JP7351294B2 - 液晶配向剤、液晶配向膜及び液晶表示素子 - Google Patents

液晶配向剤、液晶配向膜及び液晶表示素子 Download PDF

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Description

本発明は、液晶配向剤、それを用いた液晶配向膜、及び液晶表示素子に関する。
液晶表示素子は、パソコン、携帯電話、スマートフォン、テレビ等の表示部として幅広く用いられている。液晶表示素子は、例えば、素子基板とカラーフィルタ基板との間に挟持された液晶層、液晶層に電界を印加する画素電極及び共通電極、液晶層の液晶分子の配向性を制御する配向膜、画素電極に供給される電気信号をスイッチングする薄膜トランジスタ(TFT)等を備えている。
近年、液晶表示素子において、できるだけ多くの表示面を確保するため、液晶表示素子の基板間を接着させるために用いるシール剤の幅を、従来に比べて狭くする、所謂狭額縁化が要求されるようになった。かかるパネルの狭額縁化に伴って、液晶表示素子を作製する際に用いるシール剤の塗布位置が、液晶配向膜の端部や液晶配向膜の上にまで塗布されるようになったが、通常、液晶配向膜には極性基がないため、シール剤と液晶配向膜表面で共有結合が形成されず、基板同士の接着が不十分となる問題点があった。
このような場合、特に高温高湿条件下での使用において、シール剤と液晶配向膜とのすき間から水が混入しやすくなり、液晶表示素子の周囲の額縁付近に表示ムラが発生してしまうという問題が生じる。従って、ポリイミド系液晶配向膜とシール剤との密着性(接着性)を向上させることが課題となる。上述のごとき液晶配向膜のシール剤や基板との接着性の改善は、液晶配向膜の有する液晶配向性や電気特性を低下させずに達成されることが必要である。
特許文献1には、下記の(A)成分及び(B)成分を含有する液晶配向処理剤が開示されている。
(A)成分:分子内にカルボキシル基を有するポリイミド。
(B)成分:分子内に1級アミノ基を1個と窒素含有芳香族複素環とを有し、かつ前記1級アミノ基が脂肪族炭化水素基又は非芳香族環式炭化水素基に結合しているアミン化合物。
特許文献1には、アミンが1個であるアミン化合物が開示されており、後述する本発明の特定のジアミン化合物(B)は開示されていない。
特許文献2には、下記式(DA)で表される構造を有するジアミン(式中、Bocはターシャリーブチルオキシカルボニルを表す。)から得られる重合体を含有する液晶配向剤を用いることにより、基板同士の密着性に優れた液晶表示素子が得られることが開示されている。
Figure 0007351294000001
特許文献2には、後述する本発明の特定のジアミン化合物(B)を液晶配向剤に含有させることは開示されていない。
日本特許第5003682号 国際公開第2017/164181号
本発明の主目的は、基板やシール剤との密着性が高く、且つ、電圧保持率等の電気特性に優れた液晶配向膜を形成することができる液晶配向剤を提供することである。
本発明者は、鋭意研究を行った結果、上記の目的を達成するために有効な液晶配向剤、液晶配向膜及び液晶表示素子を見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は以下の要旨を有するものである。
1.ジアミン成分とテトラカルボン酸成分とを反応させて得られるポリイミド前駆体、及びそれをイミド化して得られるポリイミドからなる群から選ばれる少なくとも1つである重合体(A)と、下記式(1)で表されるジアミン化合物(B)とを含有することを特徴とする液晶配向剤。
Figure 0007351294000002
(式中、Arは、非置換若しくは置換されている炭素数6~18の2価の芳香族炭化水素基であり、Rは、非置換若しくは置換されている、炭素数1~6のアルキレン基、炭素数2~6のアルケニレン基、炭素数2~6のアルキニレン基、炭素数3~10のシクロアルキレン基、又は炭素数3~10のシクロアルケニレン基である。)
2.重合体(A)の100質量部に対して、ジアミン化合物(B)を2~30質量部含有する、上記1に記載の液晶配向剤。
3.重合体(A)とジアミン化合物(B)の一部又は全部とが反応している、上記1又は2に記載の液晶配向剤。
4.上記式(1)において、Arがフェニレン基又はナフチレン基である、上記1~3のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
5.上記式(1)において、Rが炭素数1~6のアルキレン基である、上記1~4のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
6.前記ジアミン化合物(B)が下記のA1~A3及びA7~A11のいずれかの式で表されるジアミンである、上記1~5のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
Figure 0007351294000003
7.前記重合体(A)が可溶性ポリイミドである、上記1~6のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
8.前記液晶配向剤に含まれる有機溶媒が、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジエチルホルムアミド、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、N-メチルカプロラクタム、2-ピロリドン、N-ビニル-2-ピロリドン、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、γ-ブチロラクトン、1,3-ジメチル-イミダゾリジノン、及び3-メトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミドからなる群から選ばれる1種又は2種以上である、上記1~7のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
9.狭額縁の液晶表示素子製造用である、上記1~8のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
10.上記1~9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。
11.上記10に記載の液晶配向膜を具備する、液晶表示素子。
12.狭額縁の液晶表示素子である、上記11に記載の液晶表示素子。
本発明の液晶配向剤は、基板やシール剤との密着性が高く、且つ、電圧保持率等の電気特性に優れた液晶配向膜を形成することができる。
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の一実施形態は、ジアミン成分とテトラカルボン酸成分とを反応させて得られるポリイミド前駆体、及びそれをイミド化して得られるポリイミドからなる群から選ばれる少なくとも1つである重合体(A)と、前記式(1)で表されるジアミン化合物(B)とを含有することを特徴とする液晶配向剤である。
本発明の液晶配向剤において、重合体(A)とジアミン化合物(B)の一部又は全部とは反応していても良く、反応していなくとも良い。
本発明の液晶配向剤において、重合体(A)とジアミン化合物(B)とが反応していない場合には、ジアミン化合物(B)中のアミノ基の一部は、液晶配向膜を作製するための乾燥や焼成工程の間に、重合体(A)中のカルボキシル基やカルボキシエステル基の一部と、水やアルコールの脱離を伴うアミド結合を形成するか、或いは重合体(A)中のイミド基の一部とその開環を伴う結合を形成すると考えられる。
一方、本発明の液晶配向剤において、重合体(A)とジアミン化合物(B)とが反応している場合には、ジアミン化合物(B)中のアミノ基の一部は、重合体(A)中のカルボキシル基やカルボキシエステル基の一部と、水やアルコールの脱離を伴うアミド結合を形成しているか、或いは重合体(A)中のイミド基の一部とその開環を伴う結合を形成していると考えられる。
例示をすると、ジアミン化合物(B)中のアミノ基の一部は、重合体(A)中のイミド基の一部と以下のような結合を形成していると考えられる。
Figure 0007351294000004
(Ar及びRは上記の式(1)で定義されたものであり、Xは4価の有機基であり、Yは2価の有機基である。)
理論に拘束されるものではないが、式(1)のHN-Ar-R-NHで表されるジアミン化合物(B)のうちのAr-NH(芳香族炭化水素基に結合しているアミン)は、求核性が弱く、反応性が低いため、R-NH(脂肪族炭化水素基に結合しているアミン)が優先的に重合体(A)と反応していると考えられる。例えば、4-アミノベンジルアミンの一部は、以下のようにポリイミドの一部と反応すると推測される。
