JP7259328B2 - 液晶配向剤、液晶配向膜、及び液晶表示素子 - Google Patents

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Description

本発明は、液晶配向剤、この液晶配向剤から得られる液晶配向膜、及びこの液晶配向膜を使用した液晶表示素子に関する。
液晶配向膜は、液晶表示素子や重合性液晶を用いた位相差板において、液晶分子の配向を一定方向に制御するための膜である。例えば、液晶表示素子では、液晶層をなす液晶分子が、一対の基板のそれぞれの表面に形成された液晶配向膜で挟まれた構造を有する。そして、液晶分子が液晶配向膜によってプレチルト角を伴って一定方向に配向し、基板と液晶配向膜との間に設けられた電極への電圧印加により応答する。その結果、液晶表示素子は、液晶分子の応答による配向変化を使用して所望とする画像の表示を行う。液晶配向膜は、液晶表示素子において、液晶分子などとともに主要な構成部材となる。
液晶配向膜に求められる特性は、種々存在する。ラビング処理に対する高い耐性はそのうちの重要な特性の一つである。ラビング処理は、液晶表示素子の製造過程において、基板上に形成された高分子膜から液晶配向膜を形成する方法として知られ、現在も工業的に広く用いられている。ラビング処理では、基板上に形成されたポリイミドなどの高分子膜に対し、その表面を布で擦る配向処理が行われる。
このラビング処理では、液晶配向膜が削れることで発生する粉塵や液晶配向膜についた傷が表示素子の表示品位を低下させる問題が知られている。そのため、液晶配向膜には、膜硬度が大きいという、ラビング処理に対する耐性(ラビング耐性)が求められている。
高いラビング耐性を有する液晶配向膜を形成するための方法としては、テトラカルボン酸ニ無水物とアミン化合物とを反応させて得られる重合体及び/又はそのイミド化重合体と、分子内に2個以上のエポキシ基を有する化合物を含有する液晶配向剤を用いることで、ラビング条件に依らず一定のプレチルト角を示す液晶配向膜が得られることが知られている(特許文献1、2参照)
日本特開平07-234410号公報 日本特開平10-338880号公報
近年、スマートフォンや携帯電話などのモバイル用途向けに、液晶表示素子における軽量化、薄型化が急速に進んでいる。それに伴って、液晶パネルの製造において、作製後の液晶パネルのガラス基板を研磨する、いわゆる「スリミング工程」が行われることが多い。この工程では、フッ酸などを用いた化学的な方法と、研磨剤を用い物理的に研磨する方法がある。
物理的に研磨する場合、研磨に用いる装置によっては、作製した液晶パネルが曲げられることもあり、その結果、液晶配向膜に対してあらゆる方向から応力がかかる。そのため、液晶配向膜の機械的強度が弱い場合、特にカラムスペーサーの周りで膜の破断が起こり、不良の原因になることがある。ラビング処理に対して十分な耐性を有するこれまでの液晶配向膜も、このスリミング工程に対する耐性が不十分であることが多い。
本発明の主目的は、ラビング工程はもちろんのこと、スリミング工程においても、膜の削づれや、破断などを抑制しえる大きい膜硬度を有するとともに、液晶パネル製造における歩留りが高く、且つIPS駆動方式やFFS駆動方式の液晶表示素子において発生する交流駆動による残像を低減することができる電気特性に優れた液晶配向膜を得ることができる液晶配向剤を提供することである。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の要旨は、下記(A)成分、(B)成分及び有機溶剤を含有することを特徴とする液晶配向剤、この液晶配向剤から得られる液晶配向膜、及びこの液晶配向膜を使用した液晶表示素子にある。
(A)成分:テトラカルボン酸誘導体成分と、下記式(1)の構造を有するジアミンを含有するジアミン成分との反応物であるポリイミド前駆体のイミド化物であり、かつイミド化率が20%~80%であるポリイミド。
Figure 0007259328000001
(式中、*は、他の原子又は基との結合を表す。)
(B)成分:架橋性官能基を2つ以上有する化合物。
本発明の液晶配向剤により、高い膜硬度と良好な残像特性を有する液晶配向膜を得ることが出来る。よって、本発明の液晶配向剤から得られる液晶配向膜は、液晶パネル製造における歩留りが高く、且つIPS駆動方式やFFS駆動方式の液晶表示素子において発生する交流駆動による残像を低減することができ、残像特性に優れたIPS駆動方式やFFS駆動方式の液晶表示素子が得られる。
<(A)成分>
本発明の液晶配向剤に含まれる(A)成分は、テトラカルボン酸誘導体成分と、上記式(1)の構造を有するジアミンを含有するジアミン成分との反応物であるポリイミド前駆体のイミド化物であり、かつイミド化率が20%~80%であるポリイミドである。
式(1)の構造を有するジアミンとしては、例えば、式(1)におけるベンゼン環の両端部にそれぞれ、アミノ基が結合している構造が挙げられる。その場合、ベンゼン環の両端部に結合するアミノ基は、-O-CH-O-対して、それぞれ独立に、オルト位、メタ位、又はパラ位に結合される。なかでも、アミノ基は、いずれも、-O-CH-O-対して、パラ位に結合されるのが好ましい。
テトラカルボン酸誘導体成分と反応させる全ジアミン成分中における、式(1)の構造を有するジアミンを含有する割合は、本発明の目的をより良く達成するために、好ましくは10~80モル%であり、より好ましくは20~60モル%であり、特に好ましくは20~50%である。
ポリイミド前駆体を得るためのジアミン成分は、式(1)の構造を有するジアミンのほかに、1種又は2種以上の他のジアミンを含有することができる。かかる他のジアミンは、下記式(6)で表すことができる。
Figure 0007259328000002
上記式(6)中、A及びAは、それぞれ独立して、水素原子、炭素数1~5のアルキル基、炭素数2~5のアルケニル基、又は炭素数2~5のアルキニル基である。液晶配向性の観点から、A及びAは水素原子、又はメチル基が好ましい。
また、式(6)におけるYを例示すると、以下の(Y-1)~(Y-168)が挙げられる。
Figure 0007259328000003
Figure 0007259328000004
Figure 0007259328000005
Figure 0007259328000006
Figure 0007259328000007
Figure 0007259328000008
Figure 0007259328000009
Figure 0007259328000010
Figure 0007259328000011
Figure 0007259328000012
Figure 0007259328000013
Figure 0007259328000014
Figure 0007259328000015
Figure 0007259328000016
Figure 0007259328000017
Figure 0007259328000018
Figure 0007259328000019
Figure 0007259328000020
Figure 0007259328000021
上記式(6)におけるYは、液晶配向性の観点から、直線性の高い構造が好ましく、下記式(8)、又は下記式(9)で表される構造が例示される。
Figure 0007259328000022
上記式(8)、(9)中、Aは単結合、エステル結合、アミド結合、チオエステル結合、又は炭素数1~20の2価の有機基である。Aは、水素原子、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、アミノ基、チオール基、ニトロ基、リン酸基、又は炭素数1~20の1価の有機基である。aは1~4の整数である。aが2以上の場合、Aの構造は同一でも異なってもよい。b及びcは、それぞれ独立して1~2の整数である。
上記式(8)及び上記式(9)の具体例としては、Y-7、Y-25,Y-26、Y-27、Y-43、Y-44、Y-45、Y-46、Y-48、Y-71、Y-72、Y-73、Y-74,Y-75,Y-76、Y-82、Y-87、Y-88、Y-89、Y-90、Y-92、Y-93、Y-94、Y-95、Y-96、Y-100、Y-101、Y-102,Y-103、Y-104,Y-105、Y-106、Y-110、Y-111、Y-112、Y-113、Y-115、Y-116、Y-121、Y-122、Y-126、Y-127、Y-128、Y-129、Y-132、Y-134、Y-153、Y-156、Y-157、Y-158、Y-159、Y-160、Y-161、Y-162、Y-163、Y-164、Y-165、Y-166、Y-167、及びY-168が挙げられる。
ポリイミド前駆体を得るためのジアミン成分中に含有される上記の他のジアミンとしては、なかでも、熱によって脱離し、アミノ基、好ましくは2級アミノ基を発生させる、下記式(7)で表される熱脱離性基を有するジアミンであるのが好ましい。
Figure 0007259328000023
上記式(7)において、Dは、好ましくは150~230℃、より好ましくは180~230℃で脱離する熱脱離性基である。Dは、脱離する温度の点から、tert-ブトキシカルボニル基、又は9-フルオレニルメトキシカルボニル基が特に好ましい。
