JP7367674B2 - ゼロ面アンカリング膜の製造方法及び液晶表示素子 - Google Patents

ゼロ面アンカリング膜の製造方法及び液晶表示素子 Download PDF

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Description

本発明は、安価かつ複雑な工程を含まない手法にて、ゼロ面アンカリング膜を製造することが可能なポリマー安定化技術を応用した製造方法、及び、当該製造方法を用いる、更なる低電圧駆動を実現するための液晶表示素子およびその製造方法に関するものである。
近年、携帯電話 、コンピュータ及びテレビのディスプレイなどには液晶表示素子が広く用いられている。液晶表示素子は薄型、軽量、低消費電力などの特性を有しており、今後はVRや超高精細のディスプレイ等、更なるコンテンツへの応用が期待されている。液晶ディスプレイの表示方式には、TN(Twisted Nematic)、IPS(In-Plane Switching)、VA(Vertical Alignment)など様々な表示モードが提案されているが、すべてのモードには液晶を所望の配向状態に誘導する膜(液晶配向膜)が使用されている。
特にタブレットPCやスマートフォン、スマートTV等のタッチパネルを具備した製品には、タッチしても表示が乱れにくいIPSモードが好まれており、近年ではコントラスト向上や視野角特性の向上の点でFFS(Frindge Field Switching)を用いた液晶表示素子や、光配向を用いた非接触技術を用いた技術が用いられるようになってきた。
しかしながら、FFSはIPSに比べ基板の製造コストが大きく、Vcomシフトと呼ばれるFFSモード特有の表示不良が発生する課題がある。また光配向に関しては、ラビング法に比べ、製造できる素子の大きさを大きくできる点や表示特性を大きく向上できるというメリットがあるが、光配向の原理上の課題(分解型であれば分解物由来の表示不良、異性化型であれば配向力不足による焼き付き等)が挙げられる。それらの課題を解決するために液晶表示素子メーカーや液晶配向膜メーカーは種々工夫を行っているのが現状である。
一方で、近年ゼロ面アンカリングというものを利用したIPSモードが提案されており、この手法を用いることで従来のIPSモードに比べてコントラスト向上や大幅な低電圧駆動が可能になるという報告がされている(特許文献1参照)。
具体的には、片側の基板には強いアンカリングエネルギーを有する液晶配向膜を用い、一方の横電界を発生させる方の電極を具備した基板側には一切液晶の配向規制力を有さなくなるような処理を施し、それらを用いてIPSモードの液晶表示素子を作る方法である。
近年では、濃厚ポリマーブラシ等を用いてゼロ面状態を作り出し、ロ面アンカリングIPSモードの技術提案がなされている(特許文献2)。この技術によりコントラスト比の大幅な向上や駆動電圧の大幅な低下を実現している。
一方で、応答速度特に電圧OFF時の応答速度が著しく低下する課題がある。これは駆動電圧が低くなるため、通常の駆動方式に比べ弱い電界で応答させることによる影響と、配向膜のアンカリング力が極めて小さいが故に、液晶の復元に時間がかかってしまうことに起因する。これを解決する方法として、画素電極上のみゼロアンカリングにする手法が提案されている(特許文献3)。これにより輝度の向上と応答速度の両立が可能になることが報告されている。
特許第4053530号公報 特開2013-231757号公報 特開2017-211566号公報
IPS櫛歯電極の電極上のみゼロ面アンカリングにすることで駆動時の応答速度遅延が抑制される一方で、電極上のみゼロアンカリングの状態にするためには非常に細かな領域に異なる材料を塗り分けする等の難しい技術を用意する必要があり、実際の工業化には大きな課題となることが考えられる。
このような技術的課題を解決できればパネルメーカーとしても大きなコストメリットとなり、バッテリーの消費抑制や画質の向上等にもメリットとなることが考えられる。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、液晶配向膜の面内にゼロ面アンカリング部位とアンカリング力を具備した部位を作り出す方法、及び、アンカリングエネルギーを任意の状態にコントロールする方法、常温において、簡便且つ安価な方法で非接触配向と低駆動電圧化とOff時の応答速度も速くすることが同時に実現できる、横電界液晶表示素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の課題を解決する為、鋭意検討を行った結果、上記の課題を解決出来ることを見出し、以下の要旨を有する本発明を完成させた。
すなわち、本発明は以下を包含する。
[1] ラジカル発生膜に特定の領域に放射線を照射してパターン化ラジカル発生膜を形成するステップ、及び液晶及びラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物を、前記パターン化ラジカル発生膜に接触させ、その状態を保持しつつ、前記ラジカル重合性化合物を重合反応させるのに十分なエネルギーを前記液晶組成物に与えるステップを含む、パターン化されたゼロ面アンカリング膜の製造方法。
[2] 前記ラジカル発生膜が一軸配向処理されたラジカル発生膜である[1]に記載の方法。
[3] エネルギーを与えるステップを無電界で行う、[1]又は[2]に記載の方法。
[4] 前記ラジカル発生膜が、ラジカル重合を誘発する有機基が固定化されて成る膜であることを特徴とする[1]~[3]のいずれか一項に記載の方法。
[5] 前記ラジカル発生膜が、ラジカルを発生する基を有する化合物と重合体との組成物を塗布、硬化して膜を形成することにより膜中に固定化させて得られることを特徴とする[1]~[3]のいずれか一項に記載の方法。
[6] 前記ラジカル発生膜が、ラジカル重合を誘発する有機基を含有する重合体から成ることを特徴とする[1]~[3]のいずれか一項に記載の方法。
[7] 前記ラジカル重合を誘発する有機基を含有する重合体が、ラジカル重合を誘発する有機基を含有するジアミンを含むジアミン成分を用いて得られるポリイミド前駆体、ポリイミド、ポリウレアおよびポリアミドから選ばれる少なくとも一種の重合体であることを特徴とする[6]記載の方法。
[8] 前記ラジカル重合を誘発する有機基が下記構造[X-1]~[X-18]、[W]、[Y]、[Z]で表される有機基である[4]、[6]及び[7]のいずれか一項に記載の方法。
Figure 0007367674000001

(式[X-1]~[X-18]中、*は化合物分子の重合性不飽和結合以外の部分との結合部位を示し、S、Sはそれぞれ独立して-O-、-NR-、-S-を表し、Rは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~10のアルキル基、炭素数1~10のアルコキシ基を表し、R,Rはそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~4のアルキル基を表す)
Figure 0007367674000002

(式[W]、[Y]、[Z]中、*は化合物分子の重合性不飽和結合以外の部分との結合部位を示し、Arは有機基及び/又はハロゲン原子を置換基として有しても良いフェニレン、ナフチレン、及びビフェニレンからなる群より選ばれる芳香族炭化水素基を示し、R及びR10は、それぞれ独立に、炭素数1~10のアルキル基又は炭素数1~10のアルコキシ基を表し、RとR10がアルキル基の場合、末端で互いに結合し環構造を形成していても良い。Qは下記の構造を表す。
Figure 0007367674000003

(式中、R11は-CH-、-NR-、-O-、又は-S-を表し、Rは水素原子又は炭素原子数1~4のアルキル基を表し、*は化合物分子のQ以外の部分との結合部位を示す。)
12は水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~10のアルキル基又は炭素数1~10のアルコキシ基を表す。)
[9] 前記ラジカル重合を誘発する有機基を含有するジアミンが下記一般式(6)又は下記一般式(7)で表される構造を有するジアミンであることを特徴とする[7]記載の方法。
Figure 0007367674000004

(式(6)中、Rは単結合、-CH-、-O-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、-NH-、-CHO-、-N(CH)-、-CON(CH)-、又は-N(CH)CO-を表し、
は単結合、又は非置換もしくはフッ素原子によって置換されている炭素数1~20のアルキレン基を表し、当該アルキレン基の任意の-CH-又は-CF-の1以上は、それぞれ独立に-CH=CH-、二価の炭素環、および二価の複素環から選ばれる基で置き換えられていてもよく、さらに、次に挙げるいずれかの基、すなわち、-O-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、又は-NH-が互いに隣り合わないことを条件に、これらの基で置き換えられていてもよい;
は、下記式:
Figure 0007367674000005
から選択されるラジカル重合反応性基を表す。
(式[X-1]~[X-18]中、*は化合物分子のラジカル重合反応性基以外の部分との結合部位を示し、S、Sはそれぞれ独立して-O-、-NR-、-S-を表し、Rは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~10のアルキル基、炭素数1~10のアルコキシ基を表し、R,Rはそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~4のアルキル基を表す))
Figure 0007367674000006

(式(7)中、T及びTは、それぞれ独立に、単結合、-O-、-S-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、-NH-、-CHO-、-N(CH)-、-CON(CH)-、又は-N(CH)CO-であり、
は単結合、又は非置換もしくはフッ素原子によって置換されている炭素数1~20のアルキレン基を表し、当該アルキレン基の任意の-CH-又は-CF-の1以上は、それぞれ独立に-CH=CH-、二価の炭素環、および二価の複素環から選ばれる基で置き換えられていてもよく、さらに、次に挙げるいずれかの基、すなわち、-O-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、又は-NH-が互いに隣り合わないことを条件に、これらの基で置き換えられていてもよく、
Jは下記式で表される有機基であり、
Figure 0007367674000007

(式[W]、[Y]、[Z]中、*はTとの結合箇所を表し、Arは有機基及び/又はハロゲン原子を置換基として有しても良いフェニレン、ナフチレン、及びビフェニレンからなる群より選ばれる芳香族炭化水素基を示し、R及びR10は、それぞれ独立に、炭素数1~10のアルキル基又は炭素数1~10のアルコキシ基を表し、Qは下記のいずれかの構造を表す。
Figure 0007367674000008

(式中、R11は-CH-、-NR-、-O-、又は-S-を表し、Rは水素原子又は炭素原子数1~4のアルキル基を表し、*は化合物分子のQ以外の部分との結合部位を示す。)
12は水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~10のアルキル基又は炭素数1~10のアルコキシ基を表す。))
[10] 前記ラジカル重合性化合物のうち少なくとも一種が、液晶と相溶性を有する、一分子中に一個の重合性不飽和結合を有する化合物である、[1]~[9]のいずれか一項に記載の方法。
[11] 前記ラジカル重合性化合物の重合反応性基が以下の構造から選ばれる、[10]に記載の方法。
Figure 0007367674000009

(式中、*は化合物分子の重合性不飽和結合以外の部分との結合部位を示す。Rは炭素数2~8の直鎖アルキル基を表し、Eは単結合、-O-、-NR-、-S-、エステル結合及びアミド結合から選ばれる結合基を表す。Rは水素原子、炭素数1~4のアルキル基を示す。)
[12] 前記液晶及びラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物において、前記ラジカル重合性化合物を重合させて得られるポリマーのTgが100℃以下のものになるラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物を用いることを特徴とする[1]~[11]のいずれか一項に記載の方法。
[13] ラジカル発生膜を有する第一基板と、ラジカル発生膜を有していてもよい第二基板とを用意するステップ、
第一基板上のラジカル発生膜が第二基板に対向するようにセルを作成するステップ、および、
第一基板と第二基板との間に、液晶及びラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物を充填するステップを含み、
[1]~[12]のいずれか一項に記載の方法を用いる液晶セルの製造方法。
[14] 前記第二基板がラジカル発生膜を有さない第二基板である[13]に記載の液晶セルの製造方法。
[15] 前記第二基板が、一軸配向性を有する液晶配向膜がコーティングされた基板であることを特徴とする[14]に記載の液晶セルの製造方法。
[16] 前記一軸配向性を有する液晶配向膜が水平配向用の液晶配向膜であることを特徴とする[15]に記載の液晶セルの製造方法。
[17] 前記ラジカル発生膜を有する第一基板が櫛歯電極を有する基板である[13]~[16]のいずれか一項に記載の液晶セルの製造方法。
[18] 液晶及びラジカル重合性化合物を含有し、
前記ラジカル重合性化合物のうち少なくとも一種が、液晶と相溶性を有する、一分子中に一個の重合性不飽和結合を有する化合物であり、
重合反応性基が以下の構造から選ばれる、液晶組成物。
Figure 0007367674000010