Figure 0007351294000005
なお、本明細書において「芳香族炭化水素基」とは、芳香族炭化水素から水素原子n個を除いたn価の基を意味し、該芳香族炭化水素の具体例としては、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、フェナンスレン環、ピレン環、ペリレン環、テリレン環等が挙げられる。なお、上記nは、1~4の整数を表し、好ましくは、1又は2である。
本明細書において「脂肪族炭化水素基」とは、脂肪族炭化水素から水素原子n個を除いたn価の基を意味し、該脂肪族炭化水素の具体例としては、アルカン、アルケン、アルキン、及びシクロアルキル等が挙げられる。
<重合体(A)>
重合体(A)は、ジアミン成分とテトラカルボン酸成分とを反応させて得られるポリイミド前駆体、及びそれをイミド化して得られるポリイミドからなる群から選ばれる少なくとも1つである重合体である。重合体(A)は、好ましくは、ポリイミド前駆体をイミド化して得られるポリイミドであり、さらに好ましくは、可溶性ポリイミドである。
(テトラカルボン酸成分)
重合体(A)を得るためのテトラカルボン酸成分としては、テトラカルボン酸、テトラカルボン酸二無水物、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が挙げられ、本発明では、これらを総称してテトラカルボン酸成分ともいう。
テトラカルボン酸成分は、下記式(2)で表されるテトラカルボン酸二無水物が好ましい。
Figure 0007351294000006
式(2)において、Xは4価の有機基であり、具体例を挙げるならば、下記式(X-1)~(X-42)の構造が挙げられる。
Figure 0007351294000007
Figure 0007351294000008
Figure 0007351294000009
Figure 0007351294000010
式(X-1)において、R~Rは、それぞれ独立して水素原子、炭素数1~6のアルキル基、又はフェニル基であり、水素原子、又はメチル基がより好ましい。
テトラカルボン酸二無水物としては、なかでも、化合物の入手性の観点から、下記式(3)で表されるテトラカルボン酸二無水物であることが好ましい。
Figure 0007351294000011
(式(3)中、Xは上記式(X-1)~(X-14)からなる群から選ばれる少なくとも1種である。)
上記テトラカルボン酸成分は、得られる液晶配向膜の信頼性をさらに高めることができるため、(X-1)~(X-7)、又は(X-11)のような脂肪族炭化水素基のみからなる構造が好ましく、(X-1)、又は(X-5)~(X-6)で表される構造がより好ましい。
(ジアミン成分)
重合体(A)を得るためのジアミン成分は、下記式(4)で表されるジアミンを用いる。
Figure 0007351294000012
(式(4)において、Yは、2価の有機基である。)
前記重合体(A)を得るためのジアミン成分としては、例えば、分子内に特定側鎖を有するジアミン又は1級又は2級のアミノ基を2個有するジアミンが挙げられる。
(特定側鎖構造を有するジアミン)
本実施形態において、特定側鎖構造を有するジアミンは、例えば下記式[1]、[2]で表される。
Figure 0007351294000013
上記式[2]中、は単結合、-O-、-C(CH-、-NH-、-CO-、-NHCO-、-COO-、-(CH-、-SO-又はそれらの任意の組み合わせからなる2価の有機基を表す。なかでも、は、単結合、-O-、-NH-、-O-(CH-O-であるのが好ましい。「それらの任意の組み合わせ」として、-O-(CH-O-、-O-C(CH-、-CO-(CH-、-NH-(CH-、-SO-(CH-、-CONH-(CH-、-CONH-(CH-NHCO-、-COO-(CH-OCO-等が挙げられるが、これらに限定されない。mは1~8の整数である。
また、上記式[1]、[2]中、は、それぞれ独立して、式[S1]~[S3]で表される側鎖構造から選ばれる少なくとも1つを表す。式[S1]~[S3]で表される側鎖構造の詳細は後述する。
また、上記式[2]中、は、の位置からメタ位であってもオルト位であってもよいが、好ましくはオルト位がよい。すなわち、上記式[2]は、下記式[2’]であるのが好ましい。
Figure 0007351294000014
また、上記式[2]中、2つのアミノ基(-NH)の位置は、ベンゼン環上のいずれの位置であってもよいが、下記式[2]-a1~[2]-a3で表される位置が好ましく、下記式[2]-a1であるのがより好ましい。下記式中、は、上記式[2]における場合と同様である。なお、下記式[2]-a1~[2]-a3は、2つのアミノ基の位置を説明するものであり、上記式[2]中で表されていたの表記が省略されている。
Figure 0007351294000015
従って、上記式[2’]及び[2]-a1~[1]-a3に基づけば、上記式[2]は、下記式[2]-a1-1~[2]-a3-2から選ばれるいずれかの構造であるのが好ましく、下記式[2]-a1-1で表される構造がより好ましい。下記式中、及びは、それぞれ式[2]における場合と同様である。
Figure 0007351294000016
これらの上記式[2]で表される二側鎖ジアミンは、1種単独又は2種以上混合して用いることができる。液晶配向膜や液晶表示素子に要求される特性に応じて、1種単独か2種以上混合して用いるか、また、2種以上混合して用いる場合にはその割合等、適宜調整すればよい。
上記式[1]、[2]中、は下記式[S1]~[S3]で表される群から選ばれる特定側鎖構造を表している。以下、かかる特定側鎖構造について、式[S1]~[S3]の順に説明する。
特定側鎖構造の例として、下記式[S1]で表される特定側鎖構造を有するジアミンがある。
Figure 0007351294000017
上記式[S1]中、X及びXはそれぞれ独立して、単結合、-(CH-(aは1~15の整数である)、-CONH-、-NHCO-、-CON(CH)-、-NH-、-O-、-COO-、-OCO-又は-((CHa1-Qm1-を表す。このうち、複数のa1はそれぞれ独立して1~15の整数であり、複数のQはそれぞれ独立して酸素原子又は-COO-を表し、mは1~2である。
なかでも、原料の入手性や合成の容易さの点からの観点から、X及びXはそれぞれ独立して、単結合、-(CH-(aは1~15の整数である)、-O-、-CHO-又は-COO-が好ましい。より好ましいのは、X及びXはそれぞれ独立して、単結合、-(CH-(aは1~10の整数である)、-O-、-CHO-又は-COO-である。
また、上記式[S1]中、G及びGはそれぞれ独立して、炭素数6~12の2価の芳香族基又は炭素数3~8の2価の脂環式基から選ばれる2価の環状基を表す。該環状基上の任意の水素原子は、炭素数1~3のアルキル基、炭素数1~3のアルコキシル基、炭素数1~3のフッ素含有アルキル基、炭素数1~3のフッ素含有アルコキシル基又はフッ素原子で置換されていてもよい。m及びnはそれぞれ独立して、0~3の整数であって、m及びnの合計は1~4である。
また、上記式[S1]中、Rは炭素数1~20のアルキル、炭素数1~20のアルコキシ又は炭素数2~20のアルコキシアルキルを表し、Rを形成する任意の水素はフッ素で置換されていてもよい。このうち、炭素数6~12の2価の芳香族基の例としては、フェニレン、ビフェニレン、ナフタレン等が挙げられる。また、炭素数3~8の2価の脂環式基の例としては、シクロプロピレン、シクロヘキシレン等を挙げられる。
従って、上記式[S1]の好ましい具体例として、下記式[S1-x1]~[S1-x7]が挙げられるが、これらに限定されない。
Figure 0007351294000018
上記式[S1-x1]~[S1-x7]中、Rは、上記式[S1]の場合と同様である。Xは、-(CH-(aは1~15の整数である)、-CONH-、-NHCO-、-CON(CH)-、-NH-、-O-、-CHO-、-COO-又は-OCO-を表す。Aは、酸素原子又は-COO-*(「*」を付した結合手が(CHa2と結合する)を表す。Aは、酸素原子又は*-COO-(「*」を付した結合手が(CHa2と結合する)を表す。aは0又は1の整数であり、aは2~10の整数である。Cy、すなわちシクロヘキサン環の中に「Cy」と記載した基は、1,4-シクロへキシレン基又は1,4-フェニレン基を表す。
また、特定側鎖構造の例として、下記式[S2]で表される特定側鎖構造がある。
Figure 0007351294000019
