するポリオルガノシロキサンとして上記合成例E−1で得た化合物(EPS−1)2.01g、メチルイソブチルケトン16g、上記合成例A−2で得た桂皮酸誘導体(A−2)1.61g(化合物(EPS−1)の有するケイ素原子に対して50モル%に相当する。)、4−tert−ブトキシカルボニル安息香酸0.356g(化合物(EPS−1)の有するケイ素原子に対して15モル%に相当する。)及びテトラブチルアンモニウムブロミド0.20gを仕込み、80℃で2時間撹拌下に反応を行った。反応終了後、メタノールで再沈殿を行い、沈殿物を酢酸エチルに溶解して溶液を得、該溶液を5回水洗した後、溶媒を留去することにより、感放射線性ポリオルガノシロキサンとして、重量平均分子量(Mw)が14,700(Mw/Mn=1.51)の化合物(S−3)の白色粉末3.46gを得た。
[ポリアミック酸及びポリイミドの合成]
(合成例P−1)
1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物19.61g(0.1モル)と4,4’−ジアミノ−2,2’−ジメチルビフェニル21.23g(0.1モル)をN−メチル−2−ピロリドン367.6gに溶解し、室温で6時間反応させた。次いで、反応混合物を大過剰のメタノール中に注ぎ、反応生成物を沈澱させた。沈殿物をメタノールで洗浄し、減圧下40℃で15時間乾燥することにより、ポリアミック酸(PA−1)を35g得た。
(合成例P−2)
2,3,5−トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物21.81g(0.0973モル)と下記式(p1)で表される5ξ−コレスタン−3−イル 2,4−ジアミノフェニルエーテル19.29g(0.0390モル)、3,5−ジアミノ安息香酸8.90g(0.0585モル)をN−メチル−2−ピロリドン200gに溶解し、60℃で5時間反応させた。この重合溶液の粘度を測定したところ、1450mPa・sであった。次いで、この溶液にN−メチル−2−ピロリドン250gを加えてしばらく攪拌した後、ピリジン11.55g及び無水酢酸14.90gを添加し、110℃で4時間脱水閉環させた。その後、反応混合物を大過剰のメタノール中に注ぎ、反応生成物を沈澱させた。沈殿物をメタノールで洗浄し、減圧下40℃で15時間乾燥することにより、イミド化率69%のポリイミド(PI−1)を37.5g得た。
Figure 0005716428
(合成例P−3)
2,3,5−トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物23.38g(0.104モル)と上記式(p1)で表される5ξ−コレスタン−3−イル 2,4−ジアミノフェニルエーテル15.50g(0.0313モル)、及び3,5−ジアミノ安息香酸11.12g(0.0731モル)をN−メチル−2−ピロリドン200gに溶解し、60℃で5時間反応させた。次いで、この溶液にN−メチル−2−ピロリドン250gを加えてしばらく攪拌した後、ピリジン12.37g及び無水酢酸15.97gを添加し、110℃で4時間脱水閉環させた。その後、反応混合物を大過剰のメタノール中に注ぎ、反応生成物を沈澱させた。沈殿物をメタノールで洗浄し、減圧下40℃で15時間乾燥することにより、イミド化率71%のポリイミド(PI−2)を36.4g得た。
(合成例P−4)
2,3,5−トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物26.73g(0.119モル)と下記式(p2)で表される6−{[((2E)−3−{4−[(4−(3,3,3−トリフルオロプロポキシ)ベンゾイル)オキシ]フェニル}プロパ−2−エノイル)オキシ]}ヘキシル−3,5−ジアミノベンゾエート73.27g(0.119モル)をN−メチル−2−ピロリドン185.7gに溶解し、60℃で24時間反応させた。この重合溶液の粘度を測定したところ、4800mPa・sであった。次いで、反応混合物を大過剰のメタノール中に注ぎ、反応生成物を沈澱させた。沈殿物をメタノールで洗浄し、減圧下40℃で15時間乾燥することにより、ポリアミック酸(PA−2)を70g得た。
Figure 0005716428
(合成例P−5)