(式中、*は化合物分子の重合性不飽和結合以外の部分との結合部位を示す。Rは炭素数2~8の直鎖アルキル基を表し、Eは単結合、-O-、-NR-、-S-、エステル結合及びアミド結合から選ばれる結合基を表す。Rは水素原子、炭素数1~4のアルキル基を示す。)
[19] [1]~[17]のいずれか一項に記載の方法を用いて得られたゼロ面アンカリング状態を作り出す膜を用いる液晶表示素子の製造方法。
[20] [19]記載の方法を用いて得られた液晶表示素子。
[21] 第一基板又は第二基板が電極を有する、[20]に記載の液晶表示素子。
[22] 低電圧駆動横電界液晶表示素子である、[20]又は[21]に記載の液晶表示素子。
本発明によれば、ゼロ面アンカリング膜を工業的に、歩留まりよく作り出すことができる。本発明の方法を用いて、安価な原料や既存の製造法で特許文献1、2記載のゼロ面アンカリングIPSモード液晶表示素子に類似した液晶表示素子を簡便に製造することができる。また、本発明の製造方法で得られた液晶表示素子は、従来技術よりもOff時の液晶の応答速度が速く、且つ低駆動電圧、輝点なし、IPSモードではVcomシフトの抑制ができ、FFSモードでは更なる高精細化が可能、といった優れた特性を有する液晶表示素子を提供することができる。
UV照射した領域とUV照射をしていない領域を有することにより、ゼロ面アンカリング領域とゼロ面アンカリングではない領域を有する膜を形成した基板を有するTNセルの図である。セル中、透明な領域はUV照射なし、不透明な領域はUV照射ありの領域である。
本発明は、基板上にアンカリング力を有するラジカル発生膜を形成させ、アンカリング力を維持したい領域にラジカル発生膜に放射線を照射する工程を経て、ラジカル発生膜に特定の重合性化合物を含有する液晶を接触させた状態でUVまたは熱により重合性化合物を重合させることを特徴とするゼロ面アンカリング領域と強アンカリング領域がパターニングされた膜の製造方法である。より具体的には、液晶及びラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物を、放射線により処理されたラジカル発生膜を有する第一基板とラジカル発生膜を有していてもよい第二基板との間に有するセルを用意するステップ、及び前記セルに、前記ラジカル重合性化合物を重合反応させるのに十分なエネルギーを与えるステップを含む、ゼロ面アンカリング領域と強アンカリング領域がパターニングされた膜の製造方法である。好ましくは、放射線照射処理されたラジカル発生膜を有する第一基板と、ラジカル発生膜を有さない第二基板とを用意するステップ、ラジカル発生膜が第二基板に対向するようにセルを作成するステップ、および、第一基板と第二基板との間に、液晶及びラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物を充填するステップを含む液晶セルの製造方法である。例えば、第二基板がラジカル発生膜を有さないとともに、一軸配向処理された液晶配向膜を有する基であり、第一基板が櫛歯電極を有する基板である、低電圧駆動IPS液晶表示素子の作成方法である。
本発明において「ゼロ面アンカリング膜」とは、面内方向における液晶分子の配向規制力が全く無いか、あったとしても液晶同士の分子間力よりも弱く、この膜のみでは液晶分子をいずれの方向にも一軸配向させない膜をいう。また、このゼロ面アンカリング膜は、固体膜に限定されず固体表面を覆う液体膜も含まれる。通常、液晶表示素子には液晶分子の配向を規制する膜、すなわち液晶配向膜を対で用いて液晶を配向させるが、このゼロ面アンカリング膜と液晶配向膜を対で用いた場合も液晶を配向させることが出来る。これは、液晶配向膜の配向規制力が液晶分子同士の分子間力によって液晶層の厚み方向にも伝達し、結果としてゼロ面アンカリング膜に近接する液晶分子も配向するからである。よって液晶配向膜に水平配向用の液晶配向膜を用いた場合においては液晶セル内全体で水平配向状態を作り出すことが出来る。水平配向とは液晶分子の長軸が液晶配向膜面に対してほぼ平行に配列している状態をいい、数度程度の傾斜配向も水平配向の範疇に含まれる。
[ラジカル発生膜形成組成物]
本発明に用いるラジカル発生膜を形成するためのラジカル発生膜形成組成物は、成分として、重合体を含有し、ラジカルを発生しうる基を含有する。その際、当該組成物は、ラジカルを発生しうる基が結合した重合体を含有するものであってもよいし、ラジカルを発生しうる基を有する化合物と、ベース樹脂となる重合体との組成物であってもよい。このような組成物を塗布、硬化して膜を形成することにより、ラジカルを発生しうる基が膜中に固定化されたラジカル発生膜を得ることができる。ラジカルを発生しうる基は、ラジカル重合を誘発する有機基であることが好ましい。
そのような、ラジカル重合を誘発する有機基としては下記構造で表される[X-1]~[X-18]、[W]、[Y]、[Z]で表される有機基が挙げられる。
Figure 0007367674000011

(式[X-1]~[X-18]中、*は化合物分子の重合性不飽和結合以外の部分との結合部位を示し、S、Sはそれぞれ独立して-O-、-NR-、-S-を表し、Rは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~10のアルキル基、炭素数1~10のアルコキシ基を表し、R,Rはそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~4のアルキル基を表す)
Figure 0007367674000012

(式[W]、[Y]、[Z]中、*は化合物分子の重合性不飽和結合以外の部分との結合部位を示し、Arは有機基及び/又はハロゲン原子を置換基として有しても良いフェニレン、ナフチレン、及びビフェニレンからなる群より選ばれる芳香族炭化水素基を示し、R及びR10は、それぞれ独立に、炭素数1~10のアルキル基又は炭素数1~10のアルコキシ基を表し、RとR10がアルキル基の場合、末端で互いに結合し環構造を形成していても良い。Qは下記のいずれかの構造を表す。
Figure 0007367674000013

(式中、R11は-CH-、-NR-、-O-、又は-S-を表し、Rは水素原子又は炭素原子数1~4のアルキル基を表し、*は化合物分子のQ以外の部分との結合部位を示す。)
12は水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~10のアルキル基又は炭素数1~10のアルコキシ基を表す。)
重合体としては、例えばポリイミド前駆体、及びポリイミド、ポリウレア、ポリアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリオルガノシロキサンなどからなる群から選ばれる少なくとも1種の重合体が好ましい。
本発明に用いるラジカル発生膜を得るために、前記ラジカル重合を誘発する有機基を有する重合体を用いる場合、ラジカルを発生しうる基を有する重合体を得るには、モノマー成分として、メタクリル基、アクリル基、ビニル基、アリル基、クマリン基、スチリル基及びシンナモイル基から選択される少なくとも一種を含む光反応性の側鎖を有するモノマーや、紫外線照射により分解し、ラジカルを発生する部位を側鎖に有するモノマーを用いて製造することが好ましい。一方で、ラジカルを発生するモノマーはそれ自体が自発的に重合をしてしまうなどの問題点が考えられ、不安定化合物となってしまうため、合成のしやすさの点ではラジカル発生部位を有するジアミンから誘導される重合体が好ましく、より好ましくはポリアミック酸やポリアミック酸エステル等のポリイミド前駆体、ポリイミド、ポリウレア、ポリアミドなどが好ましい。
そのようなラジカル発生部位含有ジアミンは、具体的には、例えば、ラジカルを発生し重合可能な側鎖を有するジアミンであり、下記の一般式(6)で表されるジアミンを挙げることができるが、これに限定されるものではない。
Figure 0007367674000014

(式(6)中、Rは単結合、-CH-、-O-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、-NH-、-CHO-、-N(CH)-、-CON(CH)-、又は-N(CH)CO-を表し、
は単結合、又は非置換もしくはフッ素原子によって置換されている炭素数1~20のアルキレン基を表し、当該アルキレン基の任意の-CH-又は-CF-の1以上は、それぞれ独立に-CH=CH-、二価の炭素環、および二価の複素環から選ばれる基で置き換えられていてもよく、さらに、次に挙げるいずれかの基、すなわち、-O-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、又は-NH-が互いに隣り合わないことを条件に、これらの基で置き換えられていてもよい;
は、下記式:
Figure 0007367674000015

から選択されるラジカル重合反応性基を表す。
(式[X-1]~[X-18]中、*は化合物分子のラジカル重合反応性基以外の部分との結合部位を示し、S、Sはそれぞれ独立して-O-、-NR-、-S-を表し、Rは水素原子又は炭素原子数1~4のアルキル基を表し、R12は水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~10のアルキル基又は炭素数1~10のアルコキシ基を表し、R,Rはそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~4のアルキル基を表す)
式(6)における二つのアミノ基(-NH)の結合位置は限定されない。具体的には、側鎖の結合基に対して、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、3,5の位置が挙げられる。なかでも、ポリアミック酸を合成する際の反応性の観点から、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。
メタクリル基、アクリル基、ビニル基、アリル基、クマリン基、スチリル基及びシンナモイル基からなる群から選ばれる少なくとも1種を含む光反応性基を有するジアミンとしては、具体的には、以下のような化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
Figure 0007367674000016

(式中、Jは単結合、-O-、-COO-、-NHCO-、又は-NH-より選ばれる結合基であり、Jは単結合、又は非置換もしくはフッ素原子によって置換されている炭素数1~20のアルキレン基を表す。)
紫外線照射により分解し、ラジカルが発生する部位を側鎖として有するジアミンは、下記の一般式(7)で表されるジアミンを挙げることができるが、これに限定されるものではない。
Figure 0007367674000017

(式(7)中、T及びTは、それぞれ独立に、単結合、-O-、-S-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、-NH-、-CHO-、-N(CH)-、-CON(CH)-、又は-N(CH)CO-であり、
は単結合、又は非置換もしくはフッ素原子によって置換されている炭素数1~20のアルキレン基を表し、当該アルキレン基の任意の-CH-又は-CF-の1以上は、それぞれ独立に-CH=CH-、二価の炭素環、および二価の複素環から選ばれる基で置き換えられていてもよく、さらに、次に挙げるいずれかの基、すなわち、-O-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、又は-NH-が互いに隣り合わないことを条件に、これらの基で置き換えられていてもよく、
Jは下記式で表される有機基であり、
Figure 0007367674000018

(式[W]、[Y]、[Z]中、*はTとの結合箇所を表し、Arは有機基及び/又はハロゲン原子を置換基として有しても良いフェニレン、ナフチレン、及びビフェニレンからなる群より選ばれる芳香族炭化水素基を示し、R及びR10は、それぞれ独立に、炭素数1~10のアルキル基又は炭素数1~10のアルコキシ基を表し、Qは下記のいずれかの構造を表す。
Figure 0007367674000019

(式中、R11は-CH-、-NR-、-O-、又は-S-を表し、Rは水素原子又は炭素原子数1~4のアルキル基を表し、*は化合物分子のQ以外の部分との結合部位を示す。)
12は水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~10のアルキル基又は炭素数1~10のアルコキシ基を表す。))
上記式(7)における二つのアミノ基(-NH)の結合位置は限定されない。具体的には、側鎖の結合基に対して、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、3,5の位置が挙げられる。なかでも、ポリアミック酸を合成する際の反応性の観点から、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。
特に合成の容易さ、汎用性の高さ、特性などの点を鑑みて、下記式で表される構造が最も好ましいが、これらに限定されない。
Figure 0007367674000020