上記式[S2]中、Xは単結合、-CONH-、-NHCO-、-CON(CH)-、-NH-、-O-、-CHO-、-COO-又は-OCO-を表す。なかでも液晶配向性の観点から、Xは-CONH-、-NHCO-、-O-、-CHO-、-COO-又は-OCO-が好ましい。Rは炭素数1~20のアルキル又は炭素数2~20のアルコキシアルキルを表し、Rを形成する任意の水素はフッ素で置換されていてもよい。なかでも液晶配向性の観点から、Rは炭素数3~20のアルキル又は炭素数2~20のアルコキシアルキルが好ましい。
更に、特定側鎖構造の例として、下記式[S3]で表される特定側鎖構造がある。
Figure 0007351294000020
上記式[S3]中、Xは-CONH-、-NHCO-、-O-、-COO-又は-OCO-を表す。Rはステロイド骨格を有する構造を表す。ここでのステロイド骨格は、3つの六員環及び1つの五員環が結合した下記式(st)で表される骨格を有する。
Figure 0007351294000021
上記式[S3]の例として下記式[S3-x]が挙げられるが、これに限定されない。
Figure 0007351294000022
上記式[S3-x]中、Xは、上記式[X1]又は[X2]を表す。また、Colは、上記式[Col1]~[Col3]からなる群から選ばれる少なくとも1種を表し、Gは、上記式[G1]~[G4]からなる群から選ばれる少なくとも1種を表す。*は他の基に結合する部位を表す。
上記式[S3-x]における、X、Col及びGの好ましい組み合わせの例としては式[X1]と式[Col1]及び[G2]の組合せ、式[X1]と式[Col2]及び[G2]の組合せ、式[X2]と式[Col1]及び[G2]の組合せ、式[X2]と式[Col2]及び[G2]の組合せ、式[X1]と式[Col3]及び[G1]の組合せが挙げられる。
また、上記式[S3]の具体的としては、日本特開平4-281427号公報の段落[0024]に記載のステロイド化合物から水酸基(ヒドロキシ基)を除いた構造、同公報の段落[0030]に記載のステロイド化合物から酸クロライド基を除いた構造、同公報の段落[0038]に記載のステロイド化合物からアミノ基を除いた構造、同公報の段落[0042]にステロイド化合物からハロゲン基を除いた構造、及び日本特開平8-146421の段落[0018]~[0022]に記載の構造等が挙げられる。
これらの上記式[S1]~[S3]で表される特定側鎖構造を有するジアミンは、1種単独又は2種以上混合して用いることができる。液晶配向膜や液晶表示素子に要求される特性に応じて、1種単独か2種以上混合して用いるか、また、2種以上混合して用いる場合にはその割合等、適宜調整すればよい。
このように、本発明のジアミン成分は、上記式(1)で表される構造を有するジアミンと、上記式[S1]~[S3]で表される群から選ばれる特定側鎖構造を有する少なくとも1種のジアミンと、を含有せしめたジアミンである。
このうち、上記式[S1]~[S3]で表される群から選ばれる側鎖構造を有するジアミンとしては、例えば、それぞれ下記式[1-S1]~[1-S3]、[2-S1]~[2-S3]の構造を有するジアミンが挙げられる。
Figure 0007351294000023
Figure 0007351294000024
上記式[1-S1]、[2-S1]中、X、X、G、G、R、m及びnは、上記式[S1]における場合と同様である。上記式[1-S2]、[2-S2]中、X及びRは、上記式[S2]における場合と同様である。上記式[1-S3]、[2-S3]中、X及びRは、上記式[S3]における場合と同様である。
このうち上記式[1-S1]~[1-S3]で表されるジアミンとしては、例えば、以下に示すような具体的な構造を上げることができるが、これに限定されるものではない。
Figure 0007351294000025
Figure 0007351294000026
上記式[2-S1]~[2-S3]で表されるジアミンとしては、例えば、以下に示すような具体的な構造を上げることができるが、これに限定されるものではない。
Figure 0007351294000027
(その他のジアミン:光反応性側鎖を有するジアミン)
本実施形態のジアミン成分は、その他のジアミンとして、光反応性側鎖を有するジアミンを含有してもよい。ジアミン成分が、光反応性側鎖を有するジアミンを含有することで、特定重合体やそれ以外の重合体に、光反応性側鎖を導入できるようになる。
光反応性側鎖を有するジアミンとしては、例えば、下記式[VIII]又は[IX]で表されるものが挙げられるが、これらに限定されない。
Figure 0007351294000028
上記式[VIII]及び[IX]中、2つのアミノ基(-NH)の位置は、ベンゼン環上のいずれの位置であってもよく、例えば、側鎖の結合基に対し、ベンゼン環上の2,3の位置、2,4の位置、2,5の位置、2,6の位置、3,4の位置又は3,5の位置が挙げられる。ポリアミック酸を合成する際の反応性の点からは、2,4の位置、2,5の位置又は3,5の位置が好ましい。ジアミンを合成する際の容易性の点も加味すると、2,4の位置又は3,5の位置がより好ましい。
また、上記式[VIII]中、Rは単結合、-CH-、-O-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、-NH-、-CHO-、-N(CH)-、-CON(CH)-又は-N(CH)CO-を表す。特に、Rは単結合、-O-、-COO-、-NHCO-又は-CONH-であるのが好ましい。
また、上記式[VIII]中、Rは、単結合又はフッ素原子で置換されていてもよい炭素数1~20のアルキレン基を表す。ここでのアルキレン基の-CH-は、-CF-又は-CH=CH-で任意に置換されていてもよく、次のいずれかの基が互いに隣り合わない場合、これらの基に置換されていてもよい;-O-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、-NH-、二価の炭素環又は複素環。なお、この二価の炭素環又は複素環は、具体的には下記式(1a)のものを例示することができるが、これに限定されない。
Figure 0007351294000029
また、上記式[VIII]中、Rは、通常の有機合成的手法で形成させることができるが、合成の容易性の点からは、単結合又は炭素数1~12のアルキレン基が好ましい。
また、上記式[VIII]中、R10は、下記式(1b)からなる群から選択される光反応性基を表す。なかでも、R10は、光反応性の点から、メタクリル基、アクリル基又はビニル基が好ましい。
Figure 0007351294000030
また、上記式[IX]中、Yは、-CH-、-O-、-CONH-、-NHCO-、-COO-、-OCO-、-NH-又は-CO-を表す。Yは、炭素数1~30のアルキレン基、二価の炭素環又は複素環を表す。ここでのアルキレン基、二価の炭素環または複素環における、1つ又は複数の水素原子は、フッ素原子又は有機基で置換されていてもよい。Yは、次の基が互いに隣り合わない場合、-CH-がこれらの基に置換されていてもよい;-O-、-NHCO-、-CONH-、-COO-、-OCO-、-NH-、-NHCONH-、-CO-。
また、上記式[IX]中、Yは、-CH-、-O-、-CONH-、-NHCO-、-COO-、-OCO-、-NH-、-CO-又は単結合を表す。Yはシンナモイル基を表す。Yは単結合、炭素数1~30のアルキレン基、二価の炭素環又は複素環を表す。ここでのアルキレン基、二価の炭素環または複素環における、1つ又は複数の水素原子は、フッ素原子又は有機基で置換されていてもよい。Yは、次の基が互いに隣り合わない場合、-CH-がこれらの基に置換されていてもよい;-O-、-NHCO-、-CONH-、-COO-、-OCO-、-NH-、-NHCONH-、-CO-。Yはアクリル基又はメタクリル基等の光重合性基を表す。
このような上記式[VIII]又は[IX]で表される光反応性側鎖を有するジアミンの具体例としては、下記式(1c)が挙げられるが、これに限定されない。
Figure 0007351294000031
上記式(1c)中、X及びX10は、それぞれ独立に、単結合、-O-、-COO-、-NHCO-又は-NH-である結合基を表す。Yは、フッ素原子で置換されていてもよい炭素数1~20のアルキレン基を表す。
光反応性側鎖を有するジアミンとしては、下記式[VII]のジアミンも挙げられる。式[VII]のジアミンは、ラジカル発生構造を有する部位を側鎖に有している。ラジカル発生構造においては、紫外線照射により分解しラジカルが発生する。
Figure 0007351294000032