上記式(7)で表される熱脱離性基を有するYの具体例としては、Y-158、Y-159、Y-160、Y-161、Y-162、又はY-163が挙げられる。
テトラカルボン酸誘導体成分と反応させる全ジアミン成分中における、上記式(7)の構造を有するジアミンを含有する割合は、好ましくは10~70モル%であり、より好ましくは20~50モル%である。
<テトラカルボン酸誘導体>
上記式(1)の構造を有するジアミンを含有するジアミン成分と反応させて、本発明の液晶配向剤に含まれる(A)成分を製造するためのテトラカルボン酸誘導体成分としては、テトラカルボン酸二無水物だけでなく、テトラカルボン酸、テトラカルボン酸ジハライド、テトラカルボン酸ジアルキルエステル、又はテトラカルボン酸ジアルキルエステルジハライド用いることができる。なかでも、テトラカルボン酸誘導体としては、テトラカルボン酸二無水物が好ましい。
テトラカルボン酸誘導体は、脂環式構造を有するものが好ましく、脂環式構造の具体例としては、下記式(X1-1)~(X1-10)が挙げられる。
Figure 0007259328000024
式(X1-1)~(X1-4)中、R~R23はそれぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~6のアルキル基、炭素数2~6のアルケニル基、炭素数2~6のアルキニル基、フッ素原子を含有する炭素数1~6の1価の有機基、又はフェニル基である。液晶配向性の観点から、R~R23は、水素原子、ハロゲン原子、メチル基、又はエチル基が好ましく、水素原子、又はメチル基がより好ましい。
式(X1-1)の具体的な構造としては、下記のものが挙げられる。
Figure 0007259328000025
本発明において、ジアミン成分と反応させる全テトラカルボン酸誘導体成分中、脂環式構造を有する上記テトラカルボン酸誘導体を含有する割合は、好ましくは60~100モル%、より好ましくは70~100モル%、特に好ましくは80~100%である。
本発明に用いられるテトラカルボン酸誘導体は、上記の脂環式構造を有するもの以外の構造を有するものが使用できる。具体的例を挙げるならば、下記記式(X-9)~(X-42)の構造を有するものが挙げられる。
Figure 0007259328000026
Figure 0007259328000027
Figure 0007259328000028
Figure 0007259328000029
Figure 0007259328000030
<ポリイミド前駆体>
本発明の液晶配向剤に含有されるポリイミドの前駆体である、ポリアミック酸及びポリアミック酸エステルは、上記したテトラカルボン酸誘導体成分とジアミン成分との(重縮合)反応により下記のように製造される。
<ポリアミック酸の製造方法>
ポリアミック酸は、具体的には、テトラカルボン酸二無水物とジアミンとを有機溶媒の存在下で-20℃~150℃、好ましくは0℃~50℃において、30分~24時間、好ましくは1~12時間反応させることによって製造できる。
上記の反応に用いる有機溶媒は、生成したポリイミド前駆体が溶解するものであれば特に限定されない。例えば、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、γ-ブチロラクトン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、又は1,3-ジメチル-イミダゾリジノンが挙げられる。
また、ポリアミック酸の溶解性が高い場合は、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、4-ヒドロキシ-4-メチル-2-ペンタノン又は下記の式[D-1]~式[D-3]で示される溶媒を用いることができる。
Figure 0007259328000031
式[D-1]~式[D-3]中、Dは炭素数1~3のアルキル基を示し、Dは炭素数1~3のアルキル基を示し、Dは炭素数1~4のアルキル基を示す。
これら溶媒は単独で使用しても、混合して使用してもよい。さらに、ポリアミック酸を溶解させない溶媒であっても、生成したポリアミック酸が析出しない範囲で、前記溶媒に混合して使用してもよい。また、溶媒中の水分は、重合反応を阻害し、さらには生成したポリアミック酸を加水分解させる原因となるので、溶媒は脱水乾燥させたものを用いることが好ましい。
ポリアミック酸の濃度は、ポリマーの析出が起こりにくく、かつ高分子量体が得やすいという観点から、1~30質量%が好ましく、5~20質量%がより好ましい。
上記のようにして得られたポリアミック酸は、反応溶液をよく撹拌させながら貧溶媒に注入することで、ポリアミック酸を析出させて回収することができる。また、析出を数回行い、貧溶媒で洗浄後、常温あるいは加熱乾燥することで精製されたポリアミック酸の粉末を得ることができる。貧溶媒は、特に限定されないが、水、メタノール、エタノール、ヘキサン、ブチルセロソルブ、アセトン、トルエン等が挙げられる。
<ポリアミック酸エステルの製造方法>
ポリアミック酸エステルは、以下に示す(1)、(2)又は(3)の方法で製造することができる。
(1)ポリアミック酸から製造する場合
ポリアミック酸エステルは、テトラカルボン酸二無水物とジアミンから得られるポリアミック酸をエステル化することによって製造できる。具体的には、ポリアミック酸とエステル化剤を有機溶剤の存在下で-20℃~150℃、好ましくは0~50℃において、30分~24時間、好ましくは1~4時間反応させることによって製造できる。
エステル化剤としては、精製によって容易に除去できるものが好ましく、N,N-ジメチルホルムアミドジメチルアセタール、N,N-ジメチルホルムアミドジエチルアセタール、N,N-ジメチルホルムアミドジプロピルアセタール、N,N-ジメチルホルムアミドジネオペンチルブチルアセタール、N,N-ジメチルホルムアミドジ-t-ブチルアセタール、1-メチル-3-p-トリルトリアゼン、1-エチル-3-p-トリルトリアゼン、1-プロピル-3-p-トリルトリアゼン、4-(4,6-ジメトキシ-1,3,5-トリアジンー2-イル)-4-メチルモルホリニウムクロリドなどが挙げられる。エステル化剤の使用量は、繰り返し単位1モルに対して、2~6モル当量が好ましい。
上記の反応に用いる溶媒は、ポリマーの溶解性からN,N-ジメチルホルムアミド、N-メチル-2-ピロリドン、又はγ-ブチロラクトンが好ましく、これらは1種又は2種以上を混合して用いてもよい。製造時の濃度は、ポリマーの析出が起こりにくく、かつ高分子量体が得やすいという観点から、1~30質量%が好ましく、5~20質量%がより好ましい。
(2)テトラカルボン酸ジエステルジクロリドとジアミンとの反応により製造する場合
ポリアミック酸エステルは、テトラカルボン酸ジエステルジクロリドとジアミンから製造することができる。
具体的には、テトラカルボン酸ジエステルジクロリドとジアミンとを塩基と有機溶剤の存在下で-20℃~150℃、好ましくは0℃~50℃において、30分~24時間、好ましくは1~4時間反応させることによって製造することができる。
前記塩基には、ピリジン、トリエチルアミン、4-ジメチルアミノピリジンなどが使用できるが、反応が穏和に進行するためにピリジンが好ましい。塩基の使用量は、除去が容易な量で、かつ高分子量体が得やすいという観点から、テトラカルボン酸ジエステルジクロリドに対して、2~4倍モルであることが好ましい。
上記の反応に用いる溶媒は、モノマー及びポリマーの溶解性からN-メチル-2-ピロリドン、又はγ-ブチロラクトンが好ましく、これらは1種又は2種以上を混合して用いてもよい。製造時のポリマー濃度は、ポリマーの析出が起こりにくく、かつ高分子量体が得やすいという観点から、1~30質量%が好ましく、5~20質量%がより好ましい。また、テトラカルボン酸ジエステルジクロリドの加水分解を防ぐため、ポリアミック酸エステルの製造に用いる溶媒はできるだけ脱水されていることが好ましく、窒素雰囲気中で、外気の混入を防ぐのが好ましい。
(3)テトラカルボン酸ジエステルとジアミンから製造する場合
ポリアミック酸エステルは、テトラカルボン酸ジエステルとジアミンを重縮合することにより製造することができる。具体的には、テトラカルボン酸ジエステルとジアミンを縮合剤、塩基、及び有機溶剤の存在下で0℃~150℃、好ましくは0℃~100℃において、30分~24時間、好ましくは3~15時間反応させることによって製造することができる。
前記縮合剤には、トリフェニルホスファイト、ジシクロヘキシルカルボジイミド、1-エチル-3-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド塩酸塩、N,N’-カルボニルジイミダゾール、ジメトキシ-1,3,5-トリアジニルメチルモルホリニウム、O-(ベンゾトリアゾール-1-イル)-N,N,N’,N’-テトラメチルウロニウム テトラフルオロボラート、O-(ベンゾトリアゾール-1-イル)-N,N,N’,N’-テトラメチルウロニウムヘキサフルオロホスファート、(2,3-ジヒドロ-2-チオキソ-3-ベンゾオキサゾリル)ホスホン酸ジフェニルなどが使用できる。縮合剤の使用量は、テトラカルボン酸ジエステルに対して2~3倍モルが好ましい。
