JP7363891B2 - 膜形成用組成物、硬化膜及び位相差フィルム - Google Patents

膜形成用組成物、硬化膜及び位相差フィルム Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、2019年4月10日に出願された日本特許出願番号2019-75178号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
本開示は、膜形成用組成物、硬化膜及び位相差フィルムに関する。
液晶ディスプレイ(LCD)には、様々な光学材料が用いられている。例えば、液晶ディスプレイが備える位相差フィルムは、液晶層の着色による補償や視野角による位相差の変化の補償等を目的として使用されている。また近年、液晶表示装置に対する更なる高性能化の要求を満たすべく、光学材料に関する技術が種々提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1には、シンナモイル基の-COO-の酸素原子にアルコキシアルキル基が結合した構造を側鎖に有する高分子化合物を含有する重合体組成物が開示されている。この特許文献1に記載の組成物によれば、優れた光反応効率を示すとともに、高感度で重合性液晶を配向させることが可能な配向材とすることができる旨記載されている。
国際公開第2016/143860号
光学フィルムに用いられる有機膜は、製造工程時の変質や品質の劣化を防ぐために耐溶剤性を有していることが求められている。また近年では、大画面で高精細な液晶テレビが主体となり、またスマートフォンやタブレットPC等といった小型の表示端末の普及が進み、液晶素子に対する高品質化の要求は従来よりも高まっている。このため、液晶配向特性により優れた有機膜を形成することが可能な材料が求められている。
また、調製後の重合体組成物において、保存安定性不良により粘度上昇等の問題が生じると、形成した有機膜において所望の配向特性や塗布特性が得られず、製品歩留まりが低下する等の不都合が生じることが懸念される。
本開示は上記事情に鑑みてなされたものであり、溶剤耐性及び液晶配向性に優れた有機膜を形成できるとともに、保存安定性に優れた膜形成用組成物を提供することを主たる目的とする。
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討し、シンナメート構造と保護カルボキシル基とがスペーサ構造を介して結合された特定部分構造を有する重合体を膜形成用組成物に含有させることにより、上記課題を解決できることを見出した。具体的には、本開示によれば以下の手段が提供される。
[1]下記式(1)で表される部分構造を有する重合体[P]を含有する、膜形成用組成物。
Figure 0007363891000001
(式(1)中、Yは、下記式(2-1)又は式(2-2)で表される2価の基であり、Yは、炭素数1以上の2価の有機基である。Rは水素原子又は炭素数1~10のアルキル基であり、R及びRは、Rが水素原子若しくは炭素数1~10のアルキル基であり、かつRが「-OR」(ただし、Rは炭素数1~10の1価の炭化水素基である。)若しくは炭素数1~10の1価の炭化水素基であるか、又は、RとRとが互いに合わせられて、R及びRが結合する炭素原子と共に構成される環構造を表す。「*」は結合手であることを表す。)
Figure 0007363891000002
(式(2-1)及び式(2-2)中、Z及びZは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基又は炭素数1~6の1価の有機基である。X~Xは、それぞれ独立に、水素原子又は置換基である。「*」及び「*」は結合手であることを示す。ただし、「*」がYに結合する。)
[2]上記[1]の膜形成用組成物を用いて形成された硬化膜。
[3]上記[1]の膜形成用組成物を用いて形成された液晶配向膜。
[4]上記[2]の硬化膜又は上記[3]の液晶配向膜を備える位相差フィルム。
本開示によれば、溶剤耐性及び液晶配向性に優れた有機膜を形成することができる。また、保存安定性に優れた膜形成用組成物とすることができる。
≪膜形成用組成物≫
本開示の膜形成用組成物は、重合体成分が、好ましくは溶剤に溶解されてなる重合体組成物である。以下に、膜形成用組成物に含まれる各成分、及び必要に応じて任意に配合されるその他の成分について説明する。
なお、本明細書において「炭化水素基」とは、鎖状炭化水素基、脂環式炭化水素基及び芳香族炭化水素基を含む意味である。「鎖状炭化水素基」とは、主鎖に環状構造を含まず、鎖状構造のみで構成された直鎖状炭化水素基及び分岐状炭化水素基を意味する。ただし、飽和でも不飽和でもよい。「脂環式炭化水素基」とは、環構造としては脂環式炭化水素の構造のみを含み、芳香環構造を含まない炭化水素基を意味する。ただし、脂環式炭化水素の構造のみで構成されている必要はなく、その一部に鎖状構造を有するものも含む。「芳香族炭化水素基」とは、環構造として芳香環構造を含む炭化水素基を意味する。ただし、芳香環構造のみで構成されている必要はなく、その一部に鎖状構造や脂環式炭化水素の構造を含んでいてもよい。
「m価の脂環式基」(ただし、mは1以上の整数。以下同じ。)とは、置換又は無置換の脂肪族環の環部分からm個の水素原子を取り除いた基を意味する。「m価の芳香環基」とは、置換又は無置換の芳香環の環部分からm個の水素原子を取り除いた基を意味する。「m価の複素環基」とは、置換又は無置換の複素環の環部分からm個の水素原子を取り除いた基を意味する。
≪重合体成分≫
膜形成用組成物は、上記式(1)で表される部分構造を有する重合体[P]を含有する。上記式(1)において、Yは、シンナメート構造を有する2価の基であり、上記式(2-1)又は式(2-2)で表される。上記式(2-1)及び式(2-2)中、Z及びZのハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等が挙げられ、好ましくはフッ素原子である。炭素数1~6の1価の有機基としては、アルキル基、シクロヘキシル基、フェニル基等が挙げられる。当該1価の有機基は、好ましくは炭素数1~3のアルキル基であり、より好ましくはメチル基である。光反応性をより高くできる点で、Z及びZは、水素原子、フッ素原子、シアノ基又は炭素数1~3のアルキル基であることが好ましく、Zが水素原子であって、Zが、水素原子、フッ素原子、シアノ基又は炭素数1~3のアルキル基であることがより好ましい。
~Xが置換基である場合、その具体例としては、ハロゲン原子、シアノ基、水酸基、アミノ基、炭素数1~6のアルキル基等が挙げられる。X~Xのうち置換基である基の数は、0~2個が好ましく、0個又は1個がより好ましい。光反応性をより高くする観点から、X~Xは、これらのうち、好ましくは水素原子、フッ素原子、シアノ基、アミノ基又は炭素数1~3のアルキル基であり、より好ましくは水素原子又はメチル基である。
、Rが炭素数1~10のアルキル基である場合、当該アルキル基は直鎖状でも分岐状でもよい。R、R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、sec-ブチル基、n-ブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、n-ペンチル基、sec-ペンチル基、n-ヘキシル基等が挙げられる。Rは、膜形成時の加熱(ポストベーク)による脱離性が良好な点、及び脱離した基に由来する化合物が膜中に残存しにくい点で、これらのうち、水素原子又は炭素数1~5のアルキル基が好ましく、水素原子又は炭素数1~3のアルキル基がより好ましく、水素原子又はメチル基が更に好ましい。Rが水素原子又は炭素数1~10のアルキル基である場合、これらのうち、水素原子又は炭素数1~3のアルキル基が好ましく、水素原子又はメチル基がより好ましく、水素原子が更に好ましい。
が炭素数1~10の1価の炭化水素基である場合、その具体例としては、アルキル基、アルケニル基等の鎖状炭化水素基;シクロアルキル基、アルキルシクロアルキル基等の脂環式炭化水素基;フェニル基、アルキルフェニル基、フェニルアルキル基等の芳香族炭化水素基、等が挙げられる。Rが炭素数1~10の1価の炭化水素基である場合、これらのうち、炭素数1~5のアルキル基又はフェニル基が好ましく、メチル基がより好ましい。
が「-OR」(ただし、Rは炭素数1~10の1価の炭化水素基である。)である場合の具体例としては、Rが炭素数1~10の1価の炭化水素基である場合の具体例として例示した基に酸素原子が結合した1価の基が挙げられる。Rが「-OR」である場合、これらのうち、炭素数1~5のアルコキシ基又はフェニルオキシ基が好ましく、メトキシ基、エトキシ基又はフェニルオキシ基がより好ましい。
とRとが互いに合わせられて、R及びRが結合する炭素原子と共に構成される環構造としては、テトラヒドロフラニル基、テトラヒドロピラニル基等の環状エーテル基が挙げられる。
及びRは、脱離によりカルボキシル基をより生成しやすい点で、Rが水素原子若しくは炭素数1~10のアルキル基であり、かつRが「-OR」であるか、又は、RとRとが互いに合わせられて、R及びRが結合する炭素原子と共に構成される環構造を表すことが好ましく、Rが水素原子若しくは炭素数1~10のアルキル基であって、かつRが「-OR」であることがより好ましい。