(式中、nは2~8の整数である。)
上記のジアミンは、ラジカル発生膜とした際の液晶配向性、重合反応における感度、電圧保持特性、蓄積電荷などの特性に応じて、1種類又は2種類以上を混合して使用することもできる。
このようなラジカル重合が発生する部位を有するジアミンは、ラジカル発生膜形成組成物に含有させる重合体の合成に用いるジアミン成分全体の5~50モル%となる量を用いることが好ましく、より好ましくは10~40モル%であり、特に好ましくは15~30モル%である。
なお、本発明のラジカル発生膜に用いる重合体をジアミンから得る場合、本発明の効果を損わない限りにおいて、上記ラジカルが発生する部位を有するジアミン以外の、その他のジアミンをジアミン成分として併用することができる。具体的には、例えば、p-フェニレンジアミン、2,3,5,6-テトラメチル-p-フェニレンジアミン、2,5-ジメチル-p-フェニレンジアミン、m-フェニレンジアミン、2,4-ジメチル-m-フェニレンジアミン、2,5-ジアミノトルエン、2,6-ジアミノトルエン、2,5-ジアミノフェノール、2,4-ジアミノフェノール、3,5-ジアミノフェノール、3,5-ジアミノベンジルアルコール、2,4-ジアミノベンジルアルコール、4,6-ジアミノレゾルシノール、4,4’-ジアミノビフェニル、3,3’-ジメチル-4,4’-ジアミノビフェニル、3,3’-ジメトキシ-4,4’-ジアミノビフェニル、3,3’-ジヒドロキシ-4,4’-ジアミノビフェニル、3,3’-ジカルボキシ-4,4’-ジアミノビフェニル、3,3’-ジフルオロ-4,4’-ビフェニル、3,3’-トリフルオロメチル-4,4’-ジアミノビフェニル、3,4’-ジアミノビフェニル、3,3’-ジアミノビフェニル、2,2’-ジアミノビフェニル、2,3’-ジアミノビフェニル、4,4’-ジアミノジフェニルメタン、3,3’-ジアミノジフェニルメタン、3,4’-ジアミノジフェニルメタン、2,2’-ジアミノジフェニルメタン、2,3’-ジアミノジフェニルメタン、4,4’-ジアミノジフェニルエーテル、3,3’-ジアミノジフェニルエーテル、3,4’-ジアミノジフェニルエーテル、2,2’-ジアミノジフェニルエーテル、2,3’-ジアミノジフェニルエーテル、4,4’-スルホニルジアニリン、3,3’-スルホニルジアニリン、ビス(4-アミノフェニル)シラン、ビス(3-アミノフェニル)シラン、ジメチル-ビス(4-アミノフェニル)シラン、ジメチル-ビス(3-アミノフェニル)シラン、4,4’-チオジアニリン、3,3’-チオジアニリン、4,4’-ジアミノジフェニルアミン、3,3’-ジアミノジフェニルアミン、3,4’-ジアミノジフェニルアミン、2,2’-ジアミノジフェニルアミン、2,3’-ジアミノジフェニルアミン、N-メチル(4,4’-ジアミノジフェニル)アミン、N-メチル(3,3’-ジアミノジフェニル)アミン、N-メチル(3,4’-ジアミノジフェニル)アミン、N-メチル(2,2’-ジアミノジフェニル)アミン、N-メチル(2,3’-ジアミノジフェニル)アミン、4,4’-ジアミノベンゾフェノン、3,3’-ジアミノベンゾフェノン、3,4’-ジアミノベンゾフェノン、1,4-ジアミノナフタレン、2,2’-ジアミノベンゾフェノン、2,3’-ジアミノベンゾフェノン、1,5-ジアミノナフタレン、1,6-ジアミノナフタレン、1,7-ジアミノナフタレン、1,8-ジアミノナフタレン、2,5-ジアミノナフタレン、2,6-ジアミノナフタレン、2,7-ジアミノナフタレン、2,8-ジアミノナフタレン、1,2-ビス(4-アミノフェニル)エタン、1,2-ビス(3-アミノフェニル)エタン、1,3-ビス(4-アミノフェニル)プロパン、1,3-ビス(3-アミノフェニル)プロパン、1,4-ビス(4-アミノフェニル)ブタン、1,4-ビス(3-アミノフェニル)ブタン、ビス(3,5-ジエチル-4-アミノフェニル)メタン、1,4-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン、1,3-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン、1,4-ビス(4-アミノフェニル)ベンゼン、1,3-ビス(4-アミノフェニル)ベンゼン、1,4-ビス(4-アミノベンジル)ベンゼン、1,3-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン、4,4’-[1,4-フェニレンビス(メチレン)]ジアニリン、4,4’-[1,3-フェニレンビス(メチレン)]ジアニリン、3,4’-[1,4-フェニレンビス(メチレン)]ジアニリン、3,4’-[1,3-フェニレンビス(メチレン)]ジアニリン、3,3’-[1,4-フェニレンビス(メチレン)]ジアニリン、3,3’-[1,3-フェニレンビス(メチレン)]ジアニリン、1,4-フェニレンビス[(4-アミノフェニル)メタノン]、1,4-フェニレンビス[(3-アミノフェニル)メタノン]、1,3-フェニレンビス[(4-アミノフェニル)メタノン]、1,3-フェニレンビス[(3-アミノフェニル)メタノン]、1,4-フェニレンビス(4-アミノベンゾエート)、1,4-フェニレンビス(3-アミノベンゾエート)、1,3-フェニレンビス(4-アミノベンゾエート)、1,3-フェニレンビス(3-アミノベンゾエート)、ビス(4-アミノフェニル)テレフタレート、ビス(3-アミノフェニル)テレフタレート、ビス(4-アミノフェニル)イソフタレート、ビス(3-アミノフェニル)イソフタレート、N,N’-(1,4-フェニレン)ビス(4-アミノベンズアミド)、N,N’-(1,3-フェニレン)ビス(4-アミノベンズアミド)、N,N’-(1,4-フェニレン)ビス(3-アミノベンズアミド)、N,N’-(1,3-フェニレン)ビス(3-アミノベンズアミド)、N,N’-ビス(4-アミノフェニル)テレフタルアミド、N,N’-ビス(3-アミノフェニル)テレフタルアミド、N,N’-ビス(4-アミノフェニル)イソフタルアミド、N,N’-ビス(3-アミノフェニル)イソフタルアミド、9,10-ビス(4-アミノフェニル)アントラセン、4,4’-ビス(4-アミノフェノキシ)ジフェニルスルホン、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-(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、2,2’-ビス(3-アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、2,2’-ビス(3-アミノ-4-メチルフェニル)ヘキサフルオロプロパン、2,2’-ビス(4-アミノフェニル)プロパン、2,2’-ビス(3-アミノフェニル)プロパン、2,2’-ビス(3-アミノ-4-メチルフェニル)プロパン、トランス-1,4-ビス(4-アミノフェニル)シクロヘキサン、3,5-ジアミノ安息香酸、2,5-ジアミノ安息香酸、ビス(4-アミノフェノキシ)メタン、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、1,3-ビス(3-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、1,4-ビス(3-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、1,5-ビス(3-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)へキサン、1,6-ビス(3-アミノフェノキシ)へキサン、1,7-ビス(4-アミノフェノキシ)ヘプタン、1,7-ビス(3-アミノフェノキシ)ヘプタン、1,8-ビス(4-アミノフェノキシ)オクタン、1,8-ビス(3-アミノフェノキシ)オクタン、1,9-ビス(4-アミノフェノキシ)ノナン、1,9-ビス(3-アミノフェノキシ)ノナン、1,10-ビス(4-アミノフェノキシ)デカン、1,10-ビス(3-アミノフェノキシ)デカン、1,11-ビス(4-アミノフェノキシ)ウンデカン、1,11-ビス(3-アミノフェノキシ)ウンデカン、1,12-ビス(4-アミノフェノキシ)ドデカン、1,12-ビス(3-アミノフェノキシ)ドデカンなどの芳香族ジアミン;ビス(4-アミノシクロヘキシル)メタン、ビス(4-アミノ-3-メチルシクロヘキシル)メタンなどの脂環式ジアミン;1,3-ジアミノプロパン、1,4-ジアミノブタン、1,5-ジアミノペンタン、1,6-ジアミノへキサン、1,7-ジアミノヘプタン、1,8-ジアミノオクタン、1,9-ジアミノノナン、1,10-ジアミノデカン、1,11-ジアミノウンデカン、1,12-ジアミノドデカンなどの脂肪族ジアミン;1,3-ビス[2-(p-アミノフェニル)エチル]ウレア、1,3-ビス[2-(p-アミノフェニル)エチル]-1-ターシャリーブチルオキシカルボニルウレア等のウレア構造を有するジアミン;N-p-アミノフェニル-4-p-アミノフェニル(ターシャリーブチルオキシカルボニル)アミノメチルピペリジン等の含窒素不飽和複素環構造を有するジアミン;N-ターシャリー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)アミン等のN-Boc基を有するジアミン等が挙げられる。
上記その他のジアミンは、ラジカル発生膜とした際の液晶配向性、重合反応における感度、電圧保持特性、蓄積電荷などの特性に応じて、1種類又は2種類以上を混合して使用することもできる。
重合体がポリアミック酸である場合の合成で、上記のジアミン成分と反応させるテトラカルボン酸二無水物は特に限定されない。具体的には、ピロメリット酸、2,3,6,7-ナフタレンテトラカルボン酸、1,2,5,6-ナフタレンテトラカルボン酸、1,4,5,8-ナフタレンテトラカルボン酸、2,3,6,7-アントラセンテトラカルボン酸、1,2,5,6-アントラセンテトラカルボン酸、3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸、2,3,3’,4’-ビフェニルテトラカルボン酸、ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)エーテル、3,3’,4,4’-ベンゾフェノンテトラカルボン酸、ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)スルホン、ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)メタン、2,2-ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)プロパン、1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロ-2,2-ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)プロパン、ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)ジメチルシラン、ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)ジフェニルシラン、2,3,4,5-ピリジンテトラカルボン酸、2,6-ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)ピリジン、3,3’,4,4’-ジフェニルスルホンテトラカルボン酸、3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸、1,3-ジフェニル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸、オキシジフタルテトラカルボン酸、1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸、1,2,3,4-シクロペンタンテトラカルボン酸、1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸、1,2,3,4-テトラメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸、1,2-ジメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸、1,3-ジメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸、1,2,3,4-シクロヘプタンテトラカルボン酸、2,3,4,5-テトラヒドロフランテトラカルボン酸、3,4-ジカルボキシ-1-シクロへキシルコハク酸、2,3,5-トリカルボキシシクロペンチル酢酸、3,4-ジカルボキシ-1,2,3,4-テトラヒドロ-1-ナフタレンコハク酸、ビシクロ[3,3,0]オクタン-2,4,6,8-テトラカルボン酸、ビシクロ[4,3,0]ノナン-2,4,7,9-テトラカルボン酸、ビシクロ[4,4,0]デカン-2,4,7,9-テトラカルボン酸、ビシクロ[4,4,0]デカン-2,4,8,10-テトラカルボン酸、トリシクロ[6.3.0.0<2,6>]ウンデカン-3,5,9,11-テトラカルボン酸、1,2,3,4-ブタンテトラカルボン酸、4-(2,5-ジオキソテトラヒドロフラン-3-イル)-1,2,3,4-テトラヒドナフタレン-1,2-ジカルボン酸、ビシクロ[2,2,2]オクト-7-エン-2,3,5,6-テトラカルボン酸、5-(2,5-ジオキソテトラヒドロフリル)-3-メチル-3-シクロへキサン-1,2-ジカルボン酸、テトラシクロ[6,2,1,1,0<2,7>]ドデカ-4,5,9,10-テトラカルボン酸、3,5,6-トリカルボキシノルボルナン-2:3,5:6ジカルボン酸、1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸等のテトラカルボン酸の二無水物が挙げられる。
勿論、テトラカルボン酸二無水物も、ラジカル発生膜とした際の液晶配向性、重合反応における感度、電圧保持特性、蓄積電荷などの特性に応じて、1種類又は2種類以上併用してもよい。
重合体がポリアミド酸エステルである場合の合成で、上記のジアミン成分と反応させるテトラカルボン酸ジアルキルエステルの構造は特に限定されないが、その具体例を以下に挙げる。
脂肪族テトラカルボン酸ジエステルの具体的な例としては1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸ジアルキルエステル、1,2-ジメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸ジアルキルエステル、1,3-ジメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸ジアルキルエステル、1,2,3,4-テトラメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸ジアルキルエステル、1,2,3,4-シクロペンタンテトラカルボン酸ジアルキルエステル、2,3,4,5-テトラヒドロフランテトラカルボン酸ジアルキルエステル、1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸ジアルキルエステル、3,4-ジカルボキシ-1-シクロヘキシルコハク酸ジアルキルエステル、3,4-ジカルボキシ-1,2,3,4-テトラヒドロ-1-ナフタレンコハク酸ジアルキルエステル、1,2,3,4-ブタンテトラカルボン酸ジアルキルエステル、ビシクロ[3,3,0]オクタン-2,4,6,8-テトラカルボン酸ジアルキルエステル、3,3’,4,4’-ジシクロヘキシルテトラカルボン酸ジアルキルエステル、2,3,5-トリカルボキシシクロペンチル酢酸ジアルキルエステル、シス-3,7-ジブチルシクロオクタ-1,5-ジエン-1,2,5,6-テトラカルボン酸ジアルキルエステル、トリシクロ[4.2.1.0<2,5>]ノナン-3,4,7,8-テトラカルボン酸-3,4:7,8-ジアルキルエステル、ヘキサシクロ[6.6.0.1<2,7>.0<3,6>.1<9,14>.0<10,13>]ヘキサデカン-4,5,11,12-テトラカルボン酸-4,5:11,12-ジアルキルエステル、4-(2,5-ジオキソテトラヒドロフラン-3-イル)-1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン1,2-ジカルボンジアルキルエステルなどが挙げられる。
芳香族テトラカルボン酸ジアルキルエステルとしては、ピロメリット酸ジアルキルエステル、3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸ジアルキルエステル、2,2’,3,3’-ビフェニルテトラカルボン酸ジアルキルエステル、2,3,3’,4-ビフェニルテトラカルボン酸ジアルキルエステル、3,3’,4,4’-ベンゾフェノンテトラカルボン酸ジアルキルエステル、2,3,3’,4’-ベンゾフェノンテトラカルボン酸ジアルキルエステル、ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)エーテルジアルキルエステル、ビス(3,4-ジカルボキシフェニル)スルホンジアルキルエステル、1,2,5,6-ナフタレンテトラカルボン酸ジアルキルエステル、2,3,6,7-ナフタレンテトラカルボン酸ジアルキルエステルなどが挙げられる。
重合体がポリウレアである場合の合成で、上記のジアミン成分と反応させるジイソシアネートに関しては、特に限定はせず、入手性等に応じて使用することができる。ジイソシアネートの具体的構造を以下に示す。
Figure 0007367674000021