前記塩基には、ピリジン、トリエチルアミンなどの3級アミンが使用できる。塩基の添加量は、除去が容易な量で、かつ高分子量体が得やすいという観点から、ジアミン成分に対して2~4倍モルが好ましい。
また、上記反応において、ルイス酸を加えることで反応が効率的に進行する。ルイス酸としては、塩化リチウム、臭化リチウムなどのハロゲン化リチウムが好ましい。ルイス酸の添加量はジアミン成分に対して0~1.0倍モルが好ましい。
上記3つのポリアミック酸エステルの製造方法の中でも、高分子量のポリアミック酸エステルが得られるため、上記(1)又は上記(2)の製造法が特に好ましい。
上記のようにして得られるポリアミック酸エステルの溶液は、よく撹拌させながら貧溶媒に注入することで、ポリマーを析出させることができる。析出を数回行い、貧溶媒で洗浄後、常温あるいは加熱乾燥して精製されたポリアミック酸エステルの粉末を得ることができる。貧溶媒は、特に限定されないが、水、メタノール、エタノール、ヘキサン、ブチルセロソルブ、アセトン、トルエン等が挙げられる。
<ポリイミドの製造方法>
上記(A)成分であるポリイミドは、前記ポリアミック酸又はポリアミック酸エステルをイミド化することにより製造することができる。ポリアミック酸エステルからポリイミドを製造する場合、前記ポリアミック酸エステル溶液、又はポリアミック酸エステル樹脂粉末を有機溶媒に溶解させて得られるポリアミック酸溶液に塩基性触媒を添加する化学的イミド化が簡便である。化学的イミド化は、比較的低温でイミド化反応が進行し、イミド化の課程で重合体の分子量低下が起こりにくいので好ましい。
化学的イミド化は、イミド化するポリアミック酸又はポリアミック酸エステルを、有機溶媒中において塩基性触媒存在下で撹拌することにより行うことができる。有機溶媒としては前述した重合反応時に用いる溶媒を使用することができる。塩基性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挙げられる。中でもトリエチルアミンは反応を進行させるのに充分な塩基性を持つので好ましい。
イミド化反応を行う温度は、-20℃~140℃、好ましくは0℃~100℃であり、反応時間は1~100時間で行うことができる。塩基性触媒の量はポリアミック酸又はアミック酸エステル基の0.5~30モル倍、好ましくは2~20モル倍である。得られる重合体のイミド化率は、触媒量、温度、反応時間を調節することで制御することができる。イミド化反応後の溶液には、添加した触媒等が残存しているので、得られたイミド化重合体を回収し有機溶媒で再溶解して液晶配向剤とすることが好ましい。
上記のようにして得られるポリイミドの溶液は、よく撹拌させながら貧溶媒に注入することで、重合体を析出させることができる。析出を数回行い、貧溶媒で洗浄後、常温あるいは加熱乾燥して精製されたポリアミック酸エステルの粉末を得ることができる。
前記貧溶媒は、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、ベンゼン等が挙げられる。
本発明の液晶配向剤に含有される(A)成分であるポリイミドは、上記のようにしてポリイミド前駆体をイミド化して得られるが、その際のイミド化率は、20~80%であるのが必要である。イミド化率が過度に大きい場合には、塗膜性が著しく低下し、一方、過度に小さい場合には、得られた液晶配向膜の硬度が十分に得られない懸念がある。なかでも、イミド化率は、50~70%がより好ましい。
また、ポリイミドの分子量は、重量平均分子量(Mw)で2,000~500,000が好ましく、より好ましくは5,000~300,000であり、さらに好ましくは、10,000~100,000である。また、数平均分子量(Mn)は、好ましくは、1,000~250,000であり、より好ましくは、2,500~150,000であり、さらに好ましくは、5,000~50,000である。
<(B)成分>
本発明の液晶配向剤に含有される(B)成分は、架橋性官能基を2つ以上有する化合物である。かかる、架橋性官能基としては、入手性及び効果の点から、ヒドロキシル基、 (メタ)アクリレート基、ブロックイソシアネート基、オキセタン基、及びエポキシ基からなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。なかでも、ヒドロキシル基が好ましい。(B)成分である化合物は、同じ架橋性官能基を2つ以上有していてもよいし、異なる2種以上の架橋性官能基を2つ以上有していてもよい。架橋性官能基の数に上限はないが、通常は8つ以下であり、好ましくは6つ以下である。
特に、ヒドロキシル基を2つ以上有する好ましい化合物としては、下記式(2)で表される化合物が挙げられる。
Figure 0007259328000032
上記式(2)中、Xは炭素数1~20の脂肪族炭化水素基、又は芳香族炭化水素基を含むn価の有機基である。nは2~6の整数である。上記脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基における任意の炭素は、窒素又は酸素で置換されていてもよい。
及びRは、それぞれ独立して、水素原子、置換基を有してもよい炭素数1~4のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数2~4のアルケニル基、又は置換基を有してもよい炭素数2~4のアルキニル基である。また、R及びRのうち少なくとも1つは、ヒドロキシ基で置換された炭化水素基を表す。
なかでも、式(2)中のXのカルボニル基に直接結合する原子は、芳香環を形成していない炭素原子であることが液晶配向性の観点から好ましい。また、式(2)のXは、液晶配向性及び溶解性の観点から、脂肪族炭化水素基であることが好ましく、炭素数1~10であることがより好ましい。式(2)中、nは溶解性の点から、2~4が好ましい。
式(2)中、R及びRのうち少なくとも1つは、下記式(3)で表される構造であることが、反応性の観点から好ましく、下記式(4)で表される構造であることがさらに好ましい。
Figure 0007259328000033
式(3)中、R~Rは、それぞれ独立して、水素原子、炭化水素基、又はヒドロキシ基で置換された炭化水素基である。
Figure 0007259328000034
ヒドロキシル含有基を2つ以上有する化合物の好ましい例として以下のものが挙げられる。
Figure 0007259328000035
(B)成分は、多すぎると液晶配向性やプレチルト角に影響を与え、少なすぎると本発明の効果が得られない。そのため、(B)成分の含有量は、(A)成分に対して、0.1~20質量%が好ましく、1~10質量%がより好ましい。
<(C)成分>
本発明の液晶配向剤は、更に、テトラカルボン酸誘導体成分と、ジアミン成分との反応物であるポリイミド前駆体を(C)成分として含有することができる。
かかる(C)成分のポリイミド前駆体としては、前記(A)成分のポリイミドの前駆体であるポリイミド前駆体の原料として記載したテトラカルボン酸誘導体、及びジアミンが使用できるが、同じ液晶配向剤中に含有される(A)成分のポリイミドの前駆体と同じポリイミド前駆体は除かれる。ポリイミド前駆体としては、ポリアミック酸が好ましい。
本発明の液晶配向剤は、かかる(C)成分を含有することにより、得られる液晶配向膜の膜強度を一層高めることができる。液晶配向剤中における(C)成分は、(A)成分に対して20~80モル%が好ましく、40~70モル%がより好ましい。
<液晶配向剤>
本発明の液晶配向剤は、前記した(A)成分、及び(B)成分、更に、必要に応じて(C)成分が、有機溶媒中に溶解された溶液の形態を有する。
本発明の液晶配向剤中の重合体の濃度は、形成させようとする塗膜の厚みによって適宜変更することができるが、均一で欠陥のない塗膜を形成させるという点からは、1質量%以上であることが好ましく、溶液の保存安定性の点からは、10質量%以下とすることが好ましい。特に好ましくは3~6.5質量%である。
本発明の液晶配向剤に含有される有機溶媒は、含有される重合体を均一に溶解するものであれば特に限定されない。
例えば、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-エチル-2-ピロリドン、ジメチルスルホキシド、γ-ブチロラクトン、1,3-ジメチル-イミダゾリジノン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン又は4-ヒドロキシ-4-メチル-2-ペンタノンなどを挙げられる。特に、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、又はγ-ブチロラクトンを用いることが好ましい。
本発明の液晶配向剤に含有される有機溶媒は、なかでも、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、N-ペンチル-2-ピロリドン、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、3-メトキシ-N,N-ジメチルプロピオンアミド、及び3-ブトキシ-N,N-ジメチルプロピオンアミドからなる群から選ばれる少なくとも1種からなる第一の溶剤(I)と、
ブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート、1-ブトキシ-2-プロパノール、2-ブトキシ-1-プロパノール、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ダイアセトンアルコール、ジイソブチルカルビノール、ジイソブチルケトン、プロピレンカーボネート、プロピレングリコールジアセテート、及びソペンチルエーテルからなる群から選ばれる少なくとも1種からなる第二の溶剤(II)と、を含有するものであるのが好ましい。
さらに、本発明の重合体の溶媒への溶解性が高い場合は、前記式[D-1]~式[D-3]で示される溶媒を用いることが好ましい。
本発明の液晶配向剤における有機溶媒は、液晶配向剤に含まれる溶媒全体の20~99質量%であることが好ましい。なかでも、20~90質量%が好ましい。より好ましいのは、30~80質量%である。
本発明の液晶配向剤は、液晶配向剤を塗布した際の液晶配向膜の塗膜性や表面平滑性を向上させる溶媒(貧溶媒ともいう)を用いることができる。下記に、貧溶媒の具体例を挙げるが、これらの例に限定されるものではない。
例えば、エタノール、イソプロピルアルコール、1-ブタノール、2-ブタノール、イソブチルアルコール、tert-ブチルアルコール、1-ペンタノール、2-ペンタノール、3-ペンタノール、2-メチル-1-ブタノール、イソペンチルアルコール、tert-ペンチルアルコール、3-メチル-2-ブタノール、ネオペンチルアルコール、1-ヘキサノール、2-メチル-1-ペンタノール、2-メチル-2-ペンタノール、2-エチル-1-ブタノール、1-ヘプタノール、2-ヘプタノール、3-ヘプタノール、1-オクタノール、2-オクタノール、2-エチル-1-ヘキサノール、シクロヘキサノール、1-メチルシクロヘキサノール、2-メチルシクロヘキサノール、3-メチルシクロヘキサノール、1,2-エタンジオール、1,2-プロパンジオール、1,3-プロパンジオール、1,2-ブタンジオール、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、2,3-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、2-メチル-2,4-ペンタンジオール、2-エチル-1,3-ヘキサンジオール、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、ジオキサン、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ジエチルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、1,2-ブトキシエタン、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メチルエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、2-ペンタノン、3-ペンタノン、2-ヘキサノン、2-ヘプタノン、4-ヘプタノン、3-エトキシブチルアセタート、1-メチルペンチルアセタート、2-エチルブチルアセタート、2-エチルヘキシルアセタート、エチレングリコールモノアセタート、エチレングリコールジアセタート、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、2-(メトキシメトキシ)エタノール、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノイソアミルエーテル、エチレングリコールモノヘキシルエーテル、2-(ヘキシルオキシ)エタノール、フルフリルアルコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノブチルエーテル、1-(ブトキシエトキシ)プロパノール、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセタート、ジプロピレングリコール、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセタート、エチレングリコールモノエチルエーテルアセタート、エチレングリコールモノブチルエーテルアセタート、エチレングリコールモノアセタート、エチレングリコールジアセタート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセタート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセタート、2-(2-エトキシエトキシ)エチルアセタート、ジエチレングリコールアセタート、トリエチレングリコール、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、乳酸メチル、乳酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n-ブチル、酢酸プロピレングリコールモノエチルエーテル、ピルビン酸メチル、ピルビン酸エチル、3-メトキシプロピオン酸メチル、3-エトキシプロピオン酸メチルエチル、3-メトキシプロピオン酸エチル、3-エトキシプロピオン酸、3-メトキシプロピオン酸、3-メトキシプロピオン酸プロピル、3-メトキシプロピオン酸ブチル、乳酸メチルエステル、乳酸エチルエステル、乳酸n-プロピルエステル、乳酸n-ブチルエステル、乳酸イソアミルエステル、前記式[D-1]~式[D-3]で示される溶媒などを挙げることができる。
なかでも、1-ヘキサノール、シクロヘキサノール、1,2-エタンジオール、1,2-プロパンジオール、プロピレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル又はジプロピレングリコールジメチルエーテルが好ましい。
貧溶媒は、液晶配向剤に含まれる溶媒全体の1~80質量%であることが好ましく、10~80質量%がさらに好ましく、20~70質量%がより好ましい。
本発明の液晶配向剤には、上記の他、本発明に記載の重合体以外の重合体、液晶配向膜の誘電率や導電性などの電気特性を変化させる目的の誘電体若しくは導電物質、液晶配向膜と基板との密着性を向上させる目的のシランカップリング剤、液晶配向膜にした際の膜の硬度や緻密度を高める目的の架橋性化合物、さらには塗膜を焼成する際にポリイミド前駆体の加熱によるイミド化を効率よく進行させる目的のイミド化促進剤等を添加しても良い。
<液晶配向膜>
本発明の液晶配向膜は、上記液晶配向剤を基板に塗布し、乾燥し、焼成して得られる膜である。本発明の液晶配向剤を塗布する基板としては、透明性の高い基板であれば特に限定されず、ガラス基板、窒化珪素基板、アクリル基板、ポリカーボネート基板等のプラスチック基板等を用いることができる。さらに、液晶駆動のためのITO電極等が形成された基板を用いることが、プロセスの簡素化の点から好ましい。また、反射型の液晶表示素子では、片側の基板のみにならばシリコンウエハー等の不透明な物でも使用でき、この場合の電極は、アルミニウム等の光を反射する材料も使用できる。
本発明の液晶配向剤の塗布方法としては、スピンコート法、印刷法、インクジェット法などが挙げられる。本発明の液晶配向剤を塗布した後の乾燥、焼成工程は、任意の温度と時間を選択することができる。通常は、含有される溶媒を十分に除去するために、50~120℃、好ましくは60~100℃で、1~10分間、好ましくは2~5分間乾燥させ、その後、150~300℃、好ましくは200~240℃で、5~120分間、好ましくは10~30分間焼成する。焼成後の塗膜の厚みは、特に限定されないが、薄すぎると液晶表示素子の信頼性が低下する場合があるので、5~300nm、好ましくは10~200nmである。
得られた液晶配向膜を配向処理する方法としては、ラビング法、光配向処理法などが挙げられる。
ラビング処理は、既存のラビング装置を使用して行うことができる。この際のラビング布の材質としては、コットン、ナイロン、レーヨンなどが挙げられる。ラビング処理の条件としては一般に、回転速度300~2000rpm、送り速度5~100mm/s、押し込み量0.1~1.0mmという条件が用いられる。その後、純水やアルコールなどを用いて超音波洗浄により、ラビングで生じた残渣が除去される。
光配向処理法の具体例としては、前記塗膜表面に、一定方向に偏向した放射線を照射し、場合によっては、さらに150~250℃の温度で加熱処理を行い、液晶配向能を付与する方法が挙げられる。放射線としては、100~800nmの波長を有する紫外線及び可視光線を用いることができる。このうち、100~400nmの波長を有する紫外線が好ましく、200~400nmの波長を有するも紫外線が特に好ましい。また、液晶配向性を改善するために、塗膜基板を50~250℃で加熱しつつ、放射線を照射してもよい。前記放射線の照射量は、1~10,000mJ/cmが好ましく、100~5,000mJ/cmが特に好ましい。上記のようにして作製した液晶配向膜は、液晶分子を一定の方向に安定して配向させることができる。