について、炭素数1以上の2価の有機基としては、例えば、炭素数1~20の2価の炭化水素基、炭化水素基が有する少なくとも1個のメチレン基が、酸素原子、硫黄原子、-CO-、-COO-、-CONH-、-NH-等のヘテロ原子含有基によって置き換えられた炭素数3~20の2価の基、炭化水素基の少なくとも1個の水素原子が、ハロゲン原子、シアノ基等の置換基によって置換された炭素数3~20の2価の基、複素環構造を有する炭素数5~20の2価の基等が挙げられる。これらのうち、Yは、得られる硬化膜の液晶配向規制力をより高くできる点で、下記式(3)で表される2価の基であることが好ましい。
Figure 0007363891000003
(式(3)中、X、X及びXは、それぞれ独立に、単結合、-COO-、-OCO-、-COS-、-SCO-、-O-、-NR-、-S-、-CONR-又は-NRCO-であり、Rは、水素原子又は炭素数1~6の1価の炭化水素基である。A及びAは、それぞれ独立に、炭素数1~12の2価の炭化水素基、炭素数1~12の炭化水素基の水素原子がハロゲン原子で置換された2価の基、又は2価の複素環基である。nは0~3の整数である。「*」は結合手であることを表す。)
上記式(3)において、A及びAの2価の炭化水素基は、炭素数1~10のアルカンジイル基、炭素数6~12の置換又は無置換のシクロヘキシレン基、又は炭素数6~12の置換又は無置換の2価の芳香族炭化水素環基であることが好ましい。芳香族炭化水素環基は、フェニレン基又はナフタニレン基であることが好ましい。シクロヘキシレン基又は芳香族炭化水素環基が有する置換基としては、ハロゲン原子(好ましくはフッ素原子)、シアノ基、炭素数1~3のアルキル基等が挙げられる。A及びAが炭素数1~10のアルカンジイル基である場合、直鎖状であることが好ましく、炭素数2~6の直鎖状のアルカンジイルであることがより好ましい。
及びAが2価の複素環基である場合、窒素含有複素環基であることが好ましく、その具体例としては、ピリジンジイル基、ピリミジンジイル基等が挙げられる。
が炭素数1~6の1価の炭化水素基である場合、好ましくは、炭素数1~3のアルキル基である。nは、0~2が好ましく、0又は1がより好ましい。
上記式(1)中のYは、重合体[P]の光感度をより高くできる点で、上記式(2-1)及び式(2-2)中の酸素原子が芳香環基に結合していることが好ましい。すなわち、Yが、上記式(2-1)で表される基である場合、上記式(3)中のXが単結合であって、かつAが置換又は無置換の2価の芳香環基であることが好ましい。この場合、Aが置換又は無置換のフェニレン基であることが、重合体[P]の光感度をより高くできる点で好ましい。また、上記式(1)で表される部分構造中のYが、上記式(2-2)で表される基である場合、Yの結合手は、置換又は無置換の芳香環基に結合していることが好ましく、置換又は無置換のフェニレン基に結合していることがより好ましい。ここでの置換基は、好ましくはフッ素原子又はメチル基である。
上記式(1)で表される部分構造の好ましい具体例としては、下記式(1-1)~式(1-51)のそれぞれで表される部分構造等が挙げられる。なお、下記式(1-1)~式(1-51)中、「*」は結合手であることを表す。
Figure 0007363891000004
Figure 0007363891000005
Figure 0007363891000006
Figure 0007363891000007
Figure 0007363891000008
Figure 0007363891000009
Figure 0007363891000010
Figure 0007363891000011
Figure 0007363891000012
Figure 0007363891000013
上記式(1)で表される部分構造は、得られる硬化膜の液晶配向性をより良好にできる点で、上記のうち、式(1-16)~式(1-18)、式(1-20)、式(1-22)~式(1-29)、式(1-32)、式(1-34)~式(1-44)、式(1-47)、式(1-48)及び式(1-50)のそれぞれで表される部分構造が好ましい。また、得られる硬化膜の液晶配向性に加え、重合体[P]の溶解性をより高くできる点で、上記のうち、式(1-24)、式(1-25)、式(1-28)、式(1-29)、式(1-34)、式(1-36)、式(1-37)、式(1-40)、式(1-41)及び式(1-43)のそれぞれで表される部分構造であることが更に好ましい。
重合体[P]が有する、上記式(1)で表される部分構造の割合は、液晶配向性及び耐溶剤性の改善効果を十分に得る観点から、重合体[P]の合成に使用するモノマー全量に対して、1~80モル%であることが好ましい。上記式(1)で表される部分構造の割合は、重合体[P]の合成に使用するモノマー全量に対して、より好ましくは3モル%以上であり、更に好ましくは5モル%以上である。また、上記式(1)で表される部分構造の割合は、重合体[P]の合成に使用するモノマー全量に対して、より好ましくは70モル%以下であり、更に好ましくは65モル%以下である。なお、重合体[P]は、上記式(1)で表される部分構造を1種のみ有していてもよいし、2種以上を有していてもよい。
重合体[P]は、架橋性基を側鎖部分に有していることが好ましい。架橋性基は、光又は熱によって同一又は異なる分子間に共有結合を形成可能な基であることが好ましく、例えば(メタ)アクリル酸又はその誘導体を基本骨格とする(メタ)アクリル含有基、ビニル基を有する基(アルケニル基、ビニルフェニル基、ビニルエーテル基等)、エチニル基、エポキシ基(オキシラニル基、オキセタニル基)、水酸基、アミノ基等が挙げられる。架橋性基は、これらのうち、カルボキシル基と反応して架橋構造を形成可能な基が好ましく、膜形成用組成物の保存安定性をより高くできる点で、エポキシ基が特に好ましい。
架橋性基は、架橋反応が十分に行われるようにするために、2価の連結基を介して重合体の主鎖に結合していることが好ましい。当該2価の連結基としては、炭素数1~10のアルカンジイル基、炭素数1~10のアルカンジイル基と-COO-とが結合した基、炭素数1~10のアルカンジイル基の炭素-炭素結合間に-O-を有する基等が挙げられる。
重合体[P]における架橋性基の含有割合は、重合体[P]の合成に使用するモノマー全量に対して、1~65モル%であることが好ましい。1モル%以上とすることにより、溶剤耐性の改善効果をより高くすることができる点で好適であり、65モル%以下とすることにより、重合体[P]が有する配向性基の量を十分に多くできる点で好適である。架橋性基の含有割合は、重合体[P]の合成に使用するモノマー全量に対して、より好ましくは5モル%以上であり、更に好ましくは10モル%以上である。また、架橋性基の含有割合は、重合体[P]の合成に使用するモノマー全量に対して、より好ましくは60モル%以下であり、更に好ましくは55モル%以下である。なお、重合体[P]は、架橋性基を1種単独で有していてもよいし、2種以上有していてもよい。
重合体[P]は、上記式(1)で表される部分構造を有する限りその主鎖は特に限定されない。重合体[P]としては、例えばポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、ポリオルガノシロキサン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾオキサゾール前駆体、ポリベンゾオキサゾール、セルロース誘導体、ポリアセタール、炭素-炭素不飽和結合を有する単量体を用いて得られる重合体(以下、「重合体(Q)」ともいう。)等を主骨格とする重合体が挙げられる。これらのうち、位相差フィルム用の硬化膜(液晶配向膜)とする場合、液晶との親和性及び機械的強度の観点から、重合体[P]は、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、重合体(Q)及びポリオルガノシロキサンよりなる群から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。
<ポリアミック酸>
ポリアミック酸は、テトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物とを反応させることにより得ることができる。上記式(1)で表される部分構造を有するポリアミック酸(以下「ポリアミック酸[P]」ともいう。)を得る場合、モノマーの選択の自由度が高い点で、上記式(1)で表される部分構造を有するジアミン(以下「特定ジアミン」ともいう。)を含むジアミン化合物と、テトラカルボン酸二無水物とをモノマーに用いた重合により行うことが好ましい。
(テトラカルボン酸二無水物)
ポリアミック酸の合成に使用す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等が挙げられる。これらの具体例としては、脂肪族テトラカルボン酸二無水物として、例えば1,2,3,4-ブタンテトラカルボン酸二無水物等を;