上記式[VII]中、Arはフェニレン、ナフチレン及びビフェニレンからなる群から選ばれる少なくとも1種の芳香族炭化水素基を表し、それらの環の水素原子はハロゲン原子に置換されていてもよい。カルボニルが結合しているArは、紫外線の吸収波長に関与するため、長波長化する場合、ナフチレンやビフェニレンのような共役長の長い構造が好ましい。一方、Arがナフチレンやビフェニレンのような構造になると、溶解性が悪くなる場合があり、この場合、合成の難易度が高くなる。紫外線の波長が250nm~380nmの範囲であればフェニル基でも十分な特性が得られるため、Arはフェニル基が最も好ましい。
上記Arにおいて、芳香族炭化水素基には置換基が設けられていてもよい。ここでの置換基の例としては、アルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、アミノ基等、電子供与性の有機基が好ましい。
また、上記式[VII]中、R1及びRは、それぞれ独立して、炭素原子数1~10のアルキル基、アルコキシ基、ベンジル基又はフェネチル基を表す。アルキル基やアルコキシ基の場合、R及びRにより環が形成されていてもよい。
また、上記式[VII]中、T及びTは、それぞれ独立して、単結合、-O-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、-NH-、-CHO-、-N(CH)-、-CON(CH)-又は-N(CH)CO-の結合基を表す。
また、式[VII]中、Sは単結合、非置換又はフッ素原子によって置換されている炭素原子数1~20のアルキレン基を表す。ここでのアルキレン基の-CH-又は-CF-は、-CH=CH-で任意に置換されていてもよく、次に挙げるいずれかの基が互いに隣り合わない場合、これらの基に置換されていてもよい;-O-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、-NH-、二価の炭素環、二価の複素環。
また、式[VII]中、Qは、下記式(1d)から選ばれる構造を表す。
Figure 0007351294000033
上記式(1d)中、Rは水素原子又は炭素原子数1~4のアルキル基を表す。Rは、-CH-、-NR-、-O-、又は-S-を表す。
また、上記式[VII]中、Qは、電子供与性の有機基が好ましく、上記Arの例でも挙げたような、アルキル基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、アミノ基等が好ましい。Qがアミノ誘導体の場合、ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸の重合の際に、発生するカルボン酸基とアミノ基が塩を形成するなどの不具合が生じる可能性があるため、ヒドロキシル基又はアルコキシ基がより好ましい。
また、上記式[VII]中、2つのアミノ基(-NH)の位置は、o-フェニレンジアミン、m-フェニレンジアミン又はp-フェニレンジアミンのいずれでもよいが、酸二無水物との反応性の点では、m-フェニレンジアミン又はp-フェニレンジアミンが好ましい。
従って、上記式[VII]の好ましい具体的としては、合成の容易さ、汎用性の高さ、特性等の点から、下記式が挙げられる。なお、下記式中、nは2~8の整数である。
Figure 0007351294000034
これらの上記式[VII]、[VIII]又は[IX]で表される光反応性側鎖を有するジアミンは、1種単独又は2種以上混合して用いることができる。液晶配向膜とした際の液晶配向性、プレチルト角、電圧保持特性、蓄積電荷等の特性、液晶表示素子とした際の液晶の応答速度等に応じて、1種単独か2種以上混合して用いるか、また、2種以上混合して用いる場合にはその割合等、適宜調整すればよい。
本実施形態において、ジアミン成分に光反応性側鎖ジアミンが含まれる場合、該光反応性側鎖ジアミンは、全ジアミン成分の10~70モル%が好ましく、10~60モル%がより好ましい。
(その他のジアミン:上記以外のジアミン)
重合体(A)を得るためのジアミン成分に含まれていてもよいその他のジアミンは、上記光反応性側鎖を有するジアミン等に限定されない。上記光反応性側鎖を有するジアミン以外のその他のジアミンの例としては、下記式[2]で表されるものが挙げられる。
Figure 0007351294000035
上記式[2]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のアルキニル基を表す。なかでも、モノマーの反応性の点から、A及びAは、水素原子又はメチル基が好ましい。また、Yの構造を例示すると、下記式(Y-1)~(Y-160)、(Y162)~(Y-168)及び(Y-170)~(Y-174)が挙げられる。
Figure 0007351294000036
Figure 0007351294000037
Figure 0007351294000038
Figure 0007351294000039
Figure 0007351294000040
Figure 0007351294000041
Figure 0007351294000042
Figure 0007351294000043
Figure 0007351294000044
Figure 0007351294000045
Figure 0007351294000046
Figure 0007351294000047
Figure 0007351294000048
Figure 0007351294000049
Figure 0007351294000050
Figure 0007351294000051
Figure 0007351294000052
Figure 0007351294000053
Figure 0007351294000054
Figure 0007351294000055
上記式中、特にnの範囲の記載が無いものについては、nは1~6の整数である。また、上記式中、Meはメチル基を表す。
Figure 0007351294000056
Figure 0007351294000057
上記式中、Bocは、tert-ブトキシカルボニル基を表す。
(ポリイミド前駆体の製造)
本発明に用いられるポリイミド前駆体は、ジアミン成分とテトラカルボン酸成分とを公知の方法に従って反応させて得られる。
本発明に用いられるポリイミド前駆体は、好ましくは、式(5)で表される構造単位を有する。
Figure 0007351294000058
(式中、Xは上記の式(2)で定義されたものであり、Yは上記の式(4)で定義されたものである。)
ポリイミド前駆体は、例えば、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、モノマー及び重合体の溶解性から、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチル-2-ピロリドン、γ-ブチロラクトンなどが好ましく、これらは1種又は2種以上を混合して用いてもよい。
反応系における重合体の濃度は、重合体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イミド前駆体(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、重合体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、2-プロパノール、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、水、メタノール、エタノール、2-プロパノールなどが好ましい。
(ポリイミドの製造)
本発明に用いられるポリイミドは、前記のポリイミド前駆体を閉環させて得られるポリイミドである。アミド酸基の閉環率(イミド化率ともいう)は必ずしも100%である必要はなく、用途や目的に応じて調整することができる。
本発明に用いられるポリイミドは、好ましくは、式(6)で表される構造単位を有する。
Figure 0007351294000059
(式中、Xは上記の式(2)で定義されたものであり、Yは上記の式(4)で定義されたものである。)
ポリイミド前駆体からポリイミドを製造する場合、前記ポリイミド前駆体の溶液に触媒を添加する化学的イミド化が好ましい。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、イミド化させたい重合体を、有機溶媒中において、塩基性触媒と酸無水物の存在下で攪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を挙げることができる。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ので好ましい。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等を挙げることができ、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。