偏光された紫外線の消光比が高いほど、より高い異方性が付与できるため好ましい。具体的には、直線に偏光された紫外線の消光比は、10:1以上が好ましく、20:1以上がより好ましい。
上記で、偏光された放射線を照射した膜は、次いで、水及び有機溶媒からなる群から選ばれる少なくとも1種を含む溶媒で接触処理してもよい。
接触処理に使用する溶媒としては、光照射によって生成した分解物を溶解する溶媒であれば、特に限定されるものではない。具体例としては、水、メタノール、エタノール、2-プロパノール、アセトン、メチルエチルケトン、1-メトキシ-2-プロパノール、1-メトキシ-2-プロパノールアセテート、ブチルセロソルブ、乳酸エチル、乳酸メチル、ジアセトンアルコール、3-メトキシプロピオン酸メチル、3-エトキシプロピオン酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸シクロヘキシルなどが挙げられる。これらの溶媒は2種以上を併用してもよい。
汎用性や安全性の点から、水、2-プロパノール、1-メトキシ-2-プロパノール及び乳酸エチルからなる群から選ばれる少なくとも1種がより好ましい。水、2-プロパンール、又は水と2-プロパノールの混合溶媒が特に好ましい。
本発明において、偏光された放射線を照射した膜と溶媒を含む溶液の接触処理は、浸漬処理、噴霧(スプレー)処理などの、膜と液とが、好ましくは十分に接触するような方法で行なわれる。なかでも、溶媒を含む溶液中に、好ましくは10秒~1時間、より好ましくは1~30分浸漬処理する方法が好ましい。接触処理は、常温でも加温してもよいが、好ましくは10~80℃、より好ましくは20~50℃で実施される。また、必要に応じて、超音波などの接触を高める手段を施すことができる。
接触処理の後に、使用した溶液中の溶媒を除去する目的で、水、メタノール、エタノール、2-プロパノール、アセトン、メチルエチルケトンなどの低沸点溶媒によるすすぎ(リンス)や乾燥のいずれか、又は両方を行ってよい。
さらに、溶媒を含む溶液による接触処理をした膜は、溶媒の乾燥及び膜中の分子鎖の再配向を目的に、150℃以上で加熱してもよい。
加熱の温度としては、150~300℃が好ましい。温度が高いほど、分子鎖の再配向が促進されるが、温度が高すぎると分子鎖の分解を伴う恐れがある。そのため、加熱温度としては、180~250℃がより好ましく、200~230℃が特に好ましい。
加熱する時間は、短すぎると、分子鎖の再配向の効果が得られない可能性があり、長すぎると、分子鎖が分解してしまう可能性があるため、10秒~30分が好ましく、1~10分がより好ましい。
<液晶表示素子>
本発明の液晶表示素子は、本発明の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、本発明の液晶配向剤から前記液晶配向膜の製造方法によって液晶配向膜付きの基板を得た後、公知の方法で液晶セルを作製し、それを使用して液晶表示素子としたものである。
液晶セルの作製方法の一例として、パッシブマトリクス構造の液晶表示素子を例にとり説明する。尚、画像表示を構成する各画素部分に、TFT(Thin Film Transistor)などのスイッチング素子を設けたアクティブマトリクス構造の液晶表示素子であってもよい。
まず、透明なガラス製の基板を準備し、一方の基板の上にコモン電極を、他方の基板の上にセグメント電極を設ける。これらの電極は、例えば、ITO電極とすることができ、所望の画像表示ができるようにパターニング(Patterning)される。次いで、各基板の上に、コモン電極とセグメント電極を被覆するようにして絶縁膜を設ける。絶縁膜は、例えば、ゾル-ゲル法によって形成された、SiO-TiOからなる膜とすることができる。
次に、各基板の上に、本発明の液晶配向膜を形成する。次に、一方の基板に他方の基板を互いの配向膜面が対向するようにして重ね合わせ、周辺をシール材で接着する。シール材には、基板間隙を制御するために、通常、スペーサーを混入しておく。また、シール材を設けない面内部分にも、基板間隙制御用のスペーサーを散布しておくことが好ましい。シール材の一部には、外部から液晶を充填可能な開口部を設けておく。
次に、シール材に設けた開口部を通じて、2枚の基板とシール材で包囲された空間内に液晶材料を注入する。その後、この開口部を接着剤で封止する。注入には、真空注入法を用いてもよいし、大気中で毛細管現象を利用した方法を用いてもよい。次に、偏光板の設置を行う。具体的には、2枚の基板の液晶層とは反対側の面に一対の偏光板を貼り付ける。以上の工程を経ることにより、本発明の液晶表示素子が得られる。
本発明において、シール剤としては、例えば、エポキシ基、アクリロイル基、(メタ)アクリロイル基、ヒドロキシル基、アリル基、アセチル基などの反応性基を有する、紫外線照射や加熱によって硬化する樹脂が用いられる。特に、エポキシ基と(メタ)アクリロイル基の両方の反応性基を有する硬化樹脂系を用いるのが好ましい。
本発明のシール剤には、接着性、耐湿性の向上を目的として、無機充填剤を配合してもよい。使用しうる無機充填剤としては、特に限定されないが、具体的には、球状シリカ、溶融シリカ、結晶シリカ、酸化チタン、チタンブラック、シリコンカーバイド、窒化珪素、窒化ホウ素、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、マイカ、タルク、クレー、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、水酸化アルミニウム、珪酸カルシウム、珪酸アルミニウム、珪酸リチウムアルミニウム、珪酸ジルコニウム、チタン酸バリウム、硝子繊維、炭素繊維、二硫化モリブデン、アスベスト等が挙げられる。好ましくは、球状シリカ、溶融シリカ、結晶シリカ、酸化チタン、チタンブラック、窒化珪素、窒化ホウ素、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、マイカ、タルク、クレー、アルミナ、水酸化アルミニウム、珪酸カルシウム、又は珪酸アルミニウムが挙げられる。前記の無機充填剤は2種以上を混合して用いてもよい。
以下に実施例を挙げ、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。以下における化合物の略号及び各特性の測定方法は、次のとおりである。
NMP:N-メチル-2-ピロリドン、GBL:γ―ブチロラクトン、
BCS:ブチルセロソルブ、
DA-1:ビス(4-アミノフェノキシ)メタン、
DA-2:1,2-ビス(4-アミノフェノキシ)エタン、
DA-3:N-tert-ブトキシカルボニル-N-(2-(4-アミノフェニル)エチル)-N-(4-アミノベンジル)アミン、
DA-4:下記式(DA-4)参照、
DA-5:2-tert-ブトキシカルボニルアミノメチル-p-フェニレンジアミン(式中、Bocは、tert-ブトキシカルボニル基を表す)、
DA-6:下記式(DA-6)参照、
CA-1:下記式(CA-1)参照、CA-2:下記式(CA-2)参照、
CA-3:下記式(CA-3)参照、AD-1:下記式(AD-1)参照
Figure 0007259328000036
Figure 0007259328000037
Figure 0007259328000038
[粘度]
溶液の粘度は、E型粘度計TVE-22H(東機産業社製)を用い、サンプル量1.1mL、コーンロータTE-1(1°34’、R24)、温度25℃で測定した。
[分子量]
分子量はGPC(常温ゲル浸透クロマトグラフィー)装置によって測定し、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド換算値として数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)を算出した。
GPC装置:Shodex社製(GPC-101)、カラム:Shodex社製(KD803、KD805の直列)、カラム温度:50℃、溶離液:N,N-ジメチルホルムアミド(添加剤として、臭化リチウム-水和物(LiBr・HO)が30mmol/L、リン酸・無水結晶(o-リン酸)が30mmol/L、テトラヒドロフラン(THF)が10ml/L)、流速:1.0ml/分
検量線作成用標準サンプル:東ソー社製 TSK 標準ポリエチレンオキサイド(重量平均分子量(Mw) 約900,000、150,000、100,000、30,000)、及び、ポリマーラボラトリー社製 ポリエチレングリコール(ピークトップ分子量(Mp)約12,000、4,000、1,000)。測定は、ピークが重なるのを避けるため、900,000、100,000、12,000、1,000の4種類を混合したサンプル、及び150,000、30,000、4,000の3種類を混合したサンプルの2サンプルを別々に測定した。
<イミド化率の測定>
ポリイミド粉末20mgをNMRサンプル管(NMRサンプリングチューブスタンダード,φ5(草野科学社製))に入れ、重水素化ジメチルスルホキシド(DMSO-d6,0.05%TMS(テトラメチルシラン)混合品)を0.53ml添加し、超音波をかけて完全に溶解させた。この溶液をNMR測定機(JNW-ECA500)(日本電子データム社製)にて500MHzのプロトンNMRを測定した。イミド化率は、イミド化前後で変化しない構造に由来するプロトンを基準プロトンとして決め、このプロトンのピーク積算値と、9.5ppm~10.0ppm付近に現れるアミド酸のNH基に由来するプロトンピーク積算値とを用い以下の式によって求めた。