2,3,5−トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物27.07g(0.121モル)と上記式(p2)で表される6−{[((2E)−3−{4−[(4−(3,3,3−トリフルオロプロポキシ)ベンゾイル)オキシ]フェニル}プロパ−2−エノイル)オキシ]}ヘキシル−3,5−ジアミノベンゾエート66.79g(0.109モル)、上記式(p1)で表される5ξ−コレスタン−3−イル 2,4−ジアミノフェニルエーテル2.99g(0.00604モル)、及び下記式(p3)で表される3,5−ジアミノ安息香酸=5ξ−コレスタン−3−イル 3.16g(0.00604モル)をN−メチル−2−ピロリドン185.7gに溶解し、60℃で24時間反応させた。この重合溶液の粘度を測定したところ、2100mPa・sであった。次いで、反応混合物を大過剰のメタノール中に注ぎ、反応生成物を沈澱させた。沈殿物をメタノールで洗浄し、減圧下40℃で15時間乾燥することにより、ポリアミック酸(PA−3)を68g得た。
Figure 0005716428
(合成例P−6)
テトラカルボン酸二無水物として2,3,5−トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物18.75g(0.0836モル)、ジアミン化合物としてp−フェニレンジアミン7.359g(0.0681モル)、及び上記式(p3)で表される3,5−ジアミノ安息香酸=5ξ−コレスタン−3−イル 8.895g(0.0170モル)をN−メチル−2−ピロリドン140gに溶解し、60℃で5時間反応させた。この重合溶液の粘度を測定したところ、2000mPa・sであった。次いで、この溶液にN−メチル−2−ピロリドン325gを加えてしばらく攪拌した後、ピリジン6.61g及び無水酢酸8.54gを添加し、110℃で4時間脱水閉環させた。その後、反応溶液を大過剰のメチルアルコール中に注いで反応生成物を沈澱させた。沈殿物をメタノールで洗浄し、減圧下40℃で15時間乾燥することにより、イミド化率51%のポリイミド(PI−3)を26.6g得た。
[液晶配向剤の調製]
(調製例1)
上記合成例P−1で得たポリアミック酸(PA−1)30重量部、合成例P−2で得たポリイミド(PI−1)70重量部に対し、合成例S−1で得た感放射線性ポリオルガノシロキサン(S−1)10重量部、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)及びブチルセロソルブ(BC)を溶媒組成がNMP:BC=45:55(重量比)となるように加え、固形分濃度が3.5重量%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(AF−1)を調製した。
(調製例2〜7)
感放射線性ポリオルガノシロキサンの種類と添加量、ポリアミック酸及びポリイミドの種類と添加量、溶剤組成を、それぞれ下記表1に記載の通りとしたほかは調製例1と同様にして、液晶配向剤(AF−2)〜(AF−7)を、それぞれ調製した。
Figure 0005716428
(調製例8)
上記合成例P−6で得たポリイミド(PI−3)100重量部に対し、N,N,N’,N’−テトラグリシジル−4、4’−ジアミノジフェニルメタン20重量部、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)及びブチルセロソルブ(BC)を溶媒組成がNMP:BC=50:50(重量比)となるように加え、固形分濃度が3.5重量%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(AF−8)を調製した。
[液晶表示素子の製造]
(実施例1)
ITO膜からなる透明電極付きガラス基板の透明電極面上に、上記調製例1で調製した液晶配向剤(AF−1)をスピンナーにより塗布し、80℃のホットプレートで1分間プレベークを行った後、内部を窒素置換したオーブン中、200℃で1時間加熱して膜厚80nmの塗膜を形成した。次いで、この塗膜表面に、Hg−Xeランプ及びグランテーラープリズムを用いて313nmの輝線を含む偏光紫外線200J/mを、基板表面に垂直な方向に対して40°傾いた方向から照射し、基板Aを作製した。