イミド化反応を行うときの温度は、-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、ポリアミック酸基の0.5~30倍モル、好ましくは2~20倍モルであり、酸無水物の量は、ポリアミック酸基の1~50倍モル、好ましくは3~30倍モルである。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。
ポリイミド前駆体の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、以下に述べる手段により、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、本発明の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、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、精製された重合体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、2-プロパノール、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、メタノール、エタノール、2-プロパノール、アセトンなどが好ましい。
<ジアミン化合物(B)>
ジアミン化合物(B)は、下記の式(1)で表されるジアミン化合物である。
Figure 0007351294000060
上記式(1)中、Arは、非置換若しくは置換されている炭素数6~18の2価の芳香族炭化水素基であり、好ましくは、フェニレン基又はナフチレン基である。
Arが有していてもよい置換基としては、アミノ基以外であれば、特に限定されないが、例えば、スルホ基、スルファモイル基、シアノ基、イソシアノ基、チオシアナト基、イソチオシアナト基、ニトロ基、ニトロシル基、ハロゲン原子、ヒドロキシ基、リン酸基、リン酸エステル基、メルカプト基、アミド基、アルコキシ基、アリールオキシ基、カルボキシ基、カルバモイル基、アシル基、アルデヒド基、カルボニル基等が挙げられる。
式(1]中、Rは、非置換若しくは置換されている、炭素数1~6のアルキレン基、炭素数2~6のアルケニレン基、炭素数2~6のアルキニレン基、炭素数3~10のシクロアルキレン基、又は炭素数3~10のシクロアルケニレン基である。Rは、好ましくは、炭素数1~6のアルキレン基である。
Rが有していてもよい置換基としては、アミノ基以外であれば、特に限定されないが、例えば、スルホ基、スルファモイル基、シアノ基、イソシアノ基、チオシアナト基、イソチオシアナト基、ニトロ基、ニトロシル基、ハロゲン原子、ヒドロキシ基、リン酸基、リン酸エステル基、メルカプト基、アミド基、アルコキシ基、アリールオキシ基、カルボキシ基、カルバモイル基、アシル基、アルデヒド基、カルボニル基等が挙げられる。
ジアミン化合物(B)の具体例として、以下のジアミンA1~A3及びA7~A11が挙げられる。ジアミン化合物(B)は、好ましくは、A1~A3のジアミンである。
Figure 0007351294000061
<液晶配向剤>
本発明の液晶配向剤における、ジアミン化合物(B)の含有量は、重合体(A)100質量部に対して、1質量部~50質量部であることが好ましく、2~30質量部であることがより好ましく、5~10質量部であることが特に好ましい。
液晶配向剤に含有される有機溶媒は、重合体成分が均一に溶解するものであれば特に限定されない。その具体例を挙げるならば、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジエチルホルムアミド、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、N-メチルカプロラクタム、2-ピロリドン、N-ビニル-2-ピロリドン、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、γ-ブチロラクトン、1,3-ジメチル-イミダゾリジノン、3-メトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミド等を挙げることができる。これらは1種又は2種以上を混合して用いてもよい。また、単独では重合体成分を均一に溶解できない溶媒であっても、重合体が析出しない範囲であれば、上記の有機溶媒に混合してもよい。
液晶配向剤は、前記の有機溶媒の他に、液晶配向剤を基板へ塗布する際の塗膜均一性を向上させるための溶媒を含有してもよい。かかる溶媒は、一般的に上記有機溶媒よりも低表面張力の溶媒が用いられる。その具体例としては、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、エチレングリコール、1-メトキシ-2-プロパノール、1-エトキシ-2-プロパノール、1-ブトキシ-2-プロパノール、1-フェノキシ-2-プロパノール、プロピレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールジアセテート、プロピレングリコール-1-モノメチルエーテル-2-アセテート、プロピレングリコール-1-モノエチルエーテル-2-アセテート、ブチルセロソルブアセテート、ジプロピレングリコール、2-(2-エトキシプロポキシ)プロパノール、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等が挙げられる。これらの溶媒は2種上を併用してもよい。
液晶配向剤には、重合体(A)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アミック酸の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。
重合体(A)とジアミン化合物(B)の一部又は全部とは反応していても良い。
重合体(A)とジアミン化合物(B)とを反応させる際の重合体(A)及びジアミン化合物(B)の使用量は、特に限定されないが、重合体(A)の100質量部に対して、ジアミン化合物(B)を1質量部~50質量部が好ましく、2~30質量部がより好ましく、5~10質量部が特に好ましい。
重合体(A)とジアミン化合物(B)との反応は、通常、溶媒の存在下で行う。その際に用いる溶媒は、好ましくは、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、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、ポリイミド前駆体の溶媒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、又は4-ヒドロキシ-4-メチル-2-ペンタノンを用いることができる。これらの溶媒は単独で用いても、これらのうちの2種類以上を混合して用いても良い。
重合体(A)とジアミン化合物(B)とを反応させる際の反応温度は、0~150℃が好ましく、0~120℃がより好ましく、20~70℃が特に好ましい。また、反応時間は、反応温度によっても異なるが、典型的には、1~50時間が好ましく、2~40時間がより好ましく、5~20時間が特に好ましい。
重合体(A)とジアミン化合物(B)とを溶媒中で反応させる方法として、ジアミン化合物(B)を有機溶媒に分散あるいは溶解させた溶液を攪拌させ、重合体(A)をそのまま、又は有機溶媒に分散あるいは溶解させて添加する方法;重合体(A)を有機溶媒に分散あるいは溶解させた溶液を攪拌させ、ジアミン化合物(B)をそのまま、又は有機溶媒に分散あるいは溶解させて添加する方法;及び重合体(A)とジアミン化合物(B)とを交互に添加する方法などが挙げられる。また、重合体(A)又はジアミン化合物(B)が複数種の化合物からなる場合は、これら複数種の化合物をあらかじめ混合した状態で反応させてもよく、個別に順次反応させてもよい。
重合体(A)とジアミン化合物(B)との反応溶液に、必要に応じて、有機溶媒や添加物などを加えることによって、本発明の液晶配向剤を製造してもよい。加えられる溶媒や添加物については、上記と同様である。また、本発明の液晶配向剤は、重合体(A)とジアミン化合物(B)とを反応させて得ても良い。
<液晶配向膜及び液晶表示素子>
本発明の液晶配向剤は、基板上に塗布し、焼成して得られる被膜を、ラビング処理や光照射処理などで配向処理をし、又は垂直配向用途などでは配向処理無しで液晶配向膜として用いることができる。この際、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、アクリル基板、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できる。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。