イミド化率(%)=(1-α・x/y)×100
上記式において、xはアミド酸のNH基由来のプロトンピーク積算値、yは基準プロトンのピーク積算値、αはポリアミド酸(イミド化率が0%)の場合におけるアミド酸のNH基プロトン1個に対する基準プロトンの個数割合である。
[液晶セルの作製]
フリンジフィールドスィッチング(Fringe Field Switching:FFS)モード液晶表示素子の構成を備えた液晶セルを作製する。
始めに、電極付きの基板を準備した。基板は、30mm×50mmの大きさで、厚さが0.7mmのガラス基板である。基板上には第1層目として対向電極を構成する、ベタ状のパターンを備えたITO電極が形成されている。第1層目の対向電極の上には第2層目として、CVD法により成膜されたSiN(窒化珪素)膜が形成されている。第2層目のSiN膜の膜厚は500nmであり、層間絶縁膜として機能する。第2層目のSiN膜の上には、第3層目としてITO膜をパターニングして形成された櫛歯状の画素電極が配置され、第1画素及び第2画素の2つの画素を形成している。各画素のサイズは、縦10mmで横約5mmである。このとき、第1層目の対向電極と第3層目の画素電極とは、第2層目のSiN膜の作用により電気的に絶縁されている。
第3層目の画素電極は、中央部分が屈曲した「くの字」形状の電極要素を複数配列して構成された櫛歯状の形状を有する。各電極要素の短手方向の幅は3μmであり、電極要素間の間隔は6μmである。各画素を形成する画素電極が、中央部分の屈曲した「くの字」形状の電極要素を複数配列して構成されているため、各画素の形状は長方形状ではなく、電極要素と同様に中央部分で屈曲する、太字の「くの字」に似た形状を備える。そして、各画素は、その中央の屈曲部分を境にして上下に分割され、屈曲部分の上側の第1領域と下側の第2領域を有する。
各画素の第1領域と第2領域とを比較すると、それらを構成する画素電極の電極要素の形成方向が異なるものとなっている。すなわち、後述する液晶配向膜のラビング方向を基準とした場合、画素の第1領域では画素電極の電極要素が+10°の角度(時計回り)をなすように形成され、画素の第2領域では画素電極の電極要素が-10°の角度(時計回り)をなすように形成されている。その結果、各画素の第1領域と第2領域とでは、画素電極と対向電極との間の電圧印加によって誘起される液晶の、基板面内での回転動作(インプレーン・スイッチング)の方向が互いに逆方向となるように構成されている。
次に、液晶配向剤を孔径1.0μmのフィルターで濾過した後、準備された上記電極付き基板と裏面にITO膜が成膜されている高さ4μmの柱状スペーサーを有するガラス基板に、スピンコート塗布にて塗布した。80℃のホットプレート上で5分間乾燥させた後、230℃の熱風循環式オーブンで20分間焼成を行い、膜厚100nmの塗膜を形成させた。この塗膜面に偏光板を介して消光比10:1以上の直線偏光した波長254nmの紫外線を照射した。この基板を、水及び有機溶媒から選ばれる少なくとも1種類の溶媒に3分間浸漬させ、次いで純水に1分間浸漬させ、150~300℃のホットプレート上で5分間加熱し、液晶配向膜付き基板を得た。上記、2枚の基板を一組とし、基板上にシール剤を印刷し、もう1枚の基板を、液晶配向膜面が向き合い配向方向が0°になるようにして張り合わせた後、シール剤を硬化させて空セルを作製した。この空セルに減圧注入法によって、液晶MLC-3019(メルク社製)を注入し、注入口を封止して、FFS駆動液晶セルを得た。その後、得られた液晶セルを110℃で1時間加熱し、一晩放置してから各評価に使用した。
[長期交流駆動による残像評価]
上記した残像評価に使用した液晶セルと同様の構造の液晶セルを準備した。
この液晶セルを用い、60℃の恒温環境下、周波数60Hzで±5Vの交流電圧を120時間印加した。その後、液晶セルの画素電極と対向電極との間をショートさせた状態にし、そのまま室温に一日放置した。
放置の後、液晶セルを偏光軸が直交するように配置された2枚の偏光板の間に設置し、電圧無印加の状態でバックライトを点灯させておき、透過光の輝度が最も小さくなるように液晶セルの配置角度を調整した。そして、第1画素の第2領域が最も暗くなる角度から第1領域が最も暗くなる角度まで液晶セルを回転させたときの回転角度を角度Δとして算出した。第2画素でも同様に、第2領域と第1領域とを比較し同様の角度Δを算出した。
[鉛筆硬度の評価]
鉛筆硬度評価のサンプルは、以下のように作製した。30mm×40mmのITO基板に、スピンコート塗布にて液晶配向剤を塗布した。80℃のホットプレート上で2分間乾燥させた後、230℃の熱風循環式オーブンで14分間焼成を行い、膜厚100nmの塗膜を形成させた。この塗膜面にラビングや偏光紫外線照射などの配向処理を施し、液晶配向膜付き基板を得た。この基板を、水及び有機溶媒から選ばれる少なくとも1種類の溶媒に3分間浸漬させ、次いで純水に1分間浸漬させ、150℃~300℃のホットプレート上で14分間加熱し、液晶配向膜付き基板を得た。この基板の液晶配向膜面を鉛筆硬度試験法(JIS K5400)で測定した。
<合成例1>
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの100mL四つ口フラスコに、DA-1を1.75g(7.60mmol)、DA-2を4.64g(19.0mmol)、DA-3を3.89g(11.4mmol)を測り取り、NMPを46.9g加えて、窒素を送りながら撹拌し溶解させた。このジアミン溶液を撹拌しながらCA-1を7.93g(35.3mmol)添加し、更に固形分濃度が18質量%になるようにNMPを36.1g加え、40℃で24時間撹拌してポリアミック酸溶液(A)(粘度:800mPa・s)を得た。ポリアミック酸のMn=10800、Mw=23600であった。
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの100ml四つ口フラスコに得られたポリアミック酸溶液を30g取り、NMPを37.5g加え、30分撹拌した。得られたポリアミック酸溶液に、無水酢酸を3.39g、ピリジンを0.88g加えて、55℃で3時間加熱し、化学イミド化を行った。得られた反応液を270mlのメタノールに撹拌しながら投入し、析出した沈殿物をろ取し、続いて、270mlのメタノールで3回洗浄した。得られた樹脂粉末を60℃で12時間乾燥することで、ポリイミド樹脂粉末(A)を得た。
このポリイミド樹脂粉末のイミド化率は67%であり、Mn=7500、Mw=1100であった。
<合成例2>
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの100mL四つ口フラスコに、DA-1を3.50g(15.2mmol)、DA-2を2.78g(11.4mmol)、DA-3を3.89g(11.4mmol)を測り取り、NMPを46.36g加えて、窒素を送りながら撹拌し溶解させた。このジアミン溶液を撹拌しながらCA-1を7.92g(35.3mmol)添加し、更に固形分濃度が18質量%になるようにNMPを36.1g加え、40℃で24時間撹拌してポリアミック酸溶液(C)(粘度:820mPa・s)を得た。ポリアミック酸のMn=11000、Mw=25200であった。
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの100ml四つ口フラスコに得られたポリアミック酸溶液を30g取り、NMPを37.5g加え、30分撹拌した。得られたポリアミック酸溶液に、無水酢酸を3.40g、ピリジンを0.88g加えて、55℃で3時間加熱し、化学イミド化を行った。得られた反応液を270mlのメタノールに撹拌しながら投入し、析出した沈殿物をろ取し、続いて、270mlのメタノールで3回洗浄した。得られた樹脂粉末を60℃で12時間乾燥することで、ポリイミド樹脂粉末(B)を得た。
このポリイミド樹脂粉末のイミド化率は67%であり、Mn=8000、Mw=12500であった。
<合成例3>
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの50mL四つ口フラスコに、DA-1を0.69g(3.00mmol)、DA-4を1.60g(5.00mmol)、DA-3を0.68g(2.00mmol)を測り取り、NMPを32.3g加えて、窒素を送りながら撹拌し溶解させた。このジアミン溶液を撹拌しながらCA-1を2.17g(9.70mmol)添加し、更に固形分濃度が18質量%になるようにNMPを5.00g加え、40℃で24時間撹拌してポリアミック酸溶液(C)(粘度:790mPa・s)を得た。ポリアミック酸のMn=15500、Mw=40600であった。