式中R、Rは炭素数1~10の脂肪族炭化水素を表す。
K-1~K-5に示す脂肪族ジイソシアネートは、反応性は劣るが溶媒溶解性を向上させるメリットがあり、K-6~K-7の示すような芳香族ジイソシアネートは反応性に富み耐熱性を向上させる効果があるが、溶媒溶解性を低下させる欠点が挙げられる。汎用性や特性面において特に好ましくはK-1、K-7、K-8、K-9、K-10が好ましく、電気特性の加点ではK-12、液晶配向性の観点ではK-13が特に好ましい。ジイソシアネートは1種以上を併用して使用することもでき、得たい特性に応じて種々適用するのが好ましい。
また、一部のジイソシアネートを上記で説明したテトラカルボン酸二無水物に置き換えることもでき、ポリアミック酸とポリウレアの共重合体のような形で使用しても良く、化学イミド化によってポリイミドとポリウレアの共重合体のような形で使用しても良い。
重合体がポリアミドである場合の合成で、反応させるジカルボン酸の構造は特に限定されないが、あえて具体例を以下に挙げれば以下のとおりである。脂肪族ジカルボン酸の具体例として、マロン酸、蓚酸、ジメチルマロン酸、コハク酸、フマル酸、グルタル酸、アジピン酸、ムコン酸、2-メチルアジピン酸、トリメチルアジピン酸、ピメリン酸、2,2-ジメチルグルタル酸、3,3-ジエチルコハク酸、アゼライン酸、セバシン酸およびスベリン酸等のジカルボン酸を挙げることができる。
脂環式系のジカルボン酸としては、1,1-シクロプロパンジカルボン酸、1,2-シクロプロパンジカルボン酸、1,1-シクロブタンジカルボン酸、1,2-シクロブタンジカルボン酸、1,3-シクロブタンジカルボン酸、3,4-ジフェニル-1,2-シクロブタンジカルボン酸、2,4-ジフェニル-1,3-シクロブタンジカルボン酸、1-シクロブテン-1,2-ジカルボン酸、1-シクロブテン-3,4-ジカルボン酸、1,1-シクロペンタンジカルボン酸、1,2-シクロペンタンジカルボン酸、1,3-シクロペンタンジカルボン酸、1,1-シクロヘキサンジカルボン酸、1,2-シクロヘキサンジカルボン酸、1,3-シクロヘキサンジカルボン酸、1,4-シクロヘキサンジカルボン酸、1,4-(2-ノルボルネン)ジカルボン酸、ノルボルネン-2,3-ジカルボン酸、ビシクロ[2.2.2]オクタン-1,4-ジカルボン酸、ビシクロ[2.2.2]オクタン-2,3-ジカルボン酸、2,5-ジオキソ-1,4-ビシクロ[2.2.2]オクタンジカルボン酸、1,3-アダマンタンジカルボン酸、4,8-ジオキソ-1,3-アダマンタンジカルボン酸、2,6-スピロ[3.3]ヘプタンジカルボン酸、1,3-アダマンタン二酢酸、カンファー酸等を挙げることができる。
芳香族ジカルボン酸としては、o-フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、5-メチルイソフタル酸、5-tert-ブチルイソフタル酸、5-アミノイソフタル酸、5-ヒドロキシイソフタル酸、2,5-ジメチルテレフタル酸、テトラメチルテレフタル酸、1,4-ナフタレンジカルボン酸、2,5-ナフタレンジカルボン酸、2,6-ナフタレンジカルボン酸、2,7-ナフタレンジカルボン酸、1,4-アントラセンジカルボン酸、1,4-アントラキノンジカルボン酸、2,5-ビフェニルジカルボン酸、4,4’-ビフェニルジカルボン酸、1,5-ビフェニレンジカルボン酸、4,4”-ターフェニルジカルボン酸、4,4’-ジフェニルメタンジカルボン酸、4,4’-ジフェニルエタンジカルボン酸、4,4’-ジフェニルプロパンジカルボン酸、4,4’-ジフェニルヘキサフルオロプロパンジカルボン酸、4,4’-ジフェニルエーテルジカルボン酸、4,4’-ビベンジルジカルボン酸、4,4’-スチルベンジカルボン酸、4,4’-トランジカルボン酸、4,4’-カルボニル二安息香酸、4,4’-スルホニル二安息香酸、4,4’-ジチオ二安息香酸、p-フェニレン二酢酸、3,3’-p-フェニレンジプロピオン酸、4-カルボキシ桂皮酸、p-フェニレンジアクリル酸、3,3’-[4,4’-(メチレンジ-p-フェニレン)]ジプロピオン酸、4,4’-[4,4’-(オキシジ-p-フェニレン)]ジプロピオン酸、4,4’-[4,4’-(オキシジ-p-フェニレン)]二酪酸、(イソプロピリデンジ-p-フェニレンジオキシ)二酪酸、ビス(p-カルボキシフェニル)ジメチルシラン等のジカルボン酸を挙げることができる。
複素環を含むジカルボン酸としては、1,5-(9-オキソフルオレン)ジカルボン酸、3,4-フランジカルボン酸、4,5-チアゾールジカルボン酸、2-フェニル-4,5-チアゾールジカルボン酸、1,2,5-チアジアゾール-3,4-ジカルボン酸、1,2,5-オキサジアゾール-3,4-ジカルボン酸、2,3-ピリジンジカルボン酸、2,4-ピリジンジカルボン酸、2,5-ピリジンジカルボン酸、2,6-ピリジンジカルボン酸、3,4-ピリジンジカルボン酸、3,5-ピリジンジカルボン酸等を挙げることができる。
上記の各種ジカルボン酸は酸ジハライドあるいは無水の構造のものであってもよい。これらのジカルボン酸類は、特に直線的な構造のポリアミドを与えることが可能なジカルボン酸類であることが液晶分子の配向性を保つ上から好ましい。これらの中でも、テレフタル酸、イソフタル酸、1,4-シクロヘキサンジカルボン酸、4,4’-ビフェニルジカルボン酸、4,4’-ジフェニルメタンジカルボン酸、4,4’-ジフェニルエタンジカルボン酸、4,4’-ジフェニルプロパンジカルボン酸、4,4’-ジフェニルヘキサフルオロプロパンジカルボン酸、2,2-ビス(フェニル)プロパンジカルボン酸、4、4-ターフェニルジカルボン酸、2,6-ナフタレンジカルボン酸、2,5-ピリジンジカルボン酸またはこれらの酸ジハライド等が好ましく用いられる。これらの化合物には異性体が存在するものもあるが、それらを含む混合物であってもよい。また、2種以上の化合物を併用してもよい。なお、本発明に使用するジカルボン酸類は、上記の例示化合物に限定されるものではない。
原料であるジアミン(「ジアミン成分」とも記載する)と原料であるテトラカルボン酸二無水物(「テトラカルボン酸二無水物成分」とも記載する)、テトラカルボン酸ジエステル、ジイソシアネート及びジカルボン酸から選ばれる成分との反応により、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリウレア、ポリアミドを得るにあたっては、公知の合成手法を用いることができる。一般的には、ジアミン成分とテトラカルボン酸二無水物成分、テトラカルボン酸ジエステル、ジイソシアネート及びジカルボン酸から選ばれる一種以上の成分とを、有機溶媒中で反応させる方法である。
ジアミン成分とテトラカルボン酸二無水物成分との反応は、有機溶媒中で比較的容易に進行し、かつ副生成物が発生しない点で有利である。
上記反応に用いる有機溶媒としては、生成した重合体が溶解するものであれば特に限定されない。さらに、重合体が溶解しない有機溶媒であっても、生成した重合体が析出しない範囲で、上記溶媒に混合して使用してもよい。なお、有機溶媒中の水分は、重合反応を阻害し、さらには生成した重合体を加水分解させる原因となるので、有機溶媒は脱水乾燥させたものを用いることが好ましい。
有機溶媒としては、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,N-ジエチルホルムアミド、N-メチルホルムアミド、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、2-ピロリドン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、3-メトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミド、N-メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルスルホキシド、γ-ブチロラクトン、イソプロピルアルコール、メトキシメチルペンタノール、ジペンテン、エチルアミルケトン、メチルノニルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソアミルケトン、メチルイソプロピルケトン、メチルセソルブ、エチルセソルブ、メチルセロソルブアセテート、ブチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトール、エチルカルビトール、エチレングリコール、エチレングリコールモノアセテート、エチレングリコールモノイソプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコール、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モノメチルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコール-tert-ブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、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、ジエチレングリコールモノアセテート、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、ジプロピレングリコールモノアセテートモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、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モノアセテートモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノプロピルエーテル、ジプロピレングリコールモノアセテートモノプロピルエーテル、3-メチル-3-メトキシブチルアセテート、トリプロピレングリコールメチルエーテル、3-メチル-3-メトキシブタノール、ジイソプロピルエーテル、エチルイソブチルエーテル、ジイソブチレン、アミルアセテート、ブチルブチレート、ブチルエーテル、ジイソブチルケトン、メチルシクロへキセン、プロピルエーテル、ジヘキシルエーテル、ジオキサン、n-へキサン、n-ペンタン、n-オクタン、ジエチルエーテル、シクロヘキサノン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、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、ジグライム、4-ヒドロキシ-4-メチル-2-ペンタノン、2-エチル-1-ヘキサノール等が挙げられる。これらの有機溶媒は単独で使用しても、混合して使用してもよい。
ジアミン成分とテトラカルボン酸二無水物成分とを有機溶媒中で反応させる際には、ジアミン成分を有機溶媒に分散あるいは溶解させた溶液を攪拌し、テトラカルボン酸二無水物成分をそのまま、又は有機溶媒に分散あるいは溶解させて添加する方法、逆にテトラカルボン酸二無水物成分を有機溶媒に分散あるいは溶解させた溶液にジアミン成分を添加する方法、テトラカルボン酸二無水物成分とジアミン成分とを交互に添加する方法などが挙げられ、これらのいずれの方法を用いてもよい。また、ジアミン成分又はテトラカルボン酸二無水物成分が複数種の化合物からなる場合は、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く、さらに個別に反応させた低分子量体を混合反応させ高分子量体としてもよい。
ジアミン成分とテトラカルボン酸二無水物成分とを反応させる際の温度は、任意の温度を選択することができ、例えば、-20~100℃、好ましくは-5~80℃の範囲である。また、反応は任意の濃度で行うことができ、例えば、反応液に対してジアミン成分とテトラカルボン酸二無水物成分との合計量が1~50質量%、好ましくは5~30質量%である。
上記の重合反応における、ジアミン成分の合計モル数に対するテトラカルボン酸二無水物成分の合計モル数の比率は、得ようとするポリアミック酸の分子量に応じて任意の値を選択することができる。通常の重縮合反応と同様に、このモル比が1.0に近いほど生成するポリアミック酸の分子量は大きくなる。好ましい範囲としては、0.8~1.2である。
本発明に用いられる重合体を合成する方法は、上記の手法に限定されず、ポリアミック酸を合成する場合は、一般的なポリアミック酸の合成方法と同様に、上記のテトラカルボン酸二無水物に代えて、対応する構造のテトラカルボン酸又はテトラカルボン酸ジハライドなどのテトラカルボン酸誘導体を用い、公知の方法で反応させることでも対応するポリアミック酸を得ることができる。また、ポリウレアを合成する場合は、ジアミンとジイソシアネートとを反応させればよい。ポリアミック酸エステルまたはポリアミドを製造する際には、ジアミンと、テトラカルボン酸ジエステル及びジカルボン酸から選ばれる成分を、公知の縮合剤の存在下で、又は、公知の方法で酸ハライドに誘導したのちに、ジアミンと反応させればよい。