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、1,3-ジメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、2,3,5-トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物、5-(2,5-ジオキソテトラヒドロフラン-3-イル)-3a,4,5,9b-テトラヒドロナフト[1,2-c]フラン-1,3-ジオン、5-(2,5-ジオキソテトラヒドロフラン-3-イル)-8-メチル-3a,4,5,9b-テトラヒドロナフト[1,2-c]フラン-1,3-ジオン、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、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物等を;芳香族テトラカルボン酸二無水物として、例えばピロメリット酸二無水物、4,4’-(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物、エチレングリコールビスアンヒドロトリメート、4,4’-(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物、4,4’-カルボニルジフタル酸無水物、p-フェニレンビス(トリメリット酸モノエステル無水物)、プロパン-1,3-ビス(1,3-ジオキソ-1,3-ジヒドロイソベンゾフラン-5-カルボキシレート)等を;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。なお、テトラカルボン酸二無水物としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上組み合わせて使用してもよい。
(ジアミン化合物)
特定ジアミンは、上記式(1)で表される部分構造を有する限り、その構造は特に限定されないが、上記式(1)で表される部分構造を重合体側鎖に導入可能な構造を有するジアミンであることが好ましい。特定ジアミンの好ましい具体例としては、下記式(2)で表される化合物が挙げられる。
Figure 0007363891000014
(式(2)中、Lは、単結合又は2価の連結基であり、tは0又は1である。ただし、t=0の場合、Yは上記式(2-1)で表される基であって、かつX~Xの少なくともいずれかは1級アミノ基である。Y、Y、R、R及びRは、上記式(1)と同義である。)
上記式(2)において、Lが2価の連結基である場合、その具体例としては、炭素数1~10の2価の炭化水素基、炭素数1~10の2価の炭化水素基と-CO-、-COO-又は-CONH-とが結合した基、炭素数1~10の2価の炭化水素基の炭素-炭素結合間に-O-を有する基等が挙げられる。Y、Y、R、R及びRについての説明及び好ましい例については、上記式(1)で表される部分構造の説明が適用される。式(2)中のジアミノフェニル基は、他の基(上記式(1)で表される部分構造を有する1価の基)に対して、2,4-位又は3,5-位に結合していることが好ましい。
特定ジアミンの好ましい具体例としては、例えば、上記式(1-1)~式(1-51)のそれぞれで表される部分構造と、ジアミノフェニル基とがL(単結合又は2価の連結基)を介して結合したジアミン化合物が挙げられる。なお、特定ジアミンとしては、これらのうちの1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
ポリアミック酸[P]の合成に際しては、ジアミン化合物として特定ジアミンのみを用いてもよいが、上記式(1)で表される部分構造を有さないジアミン(以下「その他のジアミン」ともいう。)を併用してもよい。その他のジアミンとしては、脂肪族ジアミン、脂環式ジアミン、芳香族ジアミン、ジアミノオルガノシロキサン等が挙げられる。これらジアミンの具体例としては、脂肪族ジアミンとして、例えば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等を;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)等を;
芳香族ジアミンとして、例えば、ドデカノキシ-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、ペンタデカノキシ-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、2,4-ジアミノ-N,N-ジアリルアニリン、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、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、3,5-ジアミノ安息香酸=5ξ-コレスタン-3-イル、下記式(E-1)
Figure 0007363891000015
(式(E-1)中、XI及びXIIは、それぞれ独立に、単結合、-O-、*-COO-又は*-OCO-(ただし、「*」はXとの結合手を示す。)であり、Rは炭素数1~3のアルカンジイル基であり、RIIは単結合又は炭素数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、dは0又は1である。但し、a及びbが同時に0になることはない。)
で表される化合物等の側鎖型ジアミン:
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、4-アミノフェニル-4-アミノベンゾエート、4,4’-ジアミノアゾベンゼン、3,5-ジアミノ安息香酸、1,5-ビス(4-アミノフェノキシ)ペンタン、1,2-ビス(4-アミノフェノキシ)エタン、1,3-ビス(4-アミノフェノキシ)プロパン、1,4-ビス(4-アミノフェノキシ)ブタン、1,5-ビス(4-アミノフェノキシ)ペンタン、1,6-ビス(4-アミノフェノキシ)ヘキサン、1,7-ビス(4-アミノフェノキシ)ヘプタン、1,10-ビス(4-アミノフェノキシ)デカン、1,2-ビス(4-アミノフェニル)エタン、1,5-ビス(4-アミノフェニル)ペンタン、1,6-ビス(4-アミノフェニル)ヘキサン、1,4-ビス(4-アミノフェニルスルファニル)ブタン、ビス[2-(4-アミノフェニル)エチル]ヘキサン二酸、N,N-ビス(4-アミノフェニル)メチルアミン、2,6-ジアミノピリジン、1,4-ビス-(4-アミノフェニル)-ピペラジン、N,N’-ビス(4-アミノフェニル)-ベンジジン、2,2’-ジメチル-4,4’-ジアミノビフェニル、2,2’-ビス(トリフルオロメチル)-4,4’-ジアミノビフェニル、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、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’-(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、4,4’-[4,4’-プロパン-1,3-ジイルビス(ピペリジン-1,4-ジイル)]ジアニリン、4,4’-ジアミノベンズアニリド、4,4’-ジアミノスチルベンゼン、4,4’-ジアミノジフェニルアミン、1,3-ビス(4-アミノフェネチル)ウレア、1,3-ビス(4-アミノベンジル)ウレア、1,4-ビス(4-アミノフェニル)-ピペラジン、N-(4-アミノフェニルエチル)-N-メチルアミン、N,N’-ビス(4-アミノフェニル)-N,N’-ジメチルベンジジン等の主鎖型ジアミン等を;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等を、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。なお、その他のジアミンとしては、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用できる。
(ポリアミック酸の合成)
ポリアミック酸は、上記のようなテトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物とを、必要に応じて分子量調整剤とともに反応させることにより得ることができる。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化合物との使用割合は、ジアミン化合物のアミノ基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い。特定ジアミンの使用割合は、ポリアミック酸[P]が有する上記式(1)で表される部分構造が上記好ましい範囲になるようにすることが好ましい。分子量調整剤としては、例えば無水マレイン酸、無水フタル酸、無水イタコン酸等の酸一無水物、アニリン、シクロヘキシルアミン、n-ブチルアミン等のモノアミン化合物、フェニルイソシアネート、ナフチルイソシアネートなどのモノイソシアネート化合物等が挙げられる。分子量調整剤の使用割合は、使用するテトラカルボン酸二無水物及びジアミン化合物の合計100質量部に対して、20質量部以下とすることが好ましい。
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行われる。このときの反応温度は-20℃~150℃が好ましく、反応時間は0.1~24時間が好ましい。反応に使用する有機溶媒としては、例えば非プロトン性極性溶媒、フェノール系溶媒、アルコール、ケトン、エステル、エーテル、ハロゲン化炭化水素、炭化水素などを挙げることができる。特に好ましい有機溶媒は、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、m-クレゾール、キシレノール及びハロゲン化フェノールよりなる群から選択される1種以上を溶媒として使用するか、あるいはこれらの1種以上と、他の有機溶媒(例えばブチルセロソルブ、ジエチレングリコールジエチルエーテルなど)との混合物を使用することが好ましい。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質量%になる量とすることが好ましい。ポリアミック酸を溶解してなる反応溶液はそのまま液晶配向剤の調製に供してもよく、反応溶液中に含まれるポリアミック酸を単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。