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの100ml四つ口フラスコに得られたポリアミック酸溶液を50g取り、NMPを62.5g加え、30分撹拌した。得られたポリアミック酸溶液に、無水酢酸を5.39g、ピリジンを1.39g加えて、55℃で3時間加熱し、化学イミド化を行った。得られた反応液を525mlのメタノールに撹拌しながら投入し、析出した沈殿物をろ取し、続いて、525mlのメタノールで3回洗浄した。得られた樹脂粉末を60℃で12時間乾燥することで、ポリイミド樹脂粉末(C)を得た。
このポリイミド樹脂粉末のイミド化率は63%であり、Mn=6000、Mw=9600であった。
<合成例4>
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの100mL四つ口フラスコに、DA-1を6.91g(30.0mmol)を測り取り、NMPを59.1g加えて、窒素を送りながら撹拌し溶解させた。このジアミン溶液を撹拌しながらCA-3を1.50g(6.00mmol)添加し、室温で3時間撹拌した後、CA-2を6.62g(22.5mmol)を添加し、固形分濃度が15質量%になるようにNMPを12.8gg加え、室温で24時間撹拌してポリアミック酸溶液(D)(粘度:870mPa・s)を得た。ポリアミック酸のMn=13200、Mw=35700であった。
<合成例5>
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの100mL四つ口フラスコに、DA-2を6.33g(25.9mmol)、DA-3を3.79g(11.1mmol)を測り取り、NMPを73.1g加えて、窒素を送りながら撹拌し溶解させた。このジアミン溶液を撹拌しながらCA-1を7.73g(34.4mmol)添加し、更に固形分濃度が18質量%になるようにNMPを8.12g加え、40℃で24時間撹拌してポリアミック酸溶液(E)(粘度:800mPa・s)を得た。ポリアミック酸のMn=13500、Mw=23600であった。
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの100ml四つ口フラスコに得られたポリアミック酸溶液を30g取り、NMPを15.0g加え、30分撹拌した。得られたポリアミック酸溶液に、無水酢酸を3.37g、ピリジンを0.44g加えて、55℃で3時間加熱し、化学イミド化を行った。得られた反応液を212mlのメタノールに撹拌しながら投入し、析出した沈殿物をろ取し、続いて、212mlのメタノールで3回洗浄した。得られた樹脂粉末を60℃で12時間乾燥することで、ポリイミド樹脂粉末(F)を得た。ポリイミド樹脂のイミド化率は68%であり、Mn=9400、Mw=23000であった。
<合成例6>
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの100mL四つ口フラスコに、DA-2を4.40g(18.0mmol)、DA-3を6.15g(18.0mmol)を測り取り、NMPを74.0g加えて、窒素を送りながら撹拌し溶解させた。このジアミン溶液を撹拌しながらCA-1を7.50g(33.4mmol)添加し、更に固形分濃度が18質量%になるようにNMPを8.22g加え、40℃で24時間撹拌してポリアミック酸溶液(G)(粘度:820mPa・s)を得た。ポリアミック酸のMn=11000、Mw=30700であった。
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの100ml四つ口フラスコに得られたポリアミック酸溶液(A)を20g測り取り、NMPを14.29g加え、30分撹拌した。得られたポリアミック酸溶液に、無水酢酸を1.48g、ピリジンを0.38g加えて、60℃で3時間加熱し、化学イミド化を行った。得られた反応液を150mlのメタノールに撹拌しながら投入し、析出した沈殿物をろ取し、続いて、150mlのメタノールで3回洗浄した。得られた樹脂粉末を60℃で12時間乾燥することで、ポリイミド樹脂粉末(H)を得た。このポリイミド樹脂粉末のイミド化率は70%であり、Mn=9050、Mw=16600であった。
<実施例1>
合成例1で得られたポリイミド樹脂粉末(A)1.80gを100ml三角フラスコに取り、固形分濃度が15%になるようにNMPを10.2g加え、70℃で24時間撹拌し溶解させてポリイミド溶液(K)を得た。このポリイミド溶液にAD-1を0.09g、NMPを11.9g、BCSを6.00g添加し、室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(1)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出などの異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
<実施例2>
合成例2で得られたポリイミド樹脂粉末(B)1.80gを100ml三角フラスコに取り、固形分濃度が15%になるようにNMPを10.2g加え、70℃で24時間撹拌し溶解させてポリイミド溶液(L)を得た。このポリイミド溶液にAD-1を0.09g、NMPを11.9g、BCSを6.00g添加して室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(2)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出などの異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
<実施例3>
合成例2で得られたポリイミド樹脂粉末(C)1.80gを100ml三角フラスコに取り、固形分濃度が15%になるようにNMPを22.11g加え、70℃で24時間撹拌し溶解させてポリイミド溶液(M)を得た。このポリイミド溶液にAD-1を0.09g、NMPを11.9g、BCSを6.00g添加して室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(3)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出などの異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
<実施例4>
18質量%のポリアミック酸(D)7.80gと15質量%のポリイミド溶液(K)5.20gを100mL三角フラスコに取り、AD-1を0.98g、NMPを4.34g、GBLを5.68g、BCSを6.00g添加して室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(4)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出などの異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
<実施例5>
18質量%のポリアミック酸(D)7.80gと15質量%のポリイミド溶液(L)5.20gを100mL三角フラスコに取り、AD-1を0.98g、NMPを4.36g、GBLを5.66g、BCSを6.00g添加して室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(5)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出などの異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
<比較例1>
合成例5で得られたポリイミド樹脂粉末(F)1.80gを100ml三角フラスコに取り、固形分濃度が15%になるようにNMPを10.2g加え、70℃で24時間撹拌し溶解させてポリイミド溶液(N)を得た。このポリイミド溶液にAD-1を0.09g、NMPを11.9g、BCSを6.00g添加し、室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(6)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出などの異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
<比較例2>
合成例6で得られたポリイミド樹脂粉末(H)1.80gを100ml三角フラスコに取り、固形分濃度が15%になるようにNMPを10.2g加え、70℃で24時間撹拌し溶解させてポリイミド溶液(O)を得た。このポリイミド溶液にAD-1を0.09g、NMPを11.9g、BCSを6.00g添加し、室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(7)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出などの異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
<比較例3>
実施例1で得られたポリイミド溶液(K)12gに、NMPを12.0g、BCSを6.00g添加し、室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(8)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出などの異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