上記したポリアミック酸をイミド化させてポリイミドとする方法としては、ポリアミック酸の溶液をそのまま加熱する熱イミド化、ポリアミック酸の溶液に触媒を添加する触媒イミド化が挙げられる。なお、ポリアミック酸からポリイミドへのイミド化率は、電圧保持率を高くできることから、30%以上であることが好ましく、30~99%であることがより好ましい。一方、白化特性の、すなわち、ワニス中での重合体の析出を抑制する観点から、70%以下が好ましい。両方の特性を加味すると、40~80%がより好ましい。
ポリアミック酸を溶液中で熱イミド化させる場合の温度は、通常100~400℃、好ましくは120~250℃であり、イミド化反応により生成する水を系外に除きながら行うことが好ましい。
ポリアミック酸の触媒イミド化は、ポリアミック酸の溶液に、塩基性触媒と酸無水物とを添加し、通常-20~250℃、好ましくは0~180℃で攪拌することにより行うことができる。塩基性触媒の量は、アミド酸基の通常0.5~30モル倍、好ましくは2~20モル倍であり、酸無水物の量は、アミド酸基の通常1~50モル倍、好ましくは3~30モル倍である。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などを挙げることができ、中でもピリジンは反応を進行させるのに適度な塩基性を持つので好ましい。酸無水物としては、無水酢酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸などを挙げることができるが、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。触媒イミド化によるイミド化率は、触媒量と反応温度、反応時間などを調節することにより制御することができる。
重合体の反応溶液から、生成した重合体を回収する場合には、反応溶液を貧溶媒に投入して沈殿させればよい。沈殿生成に用いる貧溶媒としては、メタノール、アセトン、ヘキサン、ブチルセソルブ、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、水などを挙げることができる。貧溶媒に投入して沈殿させたポリマーは、濾過して回収した後、常圧あるいは減圧下で、常温あるいは加熱して乾燥することができる。また、沈殿回収した重合体を、有機溶媒に再溶解させ、再沈殿回収する操作を2~10回繰り返すと、重合体中の不純物を少なくすることができる。この際の貧溶媒として、例えば、アルコール類、ケトン類、炭化水素などが挙げられ、これらの内から選ばれる3種類以上の貧溶媒を用いると、より一層精製の効率が上がるので好ましい。
また、前記ラジカル発生膜が、ラジカル重合を誘発する有機基を含有する重合体から成る場合、本発明に用いるラジカル発生膜形成組成物は、ラジカル重合を誘発する有機基を含有する重合体以外の他の重合体を含有していてもよい。その際、重合体全成分中における、他の重合体の含有量は5~95質量%が好ましく、より好ましくは30~70質量%である。
ラジカル発生膜形成組成物が有する重合体の分子量は、ラジカル発生膜を塗布して得られるラジカル発生膜の強度、塗膜形成時の作業性、塗膜の均一性等を考慮した場合、GPC(Gel Permeation Chromatography)法で測定した重量平均分子量で、5,000~1,000,000が好ましく、より好ましくは、10,000~150,000である。
本発明に用いるラジカル発生膜を、ラジカルを発生する基を有する化合物と重合体との組成物を塗布、硬化して膜を形成することにより膜中に固定化させて得る場合の重合体としては、上記の製造方法に準じて製造されるポリイミド前駆体、及びポリイミド、ポリウレア、ポリアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレートなどからなる群から選ばれる重合体であって、ラジカル重合が発生する部位を有するジアミンが、ラジカル発生膜形成組成物に含有させる重合体の合成に用いるジアミン成分全体の0モル%であるジアミン成分を用いて得られる少なくとも1種の重合体を用いてもよい。その際に添加するラジカルを発生する基を有する化合物としては、以下のものが挙げられる。
熱でラジカルを発生する化合物としては、分解温度以上に加熱することにより、ラジカルを発生させる化合物である。このようなラジカル熱重合開始剤としては、例えば、ケトンパーオキサイド類(メチルエチルケトンパーオキサイド、シクロヘキサノンパーオキサイド等)、ジアシルパーオキサイド類(アセチルパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド等)、ハイドロパーオキサイド類(過酸化水素、tert-ブチルハイドロパーオキサイド、クメンハイドロパーオキサイド等)、ジアルキルパーオキサイド類 (ジ-tert-ブチルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、ジラウロイルパーオキサイド等)、パーオキシケタール類(ジブチルパーオキシシクロヘキサン等)、アルキルパーエステル類(パーオキシネオデカン酸-tert-ブチルエステル、パーオキシピバリン酸-tert-ブチルエステル、パーオキシ2-エチルシクロヘキサン酸-tert-アミルエステル等)、過硫酸塩類(過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウム等)、アゾ系化合物(アゾビスイソブチロニトリル、および2,2’-ジ(2-ヒドロキシエチル)アゾビスイソブチロニトリル等)が挙げられる。このようなラジカル熱重合開始剤は、1種を単独で使用することもできるし、あるいは2種以上を組み合わせて使用することもできる。
光でラジカルを発生する化合物としては、ラジカル重合を光照射によって開始する化合物であれば特に限定されない。このようなラジカル光重合開始剤としては、ベンゾフェノン、ミヒラーズケトン、4,4’-ビス(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン、キサントン、チオキサントン、イソプロピルキサントン、2,4-ジエチルチオキサントン、2-エチルアントラキノン、アセトフェノン、2-ヒドロキシ-2-メチルプロピオフェノン、2-ヒドロキシ-2-メチル-4’-イソプロピルプロピオフェノン、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、イソプロピルベンゾインエーテル、イソブチルベンゾインエーテル、2,2-ジエトキシアセトフェノン、2,2-ジメトキシ-2-フェニルアセトフェノン、カンファーキノン、ベンズアントロン、2-メチル-1-[4-(メチルチオ)フェニル]-2-モルホリノプロパン-1-オン、2-ベンジル-2-ジメチルアミノ-1-(4-モルホリノフェニル)-ブタノン-1、4-ジメチルアミノ安息香酸エチル、4-ジメチルアミノ安息香酸イソアミル、4,4’-ジ(t-ブチルペルオキシカルボニル)ベンゾフェノン、3,4,4’-トリ(t-ブチルペルオキシカルボニル)ベンゾフェノン、2,4,6-トリメチルベンゾイルジフェニルフォスフィンオキサイド、2-(4’-メトキシスチリル)-4,6-ビス(トリクロロメチル)-s-トリアジン、2-(3’,4’-ジメトキシスチリル)-4,6-ビス(トリクロロメチル)-s-トリアジン、2-(2’,4’-ジメトキシスチリル)-4,6-ビス(トリクロロメチル)-s-トリアジン、2-(2’-メトキシスチリル)-4,6-ビス(トリクロロメチル)-s-トリアジン、2-(4’-ペンチルオキシスチリル)-4,6-ビス(トリクロロメチル)-s-トリアジン、4-[p-N,N-ジ(エトキシカルボニルメチル)]-2,6-ジ(トリクロロメチル)-s-トリアジン、1,3-ビス(トリクロロメチル)-5-(2’-クロロフェニル)-s-トリアジン、1,3-ビス(トリクロロメチル)-5-(4’-メトキシフェニル)-s-トリアジン、2-(p-ジメチルアミノスチリル)ベンズオキサゾール、2-(p-ジメチルアミノスチリル)ベンズチアゾール、2-メルカプトベンゾチアゾール、3,3’-カルボニルビス(7-ジエチルアミノクマリン)、2-(o-クロロフェニル)-4,4’,5,5’-テトラフェニル-1,2’-ビイミダゾール、2,2’-ビス(2-クロロフェニル)-4,4’,5,5’-テトラキス(4-エトキシカルボニルフェニル)-1,2’-ビイミダゾール、2,2’-ビス(2,4-ジクロロフェニル)-4,4’,5,5’-テトラフェニル-1,2’-ビイミダゾール、2,2’ビス(2,4-ジブロモフェニル)-4,4’,5,5’-テトラフェニル-1,2’-ビイミダゾール、2,2’-ビス(2,4,6-トリクロロフェニル)-4,4’,5,5’-テトラフェニル-1,2’-ビイミダゾール、3-(2-メチル-2-ジメチルアミノプロピオニル)カルバゾール、3,6-ビス(2-メチル-2-モルホリノプロピオニル)-9-n-ドデシルカルバゾール、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、ビス(5-2,4-シクロペンタジエン-1-イル)-ビス(2,6-ジフルオロ-3-(1H-ピロール-1-イル)-フェニル)チタニウム、3,3’,4,4’-テトラ(t-ブチルペルオキシカルボニル)ベンゾフェノン、3,3’,4,4’-テトラ(t-ヘキシルペルオキシカルボニル)ベンゾフェノン、3,3’-ジ(メトキシカルボニル)-4,4’-ジ(t-ブチルペルオキシカルボニル)ベンゾフェノン、3,4’-ジ(メトキシカルボニル)-4,3’-ジ(t-ブチルペルオキシカルボニル)ベンゾフェノン、4,4’-ジ(メトキシカルボニル)-3,3’-ジ(t-ブチルペルオキシカルボニル)ベンゾフェノン、2-(3-メチル-3H-ベンゾチアゾール-2-イリデン)-1-ナフタレン-2-イル-エタノン、又は2-(3-メチル-1,3-ベンゾチアゾール-2(3H)-イリデン)-1-(2-ベンゾイル)エタノン等を挙げることができる。これらの化合物は単独で使用してもよく、2つ以上を混合して使用することもできる。
なお、前記ラジカル発生膜が、ラジカル重合を誘発する有機基を含有する重合体から成る場合であっても、エネルギーを与えた際にラジカル重合を促進する目的で、上記のラジカルを発生する基を有する化合物を含有させてもよい。
ラジカル発生膜形成組成物は、重合体成分、必要に応じてラジカル発生剤その他の含有成分を溶解又は分散する有機溶媒を含有することができる。そのような有機溶媒に特に限定はなく、例えば、上記のポリアミック酸の合成で例示したような有機溶媒を挙げることができる。中でも、N-メチル-2-ピロリドン、γ-ブチロラクトン、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、3-メトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミド等は、溶解性の観点から好ましい。特に、N-メチル-2-ピロリドン又はN-エチル-2-ピロリドンが好ましいが、2種類以上の混合溶媒を用いてもよい。
また、塗膜の均一性や平滑性を向上させる溶媒を、ラジカル発生膜形成組成物の含有成分の溶解性が高い有機溶媒に混合して使用すると好ましい。
塗膜の均一性や平滑性を向上させる溶媒としては、例えば、イソプロピルアルコール、メトキシメチルペンタノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、メチルセロソルブアセテート、ブチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトール、エチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、エチレングリコール、エチレングリコールモノアセテート、エチレングリコールモノイソプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコール、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モノメチルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコール-tert-ブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコール、ジエチレングリコールモノアセテート、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、ジプロピレングリコールモノアセテートモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、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モノアセテートモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノプロピルエーテル、ジプロピレングリコールモノアセテートモノプロピルエーテル、3-メチル-3-メトキシブチルアセテート、トリプロピレングリコールメチルエーテル、3-メチル-3-メトキシブタノール、ジイソプロピルエーテル、エチルイソブチルエーテル、ジイソブチレン、アミルアセテート、ブチルブチレート、ブチルエーテル、ジイソブチルケトン、メチルシクロへキセン、プロピルエーテル、ジヘキシルエーテル、n-へキサン、n-ペンタン、n-オクタン、ジエチルエーテル、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、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、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、2-エチル-1-ヘキサノールなどが挙げられる。これらの溶媒は複数種類を混合してもよい。これらの溶媒を用いる場合は、液晶配向剤に含まれる溶媒全体の5~80質量%であることが好ましく、より好ましくは20~60質量%である。