液晶配向剤の基板への塗布方法は、特に限定されないが、工業的には、スクリーン印刷、オフセット印刷、フレキソ印刷、インクジェットなどの方法で行うが一般的である。その他の塗布方法としては、ディップ、ロールコーター、スリットコーター、スピンナーなどがあり、目的に応じてこれらを用いてもよい。
液晶配向剤を基板上に塗布した後の焼成は、ホットプレートなどの加熱手段により50~300℃、好ましくは80~250℃で行い、溶媒を蒸発させて、塗膜を形成させることができる。上記のように、重合体(A)とジアミン化合物(B)とが反応していない場合には、ジアミン化合物(B)中のアミノ基の一部は、焼成工程の間に、重合体(A)中のカルボキシル基やカルボキシエステル基の一部と、水やアルコールの脱離を伴うアミド結合を形成するか、或いは重合体(A)中のイミド基の一部とその開環を伴う結合を形成すると考えられる。
焼成後に形成される塗膜の厚みは、厚すぎると液晶表示素子の消費電力の面で不利となり、薄すぎると液晶表示素子の信頼性が低下する場合があるので、好ましくは5~300nm、より好ましくは10~100nmである。液晶を水平配向や傾斜配向させる場合は、焼成後の塗膜をラビング処理又は偏光紫外線照射などで処理する。
本発明の液晶表示素子は、上記した手法により液晶配向剤から液晶配向膜付き基板を得た後、公知の方法で液晶セルを作製し、液晶表示素子としたものである。このような本発明の液晶表示素子としては、ツイストネマティック(TN)方式、垂直配向(VA)方式や、水平配向(IPS)方式等、種々のものが挙げられる。本発明の液晶表示素子は、好ましくは、狭額縁の液晶表示素子である。
液晶セルの製造方法は特に限定されないが、一例を挙げるならば、液晶配向膜が形成された1対の基板を、液晶配向膜面を内側にして、直径が好ましくは1~30μm、より好ましくは2~10μmのスペーサーを挟んで設置した後、周囲をシール剤で固定し、液晶を注入して封止する方法が一般的である。
液晶封入の方法については特に制限されず、作製した液晶セル内を減圧にした後で液晶を注入する真空法、液晶を滴下した後で封止を行う滴下法などが例示できる。
以下に実施例を挙げ、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらに限定して解釈されるものではない。使用した化合物の略語は、以下の通りである。
<添加化合物として用いたジアミン化合物及びアミン化合物>
Figure 0007351294000062
<ポリイミドの合成に用いたジアミン成分>
Figure 0007351294000063
<テトラカルボン酸成分>
Figure 0007351294000064
<溶媒>
NMP:N-メチル-2-ピロリドン
BCS:エチレングリコールモノブチルエーテル
GBL:γ-ブチルラクトン
<分子量測定>
ポリイミド前駆体及びポリイミドの分子量は、常温ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)装置(GPC-101)(昭和電工社製)、及びカラム(KD-803,KD-805)(Shodex社製)を用いて、以下のようにして測定した。
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(リットル)、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:TSK 標準ポリエチレンオキサイド(分子量;約900,000、150,000、100,000及び30,000)(東ソー社製)及びポリエチレングリコール(分子量;約12,000、4,000及び1,000)(ポリマーラボラトリー社製)。
<ポリイミドのイミド化率の測定>
ポリイミド粉末20mgをNMR(核磁気共鳴)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質量%TMS(テトラメチルシラン)混合品)(0.53ml)を添加し、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、9.5~10.0ppm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はポリアミック酸(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。
<粘度測定>
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。
<ポリイミド系重合体の合成>
(合成例1)
B1(8.33g,42.0mmol)、B2(6.85g,18.0mmol)、及びC2(7.51g,30.0mmol)をNMP(83.9g)中で混合し、60℃で3時間反応させた後、C1(5.29g,27.0mmol)、及びNMP(28.0g)を加え、40℃で3時間反応させ、ポリアミック酸溶液(樹脂固形分濃度:20質量%、粘度:852mPa・s)を得た。
得られたポリアミック酸溶液(130.0g)に、NMPを加え6.5質量%に希釈した後、イミド化触媒として無水酢酸(27.88g)及びピリジン(8.64g)を加え、50℃で3時間反応させた。この反応溶液をメタノール(1750ml)中に投入し、得られた沈殿物を濾別した。この沈殿物をメタノールで洗浄し、100℃で減圧乾燥しポリイミド粉末(1)を得た。このポリイミドのイミド化率は52.1%であり、Mnは12,322であり、Mwは44,438であった。
(合成例2)
B3(10.65g,70mmol)、B4(13.04g,30mmol)、及びC2(18.77g,75mmol)をNMP(94.8g)中で混合し、80℃で5時間反応させた後、C1(4.90g,25.0mmol)、及びNMP(19.6g)を加え、40℃で6時間反応させ、ポリアミック酸溶液(樹脂固形分濃度:20質量%、粘度:600mPa・s)を得た。
得られたポリアミック酸溶液(200.0g)に、NMPを加え6.5質量%に希釈した後、イミド化触媒として無水酢酸(43.1g)及びピリジン(13.4g)を加え、100℃で3時間反応させた。この反応溶液をメタノール(2350ml)中に投入し、得られた沈殿物を濾別した。この沈殿物をメタノールで洗浄し、100℃で減圧乾燥しポリイミド粉末(2)を得た。このポリイミドのイミド化率は81.3%であり、Mnは11,436であり、Mwは43,753であった。
(合成例3)
B2(22.83g,60mmol)、B5(12.98g,120mmol)、B6(30.16g,120mmol)、及びC2(37.53g,150mmol)をNMP(309g)とGBL(102g)の混合溶媒中で混合し、60℃で3時間反応させた後、C1(29.42g,150mmol)、及びNMP(150g)を加え、40℃で6時間反応させ、ポリアミック酸溶液(樹脂固形分濃度:20質量%、粘度:722mPa・s)を得た。
得られたポリアミック酸溶液(200.0g)に、NMPを加え6.5質量%に希釈した後、イミド化触媒として無水酢酸(46.1g)及びピリジン(14.3g)を加え、50℃で3時間反応させた。この反応溶液をメタノール(2365ml)中に投入し、得られた沈殿物を濾別した。この沈殿物をメタノールで洗浄し、100℃で減圧乾燥しポリイミド粉末(3)を得た。このポリイミドのイミド化率は51.3%であり、Mnは11,846であり、Mwは44,284であった。
(合成例4)
B1(4.85g,24.5mmol)、B8(3.32g,14.0mmol)、B7(10.6g,14.0mmol)、B9(5.78g,17.5mmol)、及びC3(15.4,68.6mmol)をNMP(159g)中で混合し、60℃で15時間反応させ、ポリアミック酸溶液(樹脂固形分濃度:20質量%、粘度:624mPa・s)を得た。
得られたポリアミック酸溶液(100g)に、NMPを加え6.5質量%に希釈した後、イミド化触媒として無水酢酸(23.1g)及びピリジン(7.15g)を加え、100℃で3時間反応させた。この反応溶液をメタノール(1180ml)中に投入し、得られた沈殿物を濾別した。この沈殿物をメタノールで洗浄し、100℃で減圧乾燥しポリイミド粉末(4)を得た。このポリイミドのイミド化率は65.3%であり、Mnは15,865であり、Mwは42,674であった。
Figure 0007351294000065
<液晶配向剤の調製>
実施例及び比較例では、液晶配向剤の調製例を記載する。実施例及び比較例で得られた液晶配向剤を用い、液晶表示素子の作製、及び各種評価を行った。
(実施例1)