<ポリアミック酸エステル>
ポリアミック酸エステルは、例えば、[I]上記合成反応により得られたポリアミック酸[P]とエステル化剤とを反応させる方法、[II]テトラカルボン酸ジエステルと、特定ジアミンを含むジアミン化合物とを反応させる方法、[III]テトラカルボン酸ジエステルジハロゲン化物と、特定ジアミンを含むジアミン化合物とを反応させる方法、等によって得ることができる。液晶配向剤に含有させるポリアミック酸エステルは、アミック酸エステル構造のみを有していてもよく、アミック酸構造とアミック酸エステル構造とが併存する部分エステル化物であってもよい。なお、ポリアミック酸エステルを溶解してなる反応溶液は、そのまま液晶配向剤の調製に供してもよく、反応溶液中に含まれるポリアミック酸エステルを単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。
<ポリイミド>
ポリイミドは、例えば、ポリアミック酸[P]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。ポリイミドは、その前駆体であるポリアミック酸[P]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とが併存する部分イミド化物であってもよい。ポリイミドは、そのイミド化率が20~99%であることが好ましく、30~90%であることがより好ましい。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。ここで、イミド環の一部がイソイミド環であってもよい。
ポリアミック酸[P]の脱水閉環は、好ましくはポリアミック酸[P]を有機溶媒に溶解し、この溶液中に脱水剤及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等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[P]のアミック酸構造の1モルに対し、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、トリエチルアミン等の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[P]の合成に用いられるものとして例示した有機溶媒が挙げられる。脱水閉環反応の反応温度は、好ましくは0~180℃であり、反応時間は、好ましくは1.0~120時間である。ポリイミドを含有する反応溶液は、そのまま液晶配向剤の調製に供してもよく、ポリイミドを単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。ポリイミドは、ポリアミック酸エステルのイミド化により得ることもできる。
<ポリオルガノシロキサン>
上記式(1)で表される部分構造を有するポリオルガノシロキサン(以下「ポリシロキサン[P]」ともいう。)は、例えば、加水分解性のシラン化合物を加水分解・縮合することにより得ることができる。重合に際し使用するシラン化合物としては、上記式(1)で表される部分構造を有するシラン化合物(以下「特定シラン化合物」ともいう。)、上記式(1)で表される部分構造を有さないシラン化合物(以下「その他のシラン化合物」ともいう。)が挙げられ、これらを組み合わせて使用することが好ましい。
特定シラン化合物は、上記式(1)で表される部分構造を有する限り、その構造は特に限定されない。特定シラン化合物の好ましい具体例としては、下記式(5)で表されるシラン化合物が挙げられる。
Figure 0007363891000016
(式(5)中、R及びRは、それぞれ独立に炭素数1~6の1価の炭化水素基であり、Lは単結合又は2価の連結基である。rは1~3の整数である。Y、Y、R、R及びRは、上記式(1)と同義である。)
上記式(5)において、Lが2価の連結基である場合、その具体例としては、上記式(2)中のLの説明が適用される。Y、Y、R、R及びRについての説明及び好ましい例については、上記式(1)で表される部分構造の説明が適用される。式(5)中のrは、反応を十分に進行させて分子量が比較的大きい重合体を得る観点から、2又は3が好ましい。
特定シラン化合物の好ましい具体例としては、上記式(1-1)~式(1-51)のそれぞれで表される部分構造と、アルコキシシリル基のケイ素原子とがL(単結合又は2価の連結基)を介して結合したシラン化合物等が挙げられる。なお、特定シラン化合物としては、これらのうちの1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
その他のシラン化合物としては、例えば、テトラメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、3-メルカプトプロピルトリエトキシシラン、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、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-エチル-3-オキセタニル)エチルトリメトキシシラン、〔(3-エチル-3-オキセタニル)メトキシ〕プロピ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、トリメトキシシリルプロピルコハク酸無水物等を挙げることができる。その他のシラン化合物としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。「(メタ)アクリロキシ」は、「アクリロキシ」及び「メタクリロキシ」を含む意味である。
加水分解・縮合反応は、シラン化合物の1種又は2種以上と水とを、好ましくは適当な触媒及び有機溶媒の存在下で反応させることにより行う。特定シラン化合物の使用割合は、ポリシロキサン[P]が有する上記式(1)で表される部分構造が上記好ましい範囲になるようにすることが好ましい。
反応に際し、水の使用割合は、シラン化合物(合計量)1モルに対して、好ましくは1~30モルである。使用する触媒としては、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。触媒の使用量は、触媒の種類、温度などの反応条件などにより異なるが、例えばシラン化合物の合計量に対して0.01~3倍モルである。使用す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、アルコールなどが挙げられ、非水溶性又は難水溶性の有機溶媒を用いることが好ましい。有機溶媒の使用割合は、反応に使用するシラン化合物の合計100質量部に対して、好ましくは10~10,000質量部である。
上記反応は、油浴などにより加熱して実施することが好ましい。その際、加熱温度を130℃以下とすることが好ましく、加熱時間を0.5~12時間とすることが好ましい。反応終了後において、反応液から分取した有機溶媒層を、必要に応じて乾燥剤で乾燥した後、溶媒を除去することによりポリオルガノシロキサンが得られる。なお、ポリオルガノシロキサンの合成方法は、上記の加水分解・縮合反応に限らず、例えば加水分解性シラン化合物をシュウ酸及びアルコールの存在下で反応させる方法としてもよい。また、上記式(1)で表される部分構造を側鎖に有するポリオルガノシロキサンを得る方法としては、特定シラン化合物を用いて重合する方法のほか、例えば、モノマーの少なくとも一部をエポキシ基含有シラン化合物として、エポキシ基を側鎖に有するポリオルガノシロキサンを合成し、次いでエポキシ基含有ポリオルガノシロキサンと、上記式(1)で表される部分構造を有するカルボン酸とを反応させることによりポリシロキサン[P]を得る方法としてもよい。
<重合体(Q)>
重合体(Q)を構成する炭素-炭素不飽和結合を有する単量体としては、例えば、(メタ)アクリロイル基、ビニル基、ビニルフェニル基、マレイミド基等を有する化合物が挙げられる。なお、「マレイミド基」とは、マレイミドが有する-NH-の水素原子を取り除いた1価の基である。炭素-炭素不飽和結合を有する単量体としては、上記式(1)で表される部分構造を有する化合物(以下「特定不飽和結合含有化合物」ともいう。)、上記式(1)で表される部分構造を有さない化合物(以下「その他の不飽和結合含有化合物」ともいう。)が挙げられ、これらを組み合わせて使用することが好ましい。
特定不飽和結合含有化合物は、上記式(1)で表される部分構造を有する限り、その構造は特に限定されない。特定不飽和結合含有化合物の好ましい具体例としては、下記式(4)で表される化合物が挙げられる。
Figure 0007363891000017
(式(4)中、Zは、(メタ)アクリロイルオキシ基、(メタ)アクリロイルアミノ基、ビニル基、ビニルフェニル基又はマレイミド基であり、Lは単結合又は2価の連結基である。Y、Y、R、R及びRは、上記式(1)と同義である。)
上記式(4)において、Lが2価の連結基である場合、その具体例としては、上記式(2)中のLの説明が適用される。Y、Y、R、R及びRについての説明及び好ましい例については、上記式(1)で表される部分構造の説明が適用される。