<実施例6>
上記の液晶配向剤(1)を孔径1.0μmのフィルターで濾過した後、準備された上記電極付き基板と裏面にITO膜が成膜されている高さ4μmの柱状スペーサーを有するガラス基板に、スピンコート塗布にて塗布した。80℃のホットプレート上で5分間乾燥させた後、230℃の熱風循環式オーブンで20分間焼成を行い、膜厚100nmの塗膜を形成させた。この塗膜面に偏光板を介して消光比26:1の直線偏光した波長254nmの紫外線を0.25J/cm照射した後、純水:2-プロパノール=1/1の混合溶液に5分間浸漬させ、次いで純水に1分間浸漬させた230℃のホットプレート上で14分間加熱して、液晶配向膜付き基板を得た。この基板の液晶配向膜面を鉛筆硬度試験法(JIS K5400)で測定した結果、3Hであった。
<実施例7~10、比較例4~6>
液晶配向剤(1)の代わりに、それぞれ、表1に示した液晶配向剤を用いた以外は、実施例6と全く同様にして鉛筆硬度試験用のサンプルをそれぞれ作製した。それぞれの鉛筆硬度試験の評価を行った結果を、実施例6の結果を含めて表1に示す。表1中、「H<」は、鉛筆硬度が1よりも小さいこと表す。
Figure 0007259328000039
<実施例12>
実施例1で得られた液晶配向剤(1)を孔径1.0μmのフィルターで濾過した後、準備された上記電極付き基板と裏面にITO膜が成膜されている高さ4μmの柱状スペーサーを有するガラス基板に、スピンコート塗布にて塗布した。80℃のホットプレート上で5分間乾燥させた後、230℃の熱風循環式オーブンで20分間焼成を行い、膜厚100nmの塗膜を形成させた。この塗膜面に偏光板を介して消光比26:1の直線偏光した波長254nmの紫外線を0.25J/cm照射した。この基板を、純水に3分間浸漬させ、230℃のホットプレート上で14分間乾燥させて、液晶配向膜付き基板を得た。
得られた上記2枚の基板を一組とし、基板上にシール剤を印刷し、もう1枚の基板を、液晶配向膜面が向き合い配向方向が0°になるようにして張り合わせた後、シール剤を硬化させて空セルを作製した。この空セルに減圧注入法によって、液晶MLC-3019(メルク社製)を注入し、注入口を封止して、FFS駆動液晶セルを得た。その後、得られた液晶セルを110℃で1時間加熱し、一晩放置して、長期交流駆動による残像評価を実施した。長期交流駆動後におけるこの液晶セルの角度Δの値は、0.10度であった。
<実施例12~15、比較例7~9>
液晶配向剤(1)の代わりに、それぞれ、表2に示した液晶配向剤を用い、また、紫外線の照射量を表2に示したものにした以外は、実施例11と全く同様の方法でFFS駆動液晶セルを作製し、長期交流駆動による残像評価を実施した。それぞれにおける長期交流駆動後におけるこの液晶セルの角度Δの値を、実施例11の結果を含めて表2に示す。
Figure 0007259328000040
本発明の液晶配向剤により、高い膜硬度と良好な残像特性を有する液晶配向膜を得ることが出来る。よって、本発明の液晶配向剤から得られる液晶配向膜は、液晶パネル製造における歩留りが高く、且つIPS駆動方式やFFS駆動方式の液晶表示素子において発生する交流駆動による残像を低減することができ、残像特性に優れたIPS駆動方式やFFS駆動方式の液晶表示素子が得られる。そのため、高い表示品位が求められる液晶表示素子における使利用が可能である。
なお、2016年11月18日に出願された日本特許出願2016-225395号の明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims (13)

  1. 下記(A)成分、(B)成分、及び有機溶剤を含有することを特徴とする液晶配向剤。
    (A)成分:下記式(X1-1)で表されるテトラカルボン酸誘導体成分と、下記式(1)の構造を有するジアミンを含有するジアミン成分との反応物であるポリイミド前駆体のイミド化物であり、かつイミド化率が50%~80%であるポリイミド。
    Figure 0007259328000041
    (R~Rはそれぞれ独立して、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~6のアルキル基、炭素数2~6のアルケニル基、炭素数2~6のアルキニル基、又はフッ素原子を含有する炭素数1~6の1価の有機基を表す。)
    Figure 0007259328000042
    (*はアミノ基との結合を表す。)
    (B)成分:下記式(2)で表される、架橋性官能基を2つ以上有する化合物。
    Figure 0007259328000043
    (Xは炭素数1~20の脂肪族炭化水素基、又は芳香族炭化水素基を含むn価の有機基であり、nは2~6の整数である。上記脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基における任意の炭素は、窒素又は酸素で置換されていてもよい。R及びRは、それぞれ独立に、水素原子、置換基を有してもよい炭素数1~4のアルキル基、炭素数2~4のアルケニル基、又は炭素数2~4のアルキニル基であり、R及びRの少なくとも1方はヒドロキシ基で置換された炭化水素基を表す。)
  2. 前記イミド化率が50%~70%である、請求項1に記載の液晶配向剤。
  3. 前記ジアミン成分が、式(1)の構造を有するジアミンを20~50モル%含有する、請求項1又は2に記載の液晶配向剤。
  4. 前記ジアミン成分が、更に、熱によって脱離してアミノ基を生じる構造を有するジアミンを含有する、請求項1~3のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  5. 前記式(X1-1)で表されるテトラカルボン酸誘導体成分が、下記からなる群から選ばれる少なくとも1種の構造を有する、請求項1~のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
    Figure 0007259328000044
  6. 前記式(2)におけるR及びRの少なくとも1つが、式(3)で表される、請求項1~のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
    Figure 0007259328000045
    (R~Rは、それぞれ独立に、水素原子、炭化水素基、又はヒドロキシ基で置換された炭化水素基のいずれかを表す。)
  7. 前記架橋性官能基を2つ以上含有する化合物が、式(5)で表される化合物である、請求項1~のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
    Figure 0007259328000046
  8. 前記(B)成分が、前記(A)成分に対して0.1~20質量%含有される、請求項1~のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  9. 更に、下記の(C)成分を含有する、請求項1~のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
    (C)成分:テトラカルボン酸誘導体成分と、ジアミン成分との反応物であるポリイミド前駆体(但し、前記(A)成分のポリイミドの前駆体と同じポリイミド前駆体を除く。)
  10. 前記有機溶剤が、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、N-ペンチル-2-ピロリドン、γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、3-メトキシ-N,N-ジメチルプロピオンアミド、及び3-ブトキシ-N,N-ジメチルプロピオンアミドからなる群から選ばれる少なくとも1種からなる第一の溶剤(I)と、ブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート、1-ブトキシ-2-プロパノール、2-ブトキシ-1-プロパノール、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ダイアセトンアルコール、ジイソブチルカルビノール、ジイソブチルケトン、プロピレンカーボネート、プロピレングリコールジアセテート、ジイソペンチルエーテルからなる群から選ばれる少なくとも1種からなる第二の溶剤(II)と、を含有する、請求項1~のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  11. 請求項1~10のいずれか1項に記載の液晶配向剤から得られる液晶配向膜。
  12. 請求項1~10のいずれか1項に記載の液晶配向剤を塗布、焼成し、さらに偏光された紫外線を照射する液晶配向膜の製造方法。
  13. 請求項11に記載の液晶配向膜を有する液晶表示素子。
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