合成例1で得られたポリイミド粉末(1)(3.0g)にNMP(22.0g)を加えて、70℃にて24時間撹拌して溶解させた。室温まで放冷した後、ジアミン化合物としてジアミンA1をポリイミドの固形分量の10質量%相当量(0.3g)を加えて、50℃にて15時間加熱撹拌した。この溶液に、NMP(5.0g)とBCS(20.0g)を加えて、室温で3時間撹拌して、液晶配向剤(V-1)を得た。
(実施例2、3)
実施例1において、ジアミンA1の代わりにジアミンA2、A3を加えたこと以外は実施例1と同様にして、それぞれ、液晶配向剤(V-2)、(V-3)を得た。
(実施例4)
実施例1において、ジアミンA1(0.3g)を加えた後の温度及び撹拌時間を23℃(室温)にて15時間撹拌としたこと以外は実施例1と同様にして、液晶配向剤(V-4)を得た。
(実施例5、6)
実施例4において、ジアミンA1の代わりにジアミンA2、A3を加えたこと以外は実施例4と同様にして、それぞれ、液晶配向剤(V-5)、(V-6)を得た。
(実施例7)
合成例2で得られたポリイミド粉末(2)(3.0g)にNMP(22.0g)加えて、70℃にて24時間撹拌して溶解させた。室温まで放冷した後、添加化合物としてジアミンA1をポリイミドの固形分量の5質量%相当量(0.15g)を加えて、50℃にて15時間加熱撹拌した。この溶液に、NMP(5.0g)とBCS(20.0g)を加えて、室温で3時間撹拌して、液晶配向剤(V-14)を得た。
(実施例8、9)
実施例7において、ジアミンA1の代わりにジアミンA2、A3を加えたこと以外は実施例7と同様にして、それぞれ、液晶配向剤(V-15)、(V-16)を得た。
(実施例10)
実施例7において、ジアミンA1(0.3g)を加えた後の温度及び撹拌時間を23℃(室温)にて15時間撹拌としたこと以外は実施例7と同様にして、液晶配向剤(V-17)を得た。
(実施例11、12)
実施例10において、ジアミンA1の代わりにジアミンA2、A3としたこと以外は実施例10と同様にして、それぞれ、液晶配向剤(V-18)、(V-19)を得た。
(実施例13)
合成例3で得られたポリイミド粉末(3)(3.0g)にNMP(22.0g)加えて、70℃にて24時間撹拌して溶解させた。室温まで放冷した後、添加化合物としてジアミンA1をポリイミドの固形分量の5質量%相当量(0.15g)を加えて、50℃にて15時間加熱撹拌した。この溶液に、NMP(5.0g)とBCS(20.0g)を加えて、室温で3時間撹拌して、液晶配向剤(V-27)を得た。
(実施例14、15)
実施例13において、ジアミンA1の代わりにジアミンA2、A3を加えたこと以外は実施例13と同様にして、それぞれ、液晶配向剤(V-28)、(V-29)を得た。
(実施例16)
実施例13において、ジアミンA1(0.3g)を加えた後の温度及び撹拌時間を23℃(室温)にて15時間撹拌としたこと以外は実施例7と同様にして、液晶配向剤(V-30)を得た。
(実施例17、18)
実施例16において、ジアミンA1の代わりにジアミンA2、A3を加えたこと以外は実施例16と同様にして、それぞれ、液晶配向剤(V-31)、(V-32)を得た。
(実施例19)
合成例4で得られたポリイミド粉末(4)(3.0g)にNMP(22.0g)加え70℃にて24時間撹拌して溶解させた。室温まで放冷した後、添加化合物としてジアミンA1をポリイミドの固形分量の5質量%相当量(0.15g)を加え50℃にて15時間加熱撹拌した。この溶液に、NMP(5.0g)とBCS(20.0g)を室温で3時間撹拌して、液晶配向剤(V-41)を得た。
(実施例20、21)
実施例19において、添加化合物をジアミンA2、A3とした以外は実施例19と同様にして、それぞれ、液晶配向剤(V-42)、(V-43)を得た。
(比較例1~3)
実施例1において、ジアミンA1の代わりにジアミンA4、A5、アミンA6を加えたこと以外は実施例1と同様にして、それぞれ、液晶配向剤(V-7)~(V-9)を得た。
(比較例4~6)
実施例4にて、ジアミンA1の代わりにジアミンA4、A5、アミンA6を加えたこと以外は実施例4と同様にして、それぞれ、液晶配向剤(V-10)~(V-12)を得た。
(比較例7~9)
実施例7にて、ジアミンA1の代わりにジアミンA4、A5、アミンA6を加えたこと以外は実施例7と同様にして、それぞれ、液晶配向剤(V-20)~(V-22)を得た。
(比較例10~12)
実施例10にて、ジアミンA1の代わりにジアミンA4、A5、アミンA6を加えたこと以外は実施例10と同様にして、それぞれ、液晶配向剤(V-23)~(V-25)を得た。
(比較例13~15)
実施例13にて、ジアミンA1の代わりにジアミンA4、A5、アミンA6を加えたこと以外は実施例13と同様にして、それぞれ、液晶配向剤(V-33)~(V-35)を得た。
(比較例16~18)
実施例16にて、ジアミンA1の代わりにジアミンA4、A5、アミンA6を加えたこと以外は実施例16と同様にして、それぞれ、液晶配向剤(V-36)~(V-38)を得た。
(比較例19)
実施例1にて、ジアミンA1を加えないこと以外は実施例1と同様にして、液晶配向剤(V-13)を得た。
(比較例20)
実施例7にて、ジアミンA1を加えないこと以外は実施例7と同様にして、液晶配向剤(V-26)を得た。
(比較例21)
実施例13にて、ジアミンA1を加えないこと以外は実施例13と同様にして、液晶配向剤(V-39)を得た。
上記実施例1~21、比較例1~21で得られた各液晶配向剤の仕様を下記表2-1、2-2にまとめて示す。なお、これら実施例1~21、比較例1~21で得られた液晶配向剤には、いずれも、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。
Figure 0007351294000066
Figure 0007351294000067
<電圧保持率測定用液晶表示素子の作製>
実施例で得られた液晶配向剤(V-1)~(V-6)、(V-14)~(V-19)、(V-27)~(V-32)及び比較例で得られた液晶配向剤(V-7)~(V-13)、(V-20)~(V-26)、(V-33)~(V-39)、(V-40)~(V-42)を、細孔径1μmのメンブランフィルタで加圧濾過した。得られた溶液を純水及びIPA(イソプロピルアルコール)で洗浄した40mm×30mmのITO電極付きガラス基板(縦:40mm、横:30mm、厚さ:1.1mm)のITO面上にスピンコートし、ホットプレート上にて70℃で90秒間、熱循環型クリーンオーブンにて230℃で20分間の加熱処理をして、膜厚が100nmの液晶配向膜付きのITO基板を得た。得られた液晶配向膜付きのITO基板を2枚用意し、その一方の基板の液晶配向膜面に、直径4μmのビーズスペーサー(日揮触媒化成社製、真絲球、SW-D1)を塗布した。
次に、シール剤(三井化学社製XN-1500T)で周囲を塗布した。次いで、もう一方の基板の液晶配向膜が形成された側の面を内側にして、先の基板と張り合わせた後、シール材を硬化させて空セルを作成した。この空セルに液晶MLC-3023(メルク社製)を減圧注入法によって注入し、液晶セルを作製した。
その後、得られた液晶セルに15Vの直流電圧を印加した状態で、光源に高圧水銀ランプを使用した紫外線照射装置を用いて、波長365nmのバンドパスフィルターを通した紫外線を10J/cm照射して、垂直配向型液晶表示素子を得た。なお、紫外線照射量の測定にはORC社製UV-M03AにUV-35の受光器を接続し用いた。
<電圧保持率の評価>
上記で作製した電圧保持率評価用の液晶表示素子に、1Vの電圧を60マイクロ秒の印加時間、1667ミリ秒の間隔で印加した後、印加解除から1667ミリ秒後の電圧保持率(%)を測定した(初期値)。測定装置は東陽テクニカ製VHR-1を使用した。評価結果を、表3に示す。
更に、作製した電圧保持率測定用液晶表示素子を温度85℃湿度85%下で144時間、または288時間保管した後の電圧保持率を測定した(過酷条件)。
<シール密着性評価用サンプル作製>
密着性評価のサンプルは、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実施例で得られた液晶配向剤(V-1)~(V-6)、(V-14)~(V-19)、(V-27)~(V-32)及び比較例で得られた液晶配向剤(V-7)~(V-13)、(V-20)~(V-26)、(V-33)~(V-39)、(V-40)~(V-42)を塗布した。70℃のホットプレート上で90秒間乾燥させた後、230℃の熱風循環式オーブンで20分間焼成を行い、膜厚100nmの塗膜を形成させ液晶配向膜付き基板を得た。