ラジカル発生膜形成組成物には、上記以外の成分を含有させてもよい。その例としては、ラジカル発生膜形成組成物を塗布した際の膜厚均一性や表面平滑性を向上させる化合物、ラジカル発生膜形成組成物と基板との密着性を向上させる化合物、ラジカル発生膜形成組成物の膜強度をさらに向上させる化合物などが挙げられる。
膜厚の均一性や表面平滑性を向上させる化合物としては、フッ素系界面活性剤、シリコーン系界面活性剤、ノ二オン系界面活性剤などが挙げられる。より具体的には、例えば、エフトップEF301、EF303、EF352(トーケムプロダクツ社製))、メガファックF171、F173、R-30(大日本インキ社製)、フロラードFC430、FC431(住友スリーエム社製)、アサヒガードAG710、サーフロンS-382、SC101、SC102、SC103、SC104、SC105、SC106(旭硝子社製)などが挙げられる。これらの界面活性剤を使用する場合、その使用割合は、ラジカル発生膜形成組成物に含有される重合体の総量100質量部に対して、好ましくは0.01~2質量部、より好ましくは0.01~1質量部である。
ラジカル発生膜形成組成物と基板との密着性を向上させる化合物の具体例としては、官能性シラン含有化合物やエポキシ基含有化合物などが挙げられる。例えば、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、2-アミノプロピルトリメトキシシラン、2-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-アミノプロピルトリメトキシシラン、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、3-ウレイドプロピルトリメトキシシラン、3-ウレイドプロピルトリエトキシシラン、N-エトキシカルボニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-エトキシカルボニル-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-トリエトキシシリルプロピルトリエチレントリアミン、N-トリメトキシシリルプロピルトリエチレントリアミン、10-トリメトキシシリル-1,4,7-トリアザデカン、10-トリエトキシシリル-1,4,7-トリアザデカン、9-トリメトキシシリル-3,6-ジアザノニルアセテート、9-トリエトキシシリル-3,6-ジアザノニルアセテート、N-ベンジル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-ベンジル-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-ビス(オキシエチレン)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-ビス(オキシエチレン)-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、エチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、トリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、グリセリンジグリシジルエーテル、2,2-ジブロモネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、1,3,5,6-テトラグリシジル-2,4-ヘキサンジオール、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-m-キシレンジアミン、1,3-ビス(N,N-ジグリシジルアミノメチル)シクロヘキサン、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、3-(N-アリル-N-グリシジル)アミノプロピルトリメトキシシラン、3-(N,N-ジグリシジル)アミノプロピルトリメトキシシランなどが挙げられる。
また、ラジカル発生膜の膜強度をさらに上げるためには、2,2’-ビス(4-ヒドロキシ-3,5-ジヒドロキシメチルフェニル)プロパン、テトラ(メトキシメチル)ビスフェノール等のフェノール化合物を添加してもよい。これらの化合物を使用する場合は、ラジカル発生膜形成組成物に含有される重合体の総量100質量部に対して0.1~30質量部であることが好ましく、より好ましくは1~20質量部である。
さらに、ラジカル発生膜形成組成物には、上記の他、本発明の効果が損なわれない範囲であれば、ラジカル発生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や導電物質を添加してもよい。
[ラジカル発生膜]
本発明のラジカル発生膜は、上記ラジカル発生膜形成組成物を用いて得られる。例えば、本発明に用いるラジカル発生膜形成組成物を、基板に塗布した後、乾燥・焼成を行うことで得られる硬化膜を、そのままラジカル発生膜として用いることもできる。また、この硬化膜をラビングしたり、偏光又は特定の波長の光等を照射したり、イオンビーム等の処理をしたり、PSA用配向膜として液晶充填後の液晶表示素子にUVを照射することも可能である。
ラジカル発生膜形成組成物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ないが、基板上に液晶を駆動するための透明電極が形成された基板が好ましい。
具体例を挙げると、ガラス板、ポリカーボネート、ポリ(メタ)アクリレート、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリウレタン、ポリサルホン、ポリエーテル、ポリエーテルケトン、トリメチルペンテン、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、(メタ)アクリロニトリル、トリアセチルセルロース、ジアセチルセルロース、アセテートブチレートセルロースなどのプラスチック板などに透明電極が形成された基板を挙げることができる。
IPS方式の液晶表示素子に使用できる基板には、標準的なIPS櫛歯電極やPSAフィッシュボーン電極といった電極パターンやMVAのような突起パターンでも使用できる。
また、TFT型の素子のような高機能素子においては、液晶駆動のための電極と基板の間にトランジスタの如き素子が形成されたものが用いられる。
透過型の液晶表示素子を意図している場合は、上記の如き基板を用いることが一般的であるが、反射型の液晶表示素子を意図している場合では、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基板も用いることが可能である。その際、基板に形成された電極には、光を反射するアルミニウムの如き材料を用いることもできる。
ラジカル発生膜形成組成物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、スプレー法、ロールコート法などが挙げられるが、生産性の面から工業的には転写印刷法が広く用いられており、本発明でも好適に用いられる。
ラジカル発生膜形成組成物を塗布した後の乾燥の工程は、必ずしも必要とされないが、塗布後から焼成までの時間が基板ごとに一定していない場合、又は塗布後ただちに焼成されない場合には、乾燥工程を含める方が好ましい。この乾燥は、基板の搬送等により塗膜形状が変形しない程度に溶媒が除去されていればよく、その乾燥手段については特に限定されない。例えば、温度40℃~150℃、好ましくは60℃~100℃のホットプレート上で、0.5~30分、好ましくは1~5分乾燥させる方法が挙げられる。
上記の方法でラジカル発生膜形成組成物を塗布して形成される塗膜は、焼成して硬化膜とすることができる。その際、焼成温度は、通常100℃~350℃の任意の温度で行うことができるが、好ましくは140℃~300℃であり、より好ましくは150℃~230℃、更に好ましくは160℃~220℃である。焼成時間は通常5分~240分の任意の時間で焼成を行うことができる。好ましくは10~90分であり、より好ましくは20~90分である。加熱は、通常公知の方法、例えば、ホットプレート、熱風循環オーブン、IRオーブン、ベルト炉などを用いることができる。
この硬化膜の厚みは必要に応じて選択することができるが、好ましくは5nm以上、より好ましくは10nm以上の場合、液晶表示素子の信頼性が得られ易いので好適である。また、硬化膜の厚みが好ましくは300nm以下、より好ましくは150nm以下の場合は、液晶表示素子の消費電力が極端に大きくならないので好適である。
以上のようにしてラジカル発生膜を有する第一基板を得ることができるが、当該ラジカル発生膜に一軸配向処理を施すことができる。一軸配向処理を行う方法としては、光配向法、斜方蒸着法、ラビング、磁場による一軸配向処理等が挙げられる。
一方向にラビング処理することによる配向処理を行う場合には、例えば、ラビング布が巻きつけられたラビングローラーを回転させながら、ラビング布と膜とが接触するように基板を移動させる。櫛歯電極が形成されている本発明の第一基板の場合、液晶の電気的物性によって方向が選択されるが、正の誘電異方性を有する液晶を用いる場合においてはラビング方向は櫛歯電極の延びている方向とほぼ同一の方向とすることが好ましい。
ゼロアンカリング部と強アンカリング部を作り出す工程として、フォトマスク等を介して任意のパターンにて放射線を照射する方法が挙げられる。これは予めラジカル発生膜に放射線を照射することによりラジカル発生部位を消失させ、ゼロアンカリング状態にならないようにする工程である。この工程を行う際の放射線として偏光又は特定の波長の光や、イオンビーム等が挙げられる。光ラジカル発生部位に該当する部分の吸光度が最も高くなる波長の光を照射することが特に好ましい。
本発明の第二基板は、ラジカル発生膜を有さないほかは、上記第一基板と同様である。従来から知られている液晶配向膜を有する基板とすることが好ましい。
<液晶セル>
本発明の液晶セルは、上記の方法により、基板にラジカル発生膜を形成した後、当該ラジカル発生膜を有する基板(第一基板)と、公知の液晶配向膜を有する基板(第二基板)とを、ラジカル発生膜と液晶配向膜とが向かい合うように配置し、スペーサーを挟んで、シール剤で固定し、液晶及びラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物を注入して封止することにより得られる。その際、用いるスペーサーの大きさは通常1~30μmであるが、好ましくは2~10μmである。
液晶及びラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物を注入する方法は特に制限されず、作製した液晶セル内を減圧にした後、液晶と重合性化合物を含む混合物を注入する真空法、液晶と重合性化合物とを含む混合物を滴下した後に封止を行う滴下法などを挙げることができる。
<液晶及びラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物>
本発明の液晶表示素子の作成において、液晶とともに用いる重合性化合物は、ラジカル重合性化合物であれば特に限定されないが、例えば、一分子中に一個又は二個以上の重合性不飽和結合を有する化合物である。好ましくは一分子中に一個の重合性不飽和結合を有する化合物である(以下、「一官能の重合反応性基を有する化合物」、「単官能の重合反応性基を有する化合物」等と称する場合がある)。重合性不飽和結合は、好ましくはラジカル重合性不飽和結合であり、例えばビニル結合である。
前記ラジカル重合性化合物のうち少なくとも一種は、液晶と相溶性を有する、一分子中に一個の重合性不飽和結合を有する化合物、すなわち、単官能のラジカル重合性基を有する化合物であることが好ましい。
そして、前記ラジカル重合性化合物の重合反応性基としては以下の構造から選ばれる重合性基が好ましい。
Figure 0007367674000022