また、同様にして、ITO膜からなる透明電極付きガラス基板の透明電極面上に、上記調製例1で調製した液晶配向剤(AF−1)をスピンナーにより塗布し、80℃のホットプレートで1分間プレベークを行った後、内部を窒素置換したオーブン中、200℃で1時間加熱して、膜厚80nmの塗膜を形成した基板Bを作製した。なお、基板B側には偏光UV照射を実施しなかった。
上記基板Bの塗膜を有する面の外周に、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スクリーン印刷により塗布した後、基板Aの塗膜面を対向させて圧着し、150℃で1時間かけて接着剤を熱硬化させた。次いで、液晶注入口より基板間の間隙に、ネガ型液晶(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た。さらに、液晶注入時の流動配向を除くために、これを150℃で10分間加熱してから室温まで徐冷した。次に、基板A,Bの外側両面に、偏光板を、その偏光方向が互いに直交し、かつ、基板Aにおいて紫外線の光軸の基板面への射影方向と45°の角度をなすように貼り合わせることにより液晶表示素子を製造した。
(実施例2〜7)
液晶配向剤を下記表2に記載のものを使用した以外は、実施例1と同様の方法により液晶セルを作製した。
(実施例8)
1.評価用セル[1]の作製
まず、スリット状にパターニングされた透明導電膜(ITO膜)を有するガラス基板の透明電極面上に、上記調製例1で調製した液晶配向剤(AF−1)をスピンナーにより塗布した。透明電極のパターンとしては、図2に示すようなラインとスペースとがそれぞれ5μmのスリット状のものを用いた。次いで、80℃のホットプレートで1分間プレベークを行った後、内部を窒素置換したオーブン中、200℃で1時間加熱して膜厚80nmの塗膜を形成した基板Aを作製した。同様にして、図2に示すスリット状にパターニングされたITO膜を有するガラス基板の透明電極面上に、上記調製例8で調製した液晶配向剤(AF−8)をスピンナーにより塗布し、80℃のホットプレートで1分間プレベークを行った後、内部を窒素置換したオーブン中、200℃で1時間加熱して膜厚80nmの液晶配向膜を形成した基板Bを作製した。
上記基板Bの液晶配向膜を有する面の外周に、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スクリーン印刷により塗布した後、基板Aの液晶配向膜面を対向させて圧着し、150℃で1時間かけて接着剤を熱硬化させた。次いで、液晶注入口より基板間の間隙に、ネガ型液晶(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、液晶セルを構築した。さらに、液晶注入時の流動配向を除くために、これを150℃で10分間加熱してから室温まで徐冷した。さらに、10VのAC電圧を印加した状態の液晶セルにハロゲンランプを用いて50,000J/mの光照射を行った後、セル基板の外側両面に、偏光板を、その偏光方向が互いに直交し、かつ、基板Aにおいて紫外線の光軸の基板面への射影方向と45°の角度をなすように貼り合わせることにより液晶表示素子を製造し、これを評価用セル[1]とした。
2.評価用セル[2]の作製
透明電極付きガラス基板としてパターニングなしのものを用いた以外は、上記評価用セル1と同様の方法により基板上に塗膜を形成し、基板A,Bを作製した。次いで、これらの基板A,Bを用いて、上記評価用セル1と同様の方法により液晶セルを構築し、液晶注入時の流動配向を除くために、これを150℃で10分間加熱してから室温まで徐冷した後、電圧無印加状態の液晶セルにハロゲンランプを用いて50,000J/mの光照射を行った。その後、セル基板の外側両面に、偏光板を、その偏光方向が互いに直交し、かつ、基板Aにおいて紫外線の光軸の基板面への射影方向と45°の角度をなすように貼り合わせることにより液晶表示素子を製造し、これを評価用セル[2]とした。
(実施例9〜14)
液晶配向剤として下記表2に記載のものを使用した以外は実施例8と同様にして2種類の液晶表示素子(評価用セル[1],[2])を作製した。
(比較例1〜3)