このようにして得られた2枚の基板を用意し、一方の基板の液晶配向膜面上に直径4μmビーズスペーサーを塗布した後、シール剤(協立化学社製XN-1500T)を滴下した。次いで、他方の基板の液晶配向膜面を内側にし、基板の周囲の重なり幅が各1cmになるように、貼り合わせを行った。その際、貼り合わせ後のシール剤の直径が3mmとなるようにシール剤の滴下量を調整した。貼り合わせた2枚の基板をクリップにて固定した後、150℃1時間熱硬化させて、密着性評価用のサンプルを作製した。
<密着性の評価>
その後、上記で得られたサンプル基板を島津製作所社製の卓上形精密万能試験機AGS-X 500Nにて、上下基板の端の部分を固定した後、基板中央部の上部から押し込みを行い、剥離する際の力(N)を測定した。結果を表3-1、3-2に示す。
Figure 0007351294000068
Figure 0007351294000069
上記の結果からわかるように、ジアミン化合物A1~A3を加えた液晶配向剤から得られる液晶配向膜を用いた液晶表示素子は、ジアミン化合物A4~A5又はアミン化合物A6を加えた液晶配向剤から得られる液晶配向膜を用いた液晶表示素子よりも電圧保持率が上昇し、また過酷条件下で保管しても電圧保持率の低下を抑制できることが分かった。具体的には、表3に示す実施例1~6と比較例1~6並びに19との比較、実施例7~12と比較例7~12並びに20との比較、及び実施例13~18と比較例13~18並びに21との比較において示されている。
さらに、密着性評価においても、ジアミン化合物A1~A3を加えた液晶配向剤から得られる液晶配向膜を用いた液晶表示素子は、ジアミン化合物A4~A5又はアミン化合物A6を加えた液晶配向処理剤から得られる液晶配向膜を用いた液晶表示素子よりも高い密着性を示すことが分かった。具体的には、表3に示す実施例1~6と比較例1~6並びに19との比較、実施例7~12と比較例7~12並びに20との比較、及び実施例13~18と比較例13~18並びに21との比較において示されている。
本発明の液晶配向剤から得られる液晶配向膜を用いた液晶表示素子は、液晶表示素子に、好適に用いることができる。そして、これらの素子は、表示を目的とする液晶ディスプレイ、さらには、光の透過と遮断を制御する調光窓や光シャッターなどにおいても有用である。
なお、2018年3月30日に出願された日本特許出願2018-068659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. ジアミン成分(但し、下記式(1)で表されるジアミン化合物(B)を含有する場合を除く。)とテトラカルボン酸成分とを反応させて得られるポリイミド前駆体、及びそれをイミド化して得られるポリイミドからなる群から選ばれる少なくとも1つである重合体(A)と、下記式(1)で表されるジアミン化合物(B)とを含有し、該ジアミン化合物(B)の含有量が前記重合体(A)100質量部に対して5~30質量部であることを特徴とする液晶配向剤。
    Figure 0007351294000070
    (式中、Arは、非置換若しくは置換されている炭素数6~18の2価の芳香族炭化水素基であり、Rは、非置換若しくは置換されている、炭素数1~6のアルキレン基、炭素数2~6のアルケニレン基、炭素数2~6のアルキニレン基、炭素数3~10のシクロアルキレン基、又は炭素数3~10のシクロアルケニレン基である。)
  2. 前記ジアミン成分が、下記式[1-S1]若しくは[1-S3]の構造を有するジアミン化合物、又は下記式[2]で表されるジアミン化合物を含有する、請求項1に記載の液晶配向剤。
    Figure 0007351294000071
    (式[1-S1]中、X 、X 、G 、G 、R 、m及びnは、下記式[S1]における定義と同じである。式[1-S3]中、X 及びR は、下記式[S3]における定義と同じである。)
    Figure 0007351294000072
    (式[2]中、Xは、単結合、-O-、-C(CH-、-NH-、-CO-、-NHCO-、-COO-、-(CH-、-SO-又はそれらの任意の組み合わせからなる2価の有機基を表す。mは1~8の整数である。
    式[2]中、Yは、それぞれ独立して、下式[S1]~[S3]で表される側鎖構造から選ばれる基を表す。
    Figure 0007351294000073
    (式[S1]中、X及びXは、それぞれ独立して、単結合、-(CH-(aは1~15の整数である)、-CONH-、-NHCO-、-CON(CH)-、-NH-、-O-、-COO-、-OCO-又は-((CHa1-Qm1-を表す。複数のa1は、それぞれ独立して、1~15の整数であり、複数のQは、それぞれ独立して、-O-又は-COO-を表し、mは1~2である。
    及びGは、それぞれ独立して、炭素数6~12の2価の芳香族基又は炭素数3~8の2価の脂環式基から選ばれる2価の環状基を表し、該環状基上の任意の水素原子は、炭素数1~3のアルキル基、炭素数1~3のアルコキシル基、炭素数1~3のフッ素含有アルキル基、炭素数1~3のフッ素含有アルコキシル基、又はフッ素原子で置換されていてもよい。
    は炭素数1~20のアルキル基、炭素数1~20のアルコキシ基又は炭素数2~20のアルコキシアルキル基を表し、Rを形成する任意の水素はフッ素で置換されていてもよい。
    m及びnは、それぞれ独立して、0~3の整数であって、m及びnの合計は1~4である。)
    Figure 0007351294000074
    (式[S2]中、Xは単結合、-CONH-、-NHCO-、-CON(CH)-、-NH-、-O-、-CHO-、-COO-又は-OCO-を表す。Rは炭素数1~20のアルキル基又は炭素数2~20のアルコキシアルキル基を表し、Rを形成する任意の水素はフッ素で置換されていてもよい。)
    Figure 0007351294000075
    (式[S3]中、Xは-CONH-、-NHCO-、-O-、-COO-又は-OCO-を表す。Rはステロイド骨格を有する構造を表す。))
  3. 重合体(A)の100質量部に対して、ジアミン化合物(B)を5~10質量部含有する、請求項1又は2に記載の液晶配向剤。
  4. 重合体(A)とジアミン化合物(B)の一部とが反応している、請求項1~3のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  5. 上記式(1)において、Arがフェニレン基又はナフチレン基である、請求項1~のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  6. 上記式(1)において、Rが炭素数1~6のアルキレン基である、請求項1~5のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  7. 前記ジアミン化合物(B)が下記のA1~A3及びA7のいずれかの式で表されるジアミンである、請求項1~6のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
    Figure 0007351294000076
  8. 前記重合体(A)が可溶性ポリイミドである、請求項1~7のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  9. 前記液晶配向剤に含まれる有機溶媒が、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジエチルホルムアミド、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、N-メチルカプロラクタム、2-ピロリドン、N-ビニル-2-ピロリドン、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、γ-ブチロラクトン、1,3-ジメチル-イミダゾリジノン、及び3-メトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミドからなる群から選ばれる1種又は2種以上である、請求項1~8のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  10. 狭額縁の液晶表示素子製造用である、請求項1~9のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  11. 請求項1~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11に記載の液晶配向膜を具備する、液晶表示素子。
  13. 狭額縁の液晶表示素子である、請求項12に記載の液晶表示素子。
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