特定不飽和結合含有化合物の好ましい具体例としては、上記式(1-1)~式(1-51)のそれぞれで表される部分構造とZとがL(単結合又は2価の連結基)を介して結合した化合物が挙げられる。なお、特定不飽和結合含有化合物としては、これらのうちの1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
その他の不飽和結合含有化合物としては、例えば、(メタ)アクリル酸、α-エチルアクリル酸、マレイン酸、フマル酸、ビニル安息香酸等の不飽和カルボン酸:(メタ)アクリル酸アルキル、(メタ)アクリル酸シクロアルキル、(メタ)アクリル酸ベンジル、(メタ)アクリル酸-2-エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸トリメトキシシリルプロピル、(メタ)アクリル酸2-ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸グリシジル、(メタ)アクリル酸3,4-エポキシシクロヘキシルメチル、(メタ)アクリル酸3,4-エポキシブチル、アクリル酸4-ヒドロキシブチルグリシジルエーテル等の不飽和カルボン酸エステル:無水マレイン酸等の不飽和多価カルボン酸無水物:などの(メタ)アクリル系化合物;スチレン、メチルスチレン、ジビニルベンゼン等の芳香族ビニル化合物;1,3-ブタジエン、2-メチル-1,3-ブタジエン等の共役ジエン化合物;N-メチルマレイミド、N-シクロヘキシルマレイミド、N-フェニルマレイミド等のマレイミド基含有化合物、等が挙げられる。なお、炭素-炭素不飽和結合を有する単量体としては、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
重合体(Q)は、炭素-炭素不飽和結合を有する単量体を重合開始剤の存在下で重合することにより得ることができる。使用する重合開始剤としては、例えば2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビス(4-メトキシ-2,4-ジメチルバレロニトリル)等のアゾ化合物が好ましい。重合開始剤の使用割合は、反応に使用する全モノマー100質量部に対して、0.01~30質量部とすることが好ましい。上記重合反応は、好ましくは有機溶媒中で行われる。反応に使用する有機溶媒としては、例えばアルコール、エーテル、ケトン、アミド、エステル、炭化水素化合物などが挙げられ、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートなどが好ましい。反応温度は30℃~120℃とすることが好ましく、反応時間は、1~36時間とすることが好ましい。有機溶媒の使用量(a)は、反応に使用するモノマーの合計量(b)が、反応溶液の全体量(a+b)に対して、0.1~60質量%になるような量にすることが好ましい。上記反応により得られる重合体溶液は、そのまま液晶配向剤の調製に供してもよく、反応溶液中に含まれる重合体(Q)を単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。
液晶配向剤の調製に使用する重合体[P]は、後述する条件で調製及び測定した溶液粘度が10~800mPa・sであることが好ましく、15~500mPa・sであることがより好ましい。なお、溶液粘度(mPa・s)は、重合体[P]の良溶媒(γ-ブチロラクトン、N-メチル-2-ピロリドン等)を用いて調製した濃度10質量%の重合体溶液につき、E型回転粘度計を用いて25℃において測定した値である。
重合体[P]のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定したポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)は、重合体の主鎖に応じて適宜選択することができるが、好ましくは1,000~500,000であり、より好ましくは2,000~300,000である。Mwと、GPCにより測定したポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)との比で表される分子量分布(Mw/Mn)は、好ましくは7以下であり、より好ましくは5以下である。液晶配向剤の調製に使用する重合体[P]は、1種でもよく又は2種以上を組み合わせてもよい。
本開示の膜形成用組成物は、重合体成分として重合体[P]のみを含有していてもよいが、上記式(1)で表される部分構造を有さない重合体(以下「その他の重合体」ともいう。)を更に含有していてもよい。その他の重合体としては、例えば、ポリオルガノシロキサン、(メタ)アクリル系重合体、ポリアミック酸、ポリイミド、セルロース誘導体、ポリアセタール、スチレン系重合体、マレイミド系重合体、ポリ(スチレン-フェニルマレイミド)誘導体等が挙げられる。その他の重合体を膜形成用組成物に配合する場合、その配合割合は、膜形成用組成物中に含まれる重合体の合計量に対して、50質量%以下とすることが好ましく、40質量%以下とすることがより好ましく、30質量%以下とすることが更に好ましい。
≪その他の成分≫
膜形成用組成物は、本開示の目的及び効果を妨げない範囲内において、重合体成分以外のその他の成分を含有していてもよい。
[硬化剤、硬化触媒及び硬化促進剤]
硬化剤及び硬化触媒は、膜形成用組成物に配合される重合体がエポキシ基を有する場合に、エポキシ構造間の架橋反応を更に促進させる目的で使用される。また、硬化促進剤は、硬化剤による硬化反応を促進する目的で使用される。
硬化剤としては、例えばシクロヘキサン-1,3,4-トリカルボン酸-3,4-無水物、シクロヘキサン-1,3,5-トリカルボン酸-3,5-無水物、4-メチルテトラヒドロフタル酸無水物、メチルナジック酸無水物、ドデセニルコハク酸無水物、無水こはく酸、無水マレイン酸、無水フタル酸、無水トリメリット酸、ポリアミック酸の合成に一般に用いられるテトラカルボン酸二無水物の他、α-テルピネン、アロオシメン等の共役二重結合を有する脂環式化合物と無水マレイン酸とのディールス・アルダー反応生成物及びこれらの水素添加物等が挙げられる。硬化触媒としては、例えば6フッ化アンチモン化合物、6フッ化リン化合物、アルミニウムトリスアセチルアセトナート、スルホン酸化合物等が挙げられる。
硬化促進剤としては、例えばイミダゾール化合物、シラノール基含有化合物、4級リン化合物、4級アミン化合物、ジアザビシクロアルケン、有機金属化合物(オクチル酸亜鉛、オクチル酸錫、アルミニウムアセチルアセトン錯体等)、ホウ素化合物(三フッ化ホウ素、ホウ酸トリフェニル等)、金属ハロゲン化合物(塩化亜鉛、塩化第二錫等)、アミン付加型促進剤(ジシアンジアミド、アミンとエポキシ樹脂との付加物等)等の高融点分散型潜在性硬化促進剤、4級ホスフォニウム塩等の表面をポリマーで被覆したマイクロカプセル型潜在性硬化促進剤、アミン塩型潜在性硬化促進剤、高温解離型の熱カチオン重合型潜在性硬化促進剤(ルイス酸塩、ブレンステッド酸塩等)等が挙げられる。
膜形成用組成物に硬化剤、硬化触媒、硬化促進剤を含有させる場合、各硬化成分の含有割合は、重合体成分の合計100質量部に対して、好ましくは20質量部以下であり、より好ましくは10質量部以下である。
[溶剤]
膜形成用組成物の調製に際し使用する溶剤は、有機溶媒とすることが好ましい。溶剤は、膜形成時の加熱をより低温で行うことができる点で、これらのうち、エーテル系溶剤、アルコール系溶剤、エステル系溶剤及びケトン系溶剤よりなる群から選択される少なくとも一種の溶剤(以下「特定溶剤」という。)を含有することが好ましい。
特定溶剤の具体例としては、エーテル系溶剤として、例えばジエチルエーテル、エチ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エチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコール-i-プロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル(ブチルセロソルブ)、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、3-メトキシ-1-ブタノール、テトラヒドロフラン、ジイソペンチルエーテル等を;
アルコール系溶剤として、例えばメチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、シクロヘキサノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4-ブタンジオール、トリエチレングリコール、ダイアセトンアルコール、3-メトキシ-3-メチルブタノール、ベンジルアルコール等を;
エステル系溶剤として、例えば乳酸エチル、乳酸ブチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、エチレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、メチルメトキシプロピオネ-ト、エチルエトキシプロピオネ-ト、シュウ酸ジエチル、マロン酸ジエチル、アセト酢酸エチル、イソアミルプロピオネート、イソアミルイソブチレート等を;
ケトン系溶剤として、例えばアセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、シクロヘプタノン、シクロペンタノン、3-メチルシクロヘキサノン、4-メチルシクロヘキサノン、ジイソブチルケトン等を、それぞれ挙げることができる。