液晶配向剤として下記表2に記載のものを使用するとともに、基板A及び基板Bの両者とも偏光UV照射を実施しなかった以外は実施例1と同様にして液晶表示素子を作製した。
(比較例4,5)
液晶配向剤として下記表2に記載のものを使用する以外は実施例1と同様の方法により2枚の基板のそれぞれの表面上に塗膜を形成した。次いで、それぞれの塗膜表面に、Hg−Xeランプ及びグランテーラープリズムを用いて313nmの輝線を含む偏光紫外線200J/mを、基板表面に垂直な方向に対して40°傾いた方向から照射して液晶配向膜とした基板A,Bを作製した。
次いで、上記基板Aの液晶配向膜を有する面の外周に、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スクリーン印刷により塗布した後、基板Bの液晶配向膜面を対向配置し、各基板の紫外線の光軸の基板面への投影方向が逆平行となるように圧着し、150℃で1時間かけて接着剤を熱硬化した。次いで、液晶注入口より基板間の間隙に、ネガ型液晶(メルク社製、MLC−6608)を充填した後、セル部分を遮光しながらアクリル系光硬化接着剤で液晶注入口を封止した。さらに、液晶注入時の流動配向を除くために、これを150℃で加熱してから室温まで徐冷した。次に、基板の外側両面に、偏光板を、その偏光方向が互いに直交し、かつ、液晶配向膜の紫外線の光軸の基板面への射影方向と45°の角度をなすように貼り合わせることにより液晶表示素子を製造した。
[液晶表示素子の評価]
製造した液晶表示素子につき、下記の方法により各項目について特性評価を行った。
(1)電圧保持率の評価
上記で製造した液晶表示素子に、5Vの電圧を60マイクロ秒の印加時間、167ミリ秒のスパンで印加した後、印加解除から167ミリ秒後の電圧保持率(VHR)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。なお、実施例8〜14については、評価用セル[2]を用いて行った。
(2)応答速度(立ち上がり時の電気光学応答性)の評価
偏光顕微鏡、光検出器及びパルス発生機を含む装置で液晶応答の立ち上がりの時間を測定した。ここで液晶応答速度は、作製した液晶表示素子に電圧無印加状態から5Vの電圧を最大1秒間印加した際に、透過率10%から透過率90%に変化するのに要した時間(単位:ミリ秒(msec.))と定義して評価を行った。なお、実施例8〜14については、評価用セル[1]を用いて行った。
(3)耐光性評価
カーボンアークを光源とするウェザーメーターで3000時間照射後のVHRを上記(1)と同様にして測定した。評価は、照射前の測定値と比べてVHR変化量が1%以内のものを○、1〜3%のものを△、3%以上のものを×として行った。なお、実施例8〜14については、評価用セル[2]を用いて行った。
(4)コントラスト評価
作製した液晶セルにおける配向不良に基づく光漏れの度合いを下記の様に評価することで、黒レベルを評価し、コントラスト評価の代替評価とした。まず、クロスニコル条件の偏光顕微鏡にて観察し、最も暗視野となる様に液晶セルを配置し、その像を写真撮影した。得られたデータを0.2mm角×25画素に区分けし、各画素の輝度を画像処理ソフトを用いて255階調に数値化した。各画素(25画素)の階調差が30以内の場合をコントラスト良好(○)、階調差が30より大きい場合をコントラスト不良(×)と評価した。なお、実施例8〜14については、評価用セル[1]を用いて行った。
上記(1)〜(4)の評価結果を下記表2に示す。
Figure 0005716428
表2に示すように、実施例1〜14の液晶表示素子では、高い電圧保持率を示すとともに、電圧変化に対する液晶分子の応答特性が良好であった。また、これらの液晶表示素子では、コントラストについても良好であった。特に、感放射線性ポリオルガノシロキサンを含む液晶配向剤を用いた液晶表示素子(実施例1〜3、8〜10)については、耐久性にも優れていた。
また、実施例1〜14について、塗膜に光照射した後に液晶セルの構築を行った実施例1〜7と、液晶セルの構築後に光照射を行った実施例8〜14とを比較すると、前者の方が液晶分子の応答特性がより良好であった。
一方、比較例1〜5では、いずれも応答速度が速く、電圧変化に対する液晶分子の応答特性がさほど良好でなかった。

Claims (8)