(式中、*は化合物分子の重合性不飽和結合以外の部分との結合部位を示す。Rは炭素数2~8の直鎖アルキル基を表し、Eは単結合、-O-、-NR-、-S-、エステル結合及びアミド結合から選ばれる結合基を表す。Rは水素原子、炭素数1~4のアルキル基を示す。)
また、前記液晶及びラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物において、前記ラジカル重合性化合物を重合させて得られるポリマーのTgが100℃以下のものになるラジカル重合性化合物を含有することが好ましい。
単官能のラジカル重合反応性基を有する化合物は、有機ラジカルの存在下でラジカル重合を行うことが可能な不飽和結合を有するものであり、例えば、t-ブチルメタクリレート、ヘキシルメタクリレート、2-エチルヘキシルメタクリレート、ノニルメタクリレート、ラウリルメタクリレート、n-オクチルメタクリレートなどのメタクリレート系モノマー;t-ブチルアクリレート、ヘキシルアクリレート、2-エチルヘキシルアクリレート、ノニルアクリレート、ベンジルアクリレート、ラウリルアクリレート、n-オクチルアクリレートなどのアクリレート系モノマー;スチレン、スチレン誘導体(例えば、o-、m-、p-メトキシスチレン、o-、m-、p-t-ブトキシスチレン、o-、m-、p-クロロメチルスチレンなど)、ビニルエステル類(例えば、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、安息香酸ビニルなど)、ビニルケトン類(例えば、ビニルメチルケトン、ビニルヘキシルケトン、メチルイソプロペニルケトンなど)、N-ビニル化合物(例えば、N-ビニルピロリドン、N-ビニルピロール、N-ビニルカルバゾール、N-ビニルインドールなど)、(メタ)アクリル酸誘導体(例えば、アクリロニトリル、メタアクリロニトリル、アクリルアミド、イソプロピルアクリルアミド、メタクリルアミドなど)、ハロゲン化ビニル類(例えば、塩化ビニル、塩化ビニリデン、テトラクロロエチレン、ヘキサクロロプレン、フッ化ビニルなど)などのビニルモノマーが挙げられるが、これらに限定はしない。これらの各種ラジカル重合性モノマーは、単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。また、これらは、液晶と相溶性を有することが好ましい。
また、前記ラジカル重合性化合物としては、下記式(1)で表される化合物も好ましい。
Figure 0007367674000023