溶剤としては、重合体成分の溶解性を高めること等を目的として、特定溶剤とは異なる溶剤を更に含んでいてもよい。こうした溶剤としては、例えば、非プロトン性極性溶媒、ハロゲン化炭化水素系溶剤、炭化水素系溶剤等が挙げられる。これら溶剤の具体例としては、非プロトン性極性溶媒として、例えばN-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、γ-ブチロラクトン、プロピレンカーボネート、3-ブトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミド、3-メトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミド等を;ハロゲン化炭化水素系溶剤として、例えばジクロロメタン、1,2-ジクロロエタン、1,4-ジクロロブタン、トリクロロエタン等を;炭化水素系溶剤として、例えばヘキサン、ヘプタン、オクタン、ベンゼン、トルエン、キシレン等を、それぞれ挙げることができる。
特定溶剤の使用割合は、膜形成用組成物に含有される溶剤の全量に対し、好ましくは10質量%以上であり、より好ましくは20質量%以上であり、更に好ましくは30質量%以上である。また、膜形成用組成物の調製に際し、溶剤の使用割合は、膜形成用組成物の塗布性及び塗膜の膜厚を適度にする観点から、膜形成用組成物の固形分濃度(膜形成用組成物中の溶媒以外の全成分の合計質量が膜形成用組成物の全質量に占める割合)が0.2~10質量%となる割合とすることが好ましく、3~10質量%となる割合とすることがより好ましい。
膜形成用組成物に含有させてもよいその他の成分としては、上記のほか、例えば多官能エポキシ基含有化合物(例えば、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-m-キシレンジアミン、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等)、官能性シラン化合物(例えば、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-(2-アミノエチル)-3-アミノプロピルメチルジメトキシシラン等)、酸化防止剤、界面活性剤、充填剤、分散剤、光増感剤等の各種添加剤が挙げられる。これら添加剤の配合割合は、本開示の効果を損なわない範囲で、各化合物に応じて適宜選択される。
なお、重合体[P]を用いることにより、溶剤耐性だけでなく液晶配向性に優れた有機膜を形成できた理由としては、次のようなことが考えられる。すなわち、上記式(1)で表される部分構造中のシンナメート構造部分(Y)と末端基(保護カルボキシル基)との間にYが存在することによって、上記式(1)で表される部分構造の末端基に対しシンナメート構造部分が重合体のより主鎖側に存在することとなる。これにより、上記式(1)で表される部分構造では、光反応(主に異性化)前後での構造変化が大きくなり、偏光照射方向の液晶配向性が弱まった結果、膜に十分な配向特性を付与できたと考えられる。ただし、この推測は本開示を限定するものではない。
≪硬化膜及び位相差フィルム≫
上記の膜形成用組成物を用いることにより硬化膜を製造することができる。本開示の膜形成用組成物を用いて形成された硬化膜は、液晶配向性及び溶剤耐性に優れていることから、液晶塗布型の位相差フィルムの製造用の液晶配向膜として好適である。以下に、本開示の膜形成用組成物を用いて位相差フィルムを製造する方法について説明する。位相差フィルムは、以下の工程(1)~(3)を経ることによって製造することができる。
[工程(1)液晶配向剤による塗膜の形成]
先ず、膜形成用組成物を基板上に塗布して塗膜を形成する。ここで使用される基板としては、トリアセチルセルロース(TAC)、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、ポリアミド、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネートなどの合成樹脂からなる透明基板を好適に例示することができる。これらのうち、TACは、液晶表示素子における偏光フィルムの保護層として一般的に使用されている。また、ポリメチルメタクリレートは、溶媒の吸湿性が低い点、光学特性が良好である点及び低コストである点で、基板として好ましく使用される。
位相差フィルムは、多くの場合、偏光フィルムと組み合わせて使用される。このとき、所期する光学特性を発揮できるように、偏光フィルムの偏光軸に対する角度を特定の方向に精密に制御して位相差フィルムを貼り合わせる必要がある。従って、所定角度の方向に液晶配向能を有する硬化膜を、TACフィルムやポリメチルメタクリレートなどの基板上に形成することにより、位相差フィルムを偏光フィルム上にその角度を制御しつつ貼り合わせる工程を省略することができる。膜形成用組成物の塗布に使用する基板に対しては、基板表面と塗膜との密着性を更に良好にするために、基板表面のうち塗膜を形成する面において、例えばコロナ放電処理、プラズマ処理、火炎処理、プライマー処理などの従来公知の前処理が実施されていてもよい。
基板上への塗布は、適宜の塗布方法によることができ、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、バーコーター法、エクストリューションダイ法、ダイレクトグラビアコーター法、チャンバードクターコーター法、オフセットグラビアコーター法、一本ロールキスコーター法、小径のグラビアロールを使ったリバースキスコーター法、3本リバースロールコーター法、4本リバースロールコーター法、スロットダイ法、エアードクターコーター法、正回転ロールコーター法、ブレードコーター法、ナイフコーター法、含浸コーター法、MBコーター法、MBリバースコーター法などを採用することができる。
膜形成用組成物を塗布した後、その塗布面を加熱(ベーク)して塗膜を形成する。この時の加熱温度は、40~150℃とすることが好ましく、80~140℃とすることがより好ましい。加熱時間は、0.1~15分とすることが好ましく、1~10分とすることがより好ましい。基板上に形成される塗膜の膜厚は、好ましくは0.001~1μmであり、より好ましくは0.005~0.5μmである。
[工程(2)光照射工程]
次いで、上記のようにして基板上に形成された塗膜に対し光を照射することにより、塗膜に液晶配向能を付与して硬化膜(液晶配向膜)とする。ここで、照射する光としては、例えば150~800nmの波長の光を含む紫外線、可視光線などを挙げることができる。これらのうち、300~400nmの波長の光を含む紫外線が好ましい。照射光は偏光であっても非偏光であってもよい。偏光としては、直線偏光を含む光を使用することが好ましい。
光の照射は、用いる光が偏光である場合には、基板面に垂直の方向から行っても斜め方向から行ってもよく、あるいはこれらを組み合わせて行ってもよい。非偏光を照射する場合には、基板面に対して斜めの方向から行う必要がある。使用する光源としては、例えば低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、重水素ランプ、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、水銀-キセノンランプ(Hg-Xeランプ)などを挙げることができる。偏光は、これらの光源を、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。光の照射量は、0.1mJ/cm以上1,000mJ/cm未満とすることが好ましく、1~500mJ/cmとすることがより好ましく、2~200mJ/cmとすることがさらに好ましい。
[工程(3)液晶層の形成]
次いで、上記のようにして光照射した後の塗膜上に、重合性液晶を塗布して硬化させる。これにより、重合性液晶を含む塗膜(液晶層)を形成する。ここで使用される重合性液晶は、加熱および光照射のうちの少なくとも1種の処理によって重合する液晶化合物又は液晶組成物である。このような重合性液晶としては、従来公知のものを使用することができ、具体的には、例えば非特許文献1(「UVキュアラブル液晶とその応用」、液晶、第3巻第1号(1999年)、pp34~42)に記載されているネマチック液晶化合物を挙げることができる。また、コレステリック液晶;ディスコティック液晶;カイラル剤を添加されたツイストネマティック配向型液晶などであってもよい。重合性液晶は、複数の液晶化合物の混合物であってもよい。重合性液晶は、さらに、公知の重合開始剤、適当な溶媒などを含有する組成物であってもよい。形成された硬化膜(液晶配向膜)上に重合性液晶を塗布するには、例えばバーコーター法、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を採用することができる。
次いで、上記のように形成された重合性液晶の塗膜に対して、加熱及び光照射から選択される1種以上の処理を施すことにより、該塗膜を硬化して液晶層を形成する。これらの処理を重畳的に行うことが、良好な配向が得られることから好ましい。塗膜の加熱温度は、使用する重合性液晶の種類によって適宜に選択されるべきである。例えばメルク社製のRMS03-013Cを使用する場合、40~80℃の範囲の温度で加熱することが好ましい。加熱時間は、好ましくは0.5~5分である。照射光としては、200~500nmの範囲の波長を有する非偏光の紫外線を好ましく使用することができる。光の照射量としては、50~10,000mJ/cmとすることが好ましく、100~5,000mJ/cmとすることがより好ましい。