  1. 一対の基板を備える液晶表示素子であって、
    前記一対の基板のうちの一方の基板表面において、該基板表面に垂直な方向に対して液晶分子を傾斜して配向させる第1配向膜が形成され、他方の基板表面において、液晶分子を垂直配向させる第2配向膜が形成されており、
    前記第1配向膜が、光配向性基を有する重合体と光配向性基を有さない重合体とを含む液晶配向剤を用いて形成されており、
    該光配向性基が、アゾベンゼン、スチルベン、α−イミノ−β−ケトエステル、スピロピラン、スピロオキサジン、桂皮酸、カルコン、スチルバゾール、ベンジリデンフタルイミジン、クマリン、ジフェニルアセリレン及びアントラセンからなる群より選ばれる少なくとも1つの化合物由来の構造を有し
    前記光配向性基を有する重合体はポリオルガノシロキサンであり、
    前記光配向性基を有さない重合体は、ポリアミック酸及びポリイミドの少なくともいずれかである液晶表示素子。
  2. 前記第1配向膜の形成に用いる液晶配向剤における前記光配向性基を有する重合体の含有割合が、前記光配向性基を有さない重合体の合計100重量部に対して0.1〜100重量部である請求項1に記載の液晶表示素子。
  3. 前記光配向性基が、桂皮酸由来の構造を有している請求項1又は2に記載の液晶表示素子。
  4. 一対の基板を備える液晶表示素子の製造方法であって、
    前記一対の基板のうちの一方の基板表面において、該基板表面に垂直な方向に対して液晶分子を傾斜して配向させる第1配向膜が形成され、他方の基板表面において、液晶分子を垂直配向させる第2配向膜が形成された液晶表示素子を製造する製造工程を含み、
    前記第1配向膜を、光配向性基を有する重合体と光配向性基を有さない重合体とを含む光配向用液晶配向剤を用いて形成し、
    該光配向性基が、アゾベンゼン、スチルベン、α−イミノ−β−ケトエステル、スピロピラン、スピロオキサジン、桂皮酸、カルコン、スチルバゾール、ベンジリデンフタルイミジン、クマリン、ジフェニルアセリレン及びアントラセンからなる群より選ばれる少なくとも1つの化合物由来の構造を有し
    前記光配向性基を有する重合体はポリオルガノシロキサンであり、
    前記光配向性基を有さない重合体は、ポリアミック酸及びポリイミドの少なくともいずれかである液晶表示素子の製造方法。
  5. 前記製造工程が、
    前記一対の基板のうちの一方の基板表面に、前記光配向用液晶配向剤を用いて第1塗膜を形成する第1の膜形成工程と、
    前記第1塗膜に対して光照射することにより、該第1塗膜を前記第1配向膜とする光照射工程と、
    前記一対の基板のうちの他方の基板表面に、垂直配向膜を形成可能な液晶配向剤を用いて前記第2配向膜としての第2塗膜を形成する第2の膜形成工程と、
    前記第1配向膜と前記第2塗膜とが対向するように前記一対の基板が配置されかつその基板間に液晶分子が充填された液晶セルを構築するセル構築工程と、
    を含む請求項4に記載の液晶表示素子の製造方法。
  6. 前記製造工程が、
    前記一対の基板のうちの一方の基板表面に、前記光配向用液晶配向剤を用いて塗膜を形成する第1の膜形成工程と、
    前記一対の基板のうちの他方の基板表面に、光配向性基を有する化合物を実質的に含まない液晶配向剤を用いて前記第2配向膜を形成する第2の膜形成工程と、
    前記塗膜と前記第2配向膜とが対向するように前記一対の基板が配置されかつその基板間に液晶分子が充填された液晶セルを構築するセル構築工程と、
    前記セル構築工程により構築した前記液晶セルに対して、前記一対の基板間に電圧を印加した状態で光照射する光照射工程と、
    を含む請求項4に記載の液晶表示素子の製造方法。
  7. 前記光配向用液晶配向剤における前記光配向性基を有する重合体の含有割合が、前記光配向性基を有さない重合体の合計100重量部に対して0.1〜100重量部である請求項4〜6のいずれか一項に記載の液晶表示素子の製造方法。
  8. 前記光配向性基が、桂皮酸由来の構造を有している請求項4乃至のいずれか一項に記載の液晶表示素子の製造方法。
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