形成される液晶層の厚さとしては、所望の光学特性によって適宜に設定される。例えば波長540nmの可視光における1/2波長板を製造する場合は、形成した位相差フィルムの位相差が240~300nmとなるような厚さが選択され、1/4波長板であれば、位相差が120~150nmとなるような厚さが選択される。目的の位相差が得られる液晶層の厚さは、使用する重合性液晶の光学特性によって異なる。例えばメルク製のRMS03-013Cを使用する場合、1/4波長板を製造するための厚さは、0.6~1.5μmの範囲である。
上記のようにして得られた位相差フィルムは、液晶表示素子用の位相差フィルムとして好適である。液晶表示素子は、その駆動方式に制限がなく、例えばTN方式、STN方式、IPS方式、FFS方式、VA方式(VA-MVA方式、VA-PVA方式などを含む)、PSA等の公知の各種方式であるものとすることができる。
液晶表示素子は、一般に、電極対および液晶配向膜が形成された一対の基板を備え、その基板間に液晶を挟持してなる液晶セルの両面に偏光フィルムが貼付された構造を有する。位相差フィルムは、液晶表示素子の視認側に配置された偏光フィルムの外側面に対し、位相差フィルムにおける基板側の面が貼付されて用いられる。本開示の膜形成用組成物を用いて液晶配向膜が形成された位相差フィルムを備える液晶表示素子は、優れた液晶配向性が長期的に安定して発現するという利点を有する。
以下、実施例に基づき実施形態をより詳しく説明するが、以下の実施例によって本開示が限定的に解釈されるものではない。
以下の例において、重合体の重量平均分子量Mw及び重合体溶液の溶液粘度は以下の方法により測定した。以下の実施例で用いた原料化合物及び重合体の必要量は、下記の合成例に示す合成スケールでの合成を必要に応じて繰り返すことにより確保した。
[重合体の重量平均分子量Mw]
重量平均分子量Mwは、以下の条件におけるGPCにより測定したポリスチレン換算値である。
カラム:東ソー(株)製、TSKgelGRCXLII
溶剤:テトラヒドロフラン、又はリチウムブロミド及びリン酸含有のN,N-ジメチルホルムアミド溶液
温度:40℃
圧力:68kgf/cm
[重合体溶液の溶液粘度]
重合体溶液の溶液粘度(mPa・s)は、E型回転粘度計を用いて25℃で測定した。
化合物の略号は以下の通りである。なお、以下では、式(X)で表される化合物を単に「化合物(X)」と表すことがある。
Figure 0007363891000018
Figure 0007363891000019
Figure 0007363891000020
Figure 0007363891000021
Figure 0007363891000022
<化合物の合成>
下記スキームに従って化合物(a-1)を合成した。
Figure 0007363891000023
・化合物(a-1-1)の合成
2Lのナスフラスコに、4-ヒドロキシ桂皮酸メチル(40.1g、225mmol)、2-クロロエタノール(21.7g、269mmol)、炭酸カリウム(37.2g、269mmol)、及びN-メチルピロリドン(500mL)を加え、90℃で30時間撹拌した。反応終了後、溶液に水を加え、酢酸エチルで抽出した。有機層をエバポレーターで濃縮し、酢酸エチル/ヘキサンの1:1混合物から再結晶して、化合物(a-1-1)を得た(42.5g、収率85%)。
・化合物(a-1-2)の合成
2Lのナスフラスコに、化合物(a-1-1)(33.3g、150mmol)、水酸化カリウム(12.6g、225mmol)、メタノール(250mL)、及び水(80mL)を加え、50℃で24時間撹拌した。エバポレーターで濃縮後、氷浴に入れ冷却しながらHCl溶液を加え、2時間撹拌した。析出してきた白色固体を濾過により回収し、真空乾燥することで化合物(a-1-2)を得た(29.4g、収率94%)。
・化合物(a-1-3)の合成
2Lのナスフラスコに、化合物(a-1-2)(25.0g、120mmol)、トリエチルアミン(36.7mL、263mmol)、及び塩化メチレン(500mL)を加えた。次いで、フラスコを氷浴に入れ、メタクリロイルクロリド(23.7mL、245mmol)を滴下しながら30分撹拌した。反応終了後、溶液に水を加え、酢酸エチルで抽出し、有機層をエバポレーターで濃縮した。さらに、アセトニトリル及びHCl溶液を加え、50℃で3時間撹拌した。有機層を抽出後、エバポレーターで濃縮し、途中で析出してきた白色固体を濾過により回収し、真空乾燥することで化合物(a-1-3)を得た(24.2g、収率73%)。
・化合物(a-1-4)の合成
2Lのナスフラスコに、化合物(a-1-3)(20.7g、75.0mmol)、tert-ブチル-4-ヒドロキシベンゾエート(16.0g、82.5mmol)、4-ジメチルアミノピリジン(458mg、3.75mmol)、N,N'-ジシクロヘキシルカルボジイミド(16.3g、78.8mmol)、及び塩化メチレン(500mL)を加え、室温で20時間撹拌した。反応終了後、得られた生成物を、SiOカラムを用いて抽出した後、エバポレーターで濃縮し、化合物(a-1-4)を得た(30.0g、78%)。
・化合物(a-1-5)の合成
2Lのナスフラスコに、化合物(a-1-4)(26.7g、52.0mmol)、トリフルオロ酢酸(11.9g、104mmol)、及び塩化メチレン(500mL)を加え、室温で1時間攪拌した。その後、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液により中和した後、酢酸エチルで抽出した。有機層をエバポレーターで濃縮し、途中で析出してきた白色固体を濾過により回収した。この白色固体を真空乾燥することにより、化合物(a-1-5)を得た(19.6g、収率95%)。
・化合物(a-1)の合成
2Lのナスフラスコに、化合物(a-1-5)(15.9g、40.0mmol)、メチルビニルエーテル(2.56g、44.0mmol)、パラトルエンスルホン酸ピリジニウム(30.2g、120mmol)、及びTHF(500mL)を加え、室温で14時間撹拌した。反応終了後、溶液に水を加え、酢酸エチルで抽出した。有機層をエバポレーターで濃縮し、酢酸エチル/ヘキサンの2:1(質量比)混合物から再結晶して、目的の化合物(a-1)を得た(13.8g、収率76%)。
<重合体の合成>
[合成例1:重合体(P-1)の合成]
窒素下、300mL二口フラスコに、モノマーとして、化合物(a-1)5.40g(11.8mmol)、メタクリル酸グリシジル1.48g(10.4mmol)、及び化合物(c-1)2.32g(7.42mmol)、ラジカル重合開始剤として2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.221g(0.891mmol)、並びに溶媒としてN-メチル-2-ピロリドン120mlを加え、70℃で5時間重合した。重合終了後、n-ヘキサンに再沈殿した後、沈殿物を濾過し、室温で8時間真空乾燥することでポリメタクリレート(これを重合体(P-1)とする。)を7.28g得た。得られた重合体の重量平均分子量Mwは32000であった。
[合成例2、7~16]
使用するモノマーの種類及び量を下記表1に記載のとおり変更した点以外は合成例1と同様にして重合体(P-2)、(P-7)~(P-16)をそれぞれ合成した。
[合成例3:重合体(P-3)の合成]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(c-4)をモノマー全量に対して50モル%、並びに、ジアミン化合物として化合物(a-3)をモノマー全量に対して30モル%、及び化合物(c-3)をモノマー全量に対して20モル%を、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)に溶解し、60℃で6時間反応を行い、ポリアミック酸を15質量%含有する溶液を得た。得られたポリアミック酸溶液を少量分取し、NMPを加えてポリアミック酸濃度10質量%の溶液として測定した溶液粘度は126mPa・sであった。次いで、このポリアミック酸溶液を大過剰のメタノール中に注ぎ、反応生成物を沈殿させた。この沈殿物をメタノールで洗浄し、減圧下40℃で15時間乾燥させることにより、ポリアミック酸(これを重合体(P-3)とする。)を得た。得られた重合体の重量平均分子量Mwは26000であった。
[合成例4:重合体(P-4)の合成]
使用するテトラカルボン酸二無水物及びジアミン化合物の種類及び量を下記表1に記載のとおり変更した点以外は合成例3と同様にして、ポリアミック酸である重合体(P-4)を得た。
[合成例5:重合体(P-5)の合成]
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、シラン化合物として化合物(a-5)をモノマー全量に対して34モル%、化合物(b-3)をモノマー全量に対して33モル%、及び化合物(c-5)をモノマー全量に対して33モル%、をメチルイソブチルケトンに溶解し、トリエチルアミンをモノマー全量100質量部に対して7.0質量部を仕込み、室温で混合した。次いで、脱イオン水を滴下漏斗より30分かけて滴下した後、還流下で撹拌しつつ、80℃で6時間反応を行った。反応終了後、有機層を取り出し、0.2質量%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後、減圧下で溶媒及び水を留去することによりポリオルガノシロキサンを粘調な液体として得た。反応終了後、反応混合物に酢酸エチルを加えて得た溶液を3回水洗し、有機層を硫酸マグネシウムを用いて乾燥した後、溶剤を留去することにより、ポリオルガノシロキサン(これを重合体(P-5)とする。)を得た。得られた重合体の重量平均分子量Mwは5500であった。
[合成例6:重合体(P-6)の合成]
使用するシラン化合物の種類及び量を下記表1に記載のとおり変更した点以外は合成例5と同様にして、ポリオルガノシロキサンである重合体(P-6)を得た。
Figure 0007363891000024
<膜形成用組成物の調製及び評価>
[実施例1]
1.膜形成用組成物の調製
重合体成分として、重合体(P-1)を100質量部、触媒としてトリス(アセチルアセトネート)アルミニウム(アルミキレートA(W)、川研ファインケミカル社製)5質量部、並びに硬化促進剤としてトリ(p-トリル)シラノール1質量部を混合し、これに溶媒として、酢酸n-ブチル(BA)、メチルエチルケトン(MEK)、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、及びアセト酢酸エチル(EAA)を加え、固形分濃度が5質量%、各溶媒の質量比がBA:MEK:PGMEA:EAA=40:40:15:5となるように調製した。次いで、この得られた溶液を孔径1μmのフィルターでろ過することにより、膜形成用組成物(A-1)を調製した。
2.液晶配向膜の作製
上記1.で得られた膜形成用組成物を、無アルカリガラス上にスピンコーターを用いて2000rpmで30秒間、回転塗布した後、温度100℃で60秒間、ホットプレート上で加熱乾燥を行い、有機薄膜を形成した。この有機薄膜に313nmの直線偏光を10mJ/cmの露光量で垂直に照射し、液晶配向膜を作製した。
3.シクロペンタノンに対する耐性試験
上記2.で作製した液晶配向膜の異方性評価を行った後、この液晶配向膜をシクロペンタノンに1分間浸漬し、60℃で乾燥した後、再度異方性評価を行った。このときの浸漬前後の異方性変化により、液晶配向膜のシクロペンタノンに対する耐性評価を行った。なお、異方性評価は、MORITEX社製Layscan(LYS-LH30S-1B)を用いて、23℃の環境下にて、1mm間隔で縦5点×横5点(合計25点)の測定値を取得し、その平均値を求めることにより行った。シクロペンタノン耐性の評価は、浸漬後の異方性変化が20%以下である場合を「良好」、20%よりも大きく35%未満である場合を「可」、35%以上である場合を「不良」とした。その結果、実施例1の液晶配向膜においては、浸漬後の異方性変化率は5%であり、「良好」の評価であった。
4.液晶配向性の評価
上記2.で作製した液晶配向膜とは別に、313nmの直線偏光を5mJ/cmの露光量に変更した以外は同様にして作製した液晶配向膜を更に準備した。露光量が異なる2種類の液晶配向膜上に、重合性液晶RMM1823(メルク株式会社製)のシクロペンタノン溶液を、スピンコーターを用いてそれぞれ塗布し、次いで、60℃で60秒間ホットプレート上にてプレベークを行い、膜厚1.0μmの塗膜を形成した。続いて、液晶配向膜上の塗膜を300mJ/cmで露光し、液晶配向性を評価した。このとき、目視により液晶配向性が良好であると観察され、かつ偏光顕微鏡にて異常ドメインが観察されなかった場合を「良好」、目視では液晶配向性が良好と観察されたが、偏光顕微鏡にて異常ドメインが観察された場合を「可」、目視にて液晶配向性の異常が観察された場合を「不良」と評価した。その結果、実施例1では、露光量を5mJ/cm及び10mJ/cmのいずれとした場合にも、液晶配向性「良好」の評価であった。
5.保存安定性の評価
上記1.で調製した膜形成用組成物を調製した日から14日目までの期間、40℃の条件で膜形成用組成物を保管し、上記2.と同様にして液晶配向膜を作製した。また、ここで作製した液晶配向膜の液晶配向性を評価することにより、膜形成用組成物の保存安定性を評価した。このとき、目視にて液晶配向性が良好と観察され、かつ偏光顕微鏡にて異常ドメインが観察されなかった場合を保存安定性「良好」、目視では液晶配向性が良好と観察されたが、偏光顕微鏡にて異常ドメインが観察された場合を「可 」、目視にて液晶配向性の異常が観察された場合を「不良」と評価し、その結果、実施例1の膜形成用組成物においては、保存安定性「良好」の評価であった。
[実施例2~12及び比較例1、2]
配合処方を下記表2に示すとおりとした点以外は、実施例1の膜形成用組成物(A-1)と同様にして、各組成物(A-2)~(A-15)を調製した。また、得られた膜形成用組成物を用いて、実施例1と同様にして各種評価を行った。それらの結果を下記表3に示した。
Figure 0007363891000025
表2中、溶剤成分以外の各成分の配合量の数値は、膜形成用組成物の調製に使用した重合体成分の合計100質量部に対する各化合物の配合割合(質量部)を示す。溶剤成分の配合量の数値は、膜形成用組成物の調製に使用した溶剤成分の合計100質量部に対する各化合物の配合割合(質量部)を示す。
表2中、化合物の略号は以下の通りである。
B-1:トリス(アセチルアセトネート)アルミニウム(アルミキレートA(W)、川研ファインケミカル製)
R-1:p-トルエンスルホン酸
K-1:トリ(p-トリル)シラノール
N-1:N,N,N’,N’-テトラグリシジル[4,4’-メチレンビスアニリン]
NMP:N-メチルピロリドン
FGBL:γ-ブチロラクトン
BC:エチレングリコールモノブチルエーテル
BA:酢酸n-ブチル
MEK:メチルエチルケトン
PGMEA:プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート
EAA:アセト酢酸エチル
EDM:ジエチレングリコールエチルメチルエーテル
CPN:シクロペンタノン
Figure 0007363891000026
上記表3の結果より、実施例1~実施例12で作製された硬化膜は、シクロペンタノン耐性、液晶配向性及び保存安定性の評価がいずれも「良好」又は「可」であった。これに対し、比較例1では、液晶配向性の評価が「不良」であった。また、比較例2では、シクロペンタノン耐性及び液晶配向性の評価がいずれも「不良」であった。なお、比較例2については、液晶配向性が不良の評価であったため、保存安定性の評価を行わなかった(表3には「-」で示している。)。また、比較例3では、保存安定性が「不良」であった。
以上の結果から、重合体[P]を含有する膜形成用組成物は保存安定性が良好であり、また当該組成物を用いることにより、溶剤耐性及び液晶配向性に優れた硬化膜を作製できることが明らかとなった。

Claims (7)

  1. 下記式(1)で表される部分構造を有する重合体[P]を含有する、膜形成用組成物。
    Figure 0007363891000027
    (式(1)中、Yは、下記式(2-1)又は式(2-2)で表される2価の基であり、Yは、炭素数1以上の2価の有機基である。Rは水素原子又は炭素数1~10のアルキル基であり、R及びRは、Rが水素原子若しくは炭素数1~10のアルキル基であり、かつRが「-OR」(ただし、Rは炭素数1~10の1価の炭化水素基である。)であるか、又は、RとRとが互いに合わせられて、R及びRが結合する炭素原子と共に構成される環状エーテル構造を表す。「*」は結合手であることを表す。)
    Figure 0007363891000028
    (式(2-1)及び式(2-2)中、Z及びZは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子、シアノ基又は炭素数1~6の1価の有機基である。X~Xは、それぞれ独立に、水素原子又は置換基である。「*」及び「*」は結合手であることを示す。ただし、「*」がYに結合する。)
  2. 前記重合体[P]は、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、炭素-炭素不飽和結合を有する単量体を用いて得られる重合体、及びポリオルガノシロキサンよりなる群から選ばれる少なくとも一種である、請求項1に記載の膜形成用組成物。
  3. 前記重合体[P]は、架橋性基を更に有する、請求項1又は2に記載の膜形成用組成物。
  4. 前記Yは、下記式(3)で表される2価の基である、請求項1~3のいずれか一項に記載の膜形成用組成物。
    Figure 0007363891000029
    (式(3)中、X、X及びXは、それぞれ独立に、単結合、-COO-、-OCO-、-COS-、-SCO-、-O-、-NR-、-S-、-CONR-又は-NRCO-であり、Rは、水素原子又は炭素数1~6の1価の炭化水素基である。A及びAは、それぞれ独立に、炭素数1~12の2価の炭化水素基、炭素数1~12の炭化水素基の水素原子がハロゲン原子で置換された2価の基、又は2価の複素環基である。nは0~3の整数である。「*」は結合手であることを表す。)
  5. 請求項1~4のいずれか一項に記載の膜形成用組成物を用いて形成された硬化膜。
  6. 請求項1~4のいずれか一項に記載の膜形成用組成物を用いて形成された液晶配向膜。
  7. 請求項5に記載の硬化膜又は請求項6に記載の液晶配向膜を備える位相差フィルム。
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