式(1)中、RおよびRはそれぞれ独立に炭素数2~8の直鎖アルキル基を表し、Eは単結合、-O-、-NR-、-S-、エステル結合、アミド結合から選ばれる結合基を表し、Rは水素原子、炭素数1~4のアルキル基を示す。
前記ラジカル重合性化合物のうち少なくとも一種は、液晶と相溶性を有する、一分子中に一個の重合性不飽和結合を有する化合物、すなわち、単官能のラジカル重合性基を有する化合物であることが好ましい。
そして、前記式(1)で表されるラジカル重合性化合物としては式中Eがエステル結合(-C(=O)-O-または-O-C(=O)-であらわされる結合)のものが合成のしやすさや液晶への相溶性、重合反応性の観点で好ましく、具体的には以下のような構造を有する化合物が好ましいが、特に限定はしない。
Figure 0007367674000024

式(1-1)及び(1-2)中、RaおよびRbはそれぞれ独立に炭素数2~8の直鎖アルキル基を表す。
また、前記液晶及びラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物において、前記ラジカル重合性化合物を重合させて得られるポリマーのTgが100℃以下のものになるラジカル重合性化合物を含有することが好ましい。
これらの各種ラジカル重合性モノマーは、単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。また、これらは、液晶と相溶性を有することが好ましい。
液晶組成物中のラジカル重合性化合物の含有量は、液晶とラジカル重合性化合物との合計質量に対して、好ましくは3質量%以上、より好ましくは5質量%以上であり、好ましくは50質量%以下、より好ましくは20質量%以下である。
前記ラジカル重合性化合物を重合させて得られるポリマーは、そのTgを100℃以下とすることが好ましい。
なお、液晶とは一般に固体と液体の両方の性質を示す状態にある物質をいい、代表的な液晶相としてネマティック液晶とスメクティック液晶があるが、本発明において使用できる液晶は特に限定されない。一例を挙げれば4-ペンチル-4’-シアノビフェニルである。
次に、この液晶とラジカル重合性化合物とを含む混合物(液晶組成物)が導入された液晶セルに当該ラジカル重合性化合物を重合反応させるのに十分なエネルギーを与える。これは、例えば、熱を加えるか、UV照射することにより実施することができ、当該ラジカル重合性化合物がその場で重合されることで、所望の特性が発現する。中でもUVの使用は配向性のパターニングが可能となり、更に短時間で重合反応させられる点で、UV照射が好ましい。
またUV照射の際、加熱を行ってもよい。UV照射を行う際の加熱温度は、導入された液晶が液晶性を発現する温度範囲が好ましく、通常40℃以上であり、液晶の等方相に変わる温度未満での加熱が好ましい。
ここで、UV照射する場合におけるUV照射波長は、反応する重合性化合物の反応量子収率の最も良い波長を選択することが好ましく、UVの照射量は、通常0.01~30Jであるが、好ましくは、10J以下であり、UV照射量が少ないほうが、液晶ディスプレイを構成する部材の破壊からなる信頼性低下を抑制でき、かつUV照射時間を減らせることで製造上のタクトが向上するので好適である。
また、UV照射ではなく、加熱のみで重合させる場合の加熱は、重合性化合物の反応する温度であって、液晶の分解温度未満となる温度範囲で行うことが好ましい。具体的には、例えば、100℃以上150℃以下である。
ラジカル重合性化合物を重合反応させるのに十分なエネルギーを与えるとき、電圧を印加しない、無電界状態であることが好ましい。
<液晶表示素子>
このようにして得られた液晶セルを用いて液晶表示素子を作製することができる。
例えば、この液晶セルに必要に応じて反射電極、透明電極、λ/4板、偏光膜、カラーフィルター層等を常法に従って設けることにより反射型液晶表示素子とすることができる。
また、この液晶セルに必要に応じてバックライト、偏光板、λ/4板、透明電極、偏光膜、カラーフィルター層等を常法に従って設けることにより透過型液晶表示素子とすることができる。
本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。ポリマーの重合および膜形成組成物の調製で使用した化合物の略号、及び特性評価の方法は以下のとおりである。
Figure 0007367674000025
NMP:N-メチル-2-ピロリドン、
GBL:γ―ブチラクトン、
BCS:ブチルセロソルブ
<粘度測定>
ポリアミド酸溶液について、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)にて25℃の粘度を測定した。
<イミド化率の測定>
ポリイミド粉末20mgをNMRサンプル管(草野科学社製 NMRサンプリングチューブスタンダード φ5)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。この溶液の500MHzのプロトンNMRを、測定装置(日本電子データム社製、JNW-ECA500)にて測定した。
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基のNH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
式中、xはアミド基のNH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基のNHプロトン1個に対する基準プロトンの個数割合である。
<ポリマーの重合およびラジカル発生膜形成組成物の調製>
合成例1
TC-1、TC-2(50)/DA-1(50)、DA-2(50) ポリイミドの重合
窒素導入管、空冷管、メカニカルスターラーを備えた100mlの4口フラスコに、DA-1を1.62g(15.00mmol)、DA-2を3.96g(15.00mmol)測り取り、NMP48.2gを加え窒素雰囲気下で撹拌し、完全に溶解させた。溶解を確認した後、TC-2を3.75g(15.00mmol)加え、窒素雰囲気下60℃で3時間反応させ。再び室温に戻し、TC-1を2.71g(13.80mmol)加え、窒素雰囲気下40℃で12時間反応させた。重合粘度を確認し、重合粘度が1000mPa・sになるように更にTC-1を添加し、ポリアミック酸濃度が20質量%の重合液を得た。
マグネティックスターラーを備えた200mlの三角フラスコに、上記で得られたポリアミック酸溶液60gを測り取り、NMPを111.4g加え、7質量%の溶液を調製し、撹拌しながら無水酢酸を9.10g(88.52mmol)、ピリジンを3.76g(47.53mmol)加え、室温で30分撹拌後、55℃で3時間撹拌し反応させた。反応終了後、溶液を室温に戻し、500mlのメタノール中に撹拌しながらこの反応溶液を注ぎ、固体を析出させた。体をろ過により回収し、更に300mlのメタノール中に固体を投入し30分間撹拌洗浄を計2回行い、固体をろ過により回収し、風乾を行った後、真空オーブン60℃にて乾燥を行うことで数平均分子量は11300、重量平均分子量は32900、イミド化率が53%のポリイミド(PI-1)を得た。
合成例2
TC-1、TC-2(50)/DA-1(50)、DA-3(50)ポリイミドの重合
窒素導入管、空冷管、メカニカルスターラーを備えた100mlの4口フラスコに、DA-1を1.62g(15.00mmol)、DA-3を4.96g(15.00mmol)測り取り、NMP51.90gを加え窒素雰囲気下で撹拌し、完全に溶解させた。溶解を確認した後、TC-2を3.75g(15.00mmol)加え、窒素雰囲気下60℃で3時間反応させ。再び室温に戻し、TC-1を2.64g(13.5mmol)加え、窒素雰囲気下40℃で12時間反応させた。重合粘度を確認し、重合粘度が1000mPa・sになるように更にTC-1を添加し、ポリアミック酸濃度が20質量%の重合液を得た。
マグネティックスターラーを備えた200mlの三角フラスコに、上記で得られたポリアミック酸溶液60gを測り取り、NMPを111.4g加え、7質量%の溶液を調製し、撹拌しながら無水酢酸を8.38g(81.4mmol)、ピリジンを3.62g(45.8mmol)加え、室温で30分撹拌後、55℃で3時間撹拌し反応させた。反応終了後、溶液を室温に戻し、500mlのメタノール中に撹拌しながらこの反応溶液を注ぎ、固体を析出させた。体をろ過により回収し、更に300mlのメタノール中に固体を投入し30分間撹拌洗浄を計2回行い、固体をろ過により回収し、風乾を行った後、真空オーブン60℃にて乾燥を行うことで数平均分子量Mnは13100、重量平均分子量Mwは34000、イミド化率が55%のポリイミド(PI-2)を得た。
合成例3
TC-1、TC-2(50)/DA-1(50)、DA-4(50)ポリイミドの重合
窒素導入管、空冷管、メカニカルスターラーを備えた100mlの4口フラスコに、DA-1を1.62g(15.00mmol)、DA-4を5.65g(15.00mmol)測り取り、NMP55.4gを加え窒素雰囲気下で撹拌し、完全に溶解させた。溶解を確認した後、TC-2を3.75g(15.00mmol)加え、窒素雰囲気下60℃で3時間反応させ。再び室温に戻し、TC-1を2.82g(14.40mmol)加え、窒素雰囲気下40℃で12時間反応させた。重合粘度を確認し、重合粘度が1000mPa・sになるように更にTC-1を添加し、ポリアミック酸濃度が20質量%の重合液を得た。
マグネティックスターラーを備えた200mlの三角フラスコに、上記で得られたポリアミック酸溶液60gを測り取り、NMPを111.4g加え、7質量%の溶液を調製し、撹拌しながら無水酢酸を8.36g(81.2mmol)、ピリジンを3.65g(46.1mmol)加え、室温で30分撹拌後、55℃で3時間撹拌し反応させた。反応終了後、溶液を室温に戻し、500mlのメタノール中に撹拌しながらこの反応溶液を注ぎ、固体を析出させた。体をろ過により回収し、更に300mlのメタノール中に固体を投入し30分間撹拌洗浄を計2回行い、固体をろ過により回収し、風乾を行った後、真空オーブン60℃にて乾燥を行うことで数平均分子量Mnは12900、重量平均分子量Mwは31000、イミド化率が51%のポリイミド(PI-3)を得た。
ラジカル発生膜形成組成物:AL1の調製
マグネティックスターラーを備えた50ml三角フラスコに、合成例1で得られたポリイミド粉末(PI-1)を2.0g測り取り、NMPを18.0g加え、50℃で撹拌し、完全に溶解させた。更にNMPを6.7g、BCSを6.7g加え、更に3時間撹拌することで本発明に係るラジカル発生膜形成組成物:AL1(固形分:6.0質量%、NMP:66質量%、BCS:30質量%)を得た。
ラジカル発生膜形成組成物:AL2の調製
マグネティックスターラーを備えた50ml三角フラスコに、合成例2で得られたポリイミド粉末(PI-2)を2.0g測り取り、NMPを18.0g加え、50℃で撹拌し、完全に溶解させた。更にNMPを6.7g、BCSを6.7g加え、更に3時間撹拌することで本発明に係るラジカル発生膜形成組成物:AL2(固形分:6.0質量%、NMP:66質量%、BCS:30質量%)を得た。
非ラジカル発生膜形成組成物:AL3の調製
マグネティックスターラーを備えた50ml三角フラスコに、合成例3で得られたポリイミド粉末(PI-3)を2.0g測り取り、NMPを18.0g加え、50℃で撹拌し、完全に溶解させた。更にNMPを6.7g、BCSを6.7g加え、更に3時間撹拌することで比較対象とする非ラジカル発生膜形成組成物:AL3(固形分:6.0質量%、NMP:66質量%、BCS:30質量%)を得た。
Figure 0007367674000026
Figure 0007367674000027
Figure 0007367674000028
<重合性化合物の製造>
重合性化合物合成例1
2-(ヘプタノイルオキシメチル)アクリル酸 エチルエステルの合成
Figure 0007367674000029
第1工程:2-ヒドロキシメチルアクリル酸エチルエステルの合成 窒素導入管を取り付けた500mlの四口フラスコに、4-メトキシフェノール10mg、DABCO(1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン)21.88g(195.1mmol)を測り取り、純水を50ml加え、窒素雰囲気下で10℃以下で攪拌しながらパラホルムアルデヒド11.52g(390.1mmol)を加え、1時間攪拌した。スラリー状態から溶液状態に変化したのを確認し、アセトニトリルを300ml加え、アクリル酸エチル19.53g(195.1mmol)を滴下しながら加え、50℃で5時間反応させた。反応終了後、分液ロートに反応溶液を移し、n-ヘキサン50mlを加えた。3層に分かれたのを確認し、下の2層を回収し、この操作を3回行った。更にpHが4~5になるように塩酸を加え、酢酸エチルを用いて抽出を行った。抽出した溶液に無水硫酸マグネシウムを加え攪拌し乾燥させた後、濾過・濃縮を行い、無色透明のオイル状液体22.9g(175.6mmol、収率90%)を得た。構造は核磁気共鳴スペクトル(H-NMRスペクトル)にて目的物であることを確認した。測定データを以下に示す。
H NMR (400 MHz,CDCl)δ:6.81(1H)、5.80(1H)、4.31(2H)、4.17(1H)、1.98(1H)、0.93(3H)
第2工程:2-(ヘプタノイルオキシメチル)アクリル酸エチルエステルの合成
窒素導入管を取り付けた500mlの4口フラスコに、上記方法にて得られた2-ヒドロキシメチルアクリル酸エチルエステルを19.9g(152.9mmol)測りとり、THF300ml、トリエチルアミン23.2g(229.3mmol)を加え、窒素雰囲気下10℃以下に保ちながらヘプタノイルクロリド25.0g(168.2mmol)を滴下しながら加え、6時間反応させた。反応終了後、析出したトリエチルアミン塩酸塩を濾過にて除去し、反応溶液を濃縮させ、酢酸エチル300mlてに再溶解させ、10%炭酸カリウム水溶液100mlにて3回洗浄し、純水50mlにて3回洗浄し、無水硫酸マグネシウムにて乾燥させた後、濾過・濃縮を行い薄黄色の粘体を得た。更にフラッシュカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:酢酸エチル:n-ヘキサン=20:80)にて精製し、溶媒除去・真空乾燥を行うことで無色透明のオイル状液体32.2g(133.0mmol:収率87%)を得た。構造は核磁気共鳴スペクトル(H-NMRスペクトル)にて目的物であることを確認した。測定データを以下に示す。
H NMR (400 MHz,CDCl)δ:6.37(1H)、5.80(1H)、3.80(2H)、4.23-4.21(2H)、2.39-2.37(2H)、1.64-1.58(2H)、1.30-1.27(9H)、0.86(3H)
重合性化合物合成例3
イタコン酸ジヘキシルの合成
Figure 0007367674000030
ディーンスターク管を取り付けた4口フラスコに、イタコン酸23.8g(182.9mmol)、1-ヘキサノール35.5g(347.5mmol)を測りとり、シクロヘキサン500ml、濃硫酸0.9g(9.1mmol)、ジブチルヒドロキシトルエン(BHT)0.04g(1.82mmol)を加え、窒素雰囲気にし、110℃にて24時間脱水縮合反応させた。反応終了後、反応溶液にn-ヘキサンを100ml加え、10%炭酸ナトリウム水溶液100gで3回、純水100mlにて3回洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥させた。濾過・濃縮後真空乾燥させることで無色透明のオイル状液体48.6g(162.8mmol:収率89%)を得た。構造は核磁気共鳴スペクトル(H-NMRスペクトル)にて目的物であることを確認した。測定データを以下に示す。
H NMR (400 MHz,CDCl)δ:6.30(1H)、5.65(1H)、4.20―4.00(4H)、3.32(2H)、1.64-1.58(4H)、1.40-1.25(12H)、0.96-0.83(6H)
<液晶表示素子の作製>
上記で得たAL1~AL3及び水平配向用の液晶配向剤であるSE-6414(日産化学工業株式会社製)を用い、表3に示す構成で液晶表示素子を作製した。
(第一基板)
第一基板(以後IPS基板ともいう)は、30mm×35mmの大きさで、厚さが0.7mmの無アルカリガラス基板である。基板上には電極幅が10μm、電極と電極の間隔が10μmの櫛歯型パターンを備えたITO(Indium-Tin-Oxide)電極が形成され、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。
AL1~AL3又はSE-6414を1.0μmのフィルターで濾過した後、上記IPS基板の電極形成面にスピンコート法にて塗布し、80℃のホットプレート上で1分間乾燥させた。次いで、AL1~AL3は220℃で20分間、SE-6414は220℃で20分焼成し、それぞれ膜厚100nmの塗膜とした。
この塗膜付き基板を、基板の半分は光を当てないように金属板で遮光し、高圧水銀ランプを用い波長313nmのバンドパスフィルター介して露光量が5000mJとなるよう紫外線を照射した。以降はこの操作を1次UV処理と呼ぶ。
露光処理後、ラビング方向が櫛歯電極の長手方向から5°傾斜するようにラビングした。ラビングは吉川化工製のレーヨン布:YA-20Rを用い、ロール径120mm、回転数300rpm、移動速度50mm/sec、押し込み量0.4mmの条件にて行った。ラビング処理後は、純水中にて1分間超音波照射を行い、80℃で10分間乾燥した。
(第二基板)
第二基板(裏面ITO基板ともいう)は、30mm×35mmの大きさで、厚さが0.7mmの無アルカリガラス基板であり、裏面(セルの外側を向く面)にITO膜が成膜されている。また、表面(セルの内側を向く面)には高さ4μmの柱状のスペーサーが形成されている。
上記裏面ITO基板のガラス面に、SE-6414を1.0μmのフィルターで濾過した後、スピンコート法にて塗布し、80℃のホットプレート上で1分間乾燥させた。次いで、AL1、AL2は220℃で20分間焼成し、SE-6414は220℃で20分焼成して、それぞれ膜厚100nmの塗膜とした後、ラビング処理を行った。ラビング処理は、吉川化工製のレーヨン布:YA-20Rを用い、ロール径120mm、回転数1000rpm、移動速度50mm/sec、押し込み量0.4mmの条件にてラビングを行った。ラビング処理後は、純水中にて1分間超音波照射を行い、80℃で10分間乾燥した。
(液晶セルの作製)
上記液晶配向膜付きの2種類の基板(第一基板及び第二基板)を用い、液晶注入口を残して周囲をシールし、セルギャップが約4μmの空セルを作製した。この際、第一基板と第二基板のラビング方向が逆平行になるものと、85°に交差するものをそれぞれ作成した。
この空セルに、液晶(メルク社製IPS用ポジ液晶MLC-3019及びメルク社製TN用液晶MLC3018Uに各添加剤を最適条件にて添加したもの)を常温で真空注入した後、注入口を封止して液晶セルとした。得られた液晶セルは、IPSモード液晶表示素子とTNモード液晶表示素子を構成する。その後、得られた液晶セルを120℃で10分加熱処理を行った。
2次UV処理として、高圧水銀ランプを用い波長313nmのバンドパスフィルター介して照射を行った。露光量は5000mJとなるよう液晶セルに紫外線を照射した。以下作成したセルの詳細を以下の表4に示す。
Figure 0007367674000031
<液晶配向性の目視評価>
クロスニコルにセットした偏光板を用いてTNモード液晶セルの配向性を確認した。UV処理をしていない場合、片側配向膜の配向規制力が失われる(すなわちゼロアンカリング状態になる)ため、液晶中のカイラルドーパントの規制力では十分に捩じられなくなるため水平配向状態に変化する。一方、UV処理した領域は重合反応性が失われるため、アンカリング力が維持される。よってツイスト配向が発生する。これにより画素内に2種類の配向状態が発生する。図1に示したように膜にUVを照射した領域はTN配向(白)、UVを照射していない領域が水平配向(黒)になっている場合は〇、各領域に変化がない場合は×とした。
Figure 0007367674000032
液晶中に添加が無い液晶を用いた場合、および光によってラジカルが発生しない材料を用いた場合は1次UV処理を行っても配向パターニングすなわち配向規制力の変化は発生しなかった。このことから本発明の光ラジカル発生膜と添加剤の組み合わせが重要であることが分かる。
<電気光学特性評価>
セル13~24(水平配向セル)を用い、V-Tカーブを測定することにより閾値電圧の変化及びモード効率の測定を行った。V-Tカーブの測定は、光軸が合うように白色LEDバックライトと輝度計をセットし、その間に、輝度が最も小さくなるように偏光板を取り付けた液晶セル(液晶表示素子)をセットし、1V間隔で8Vまで電圧を印加し、電圧における輝度を測定することで行った。得られたV-Tカーブから駆動閾値電圧の値を見積もった。モード効率の測定は、偏光板のパラレルニコル時のLED透過光の輝度に対する液晶セルのVmax時の輝度を割合として算出することで求めた。
アンカリング測定は閾値電圧の大きさからフレデリクス転移法によりおおよその値を見積もった。
Figure 0007367674000033
セル13~24は水平配向セルのため、ゼロアンカリング配向になっても目視では変化がない。一方で1次UV露光部と未露光部でV-Tカーブの閾値電圧及び輝度に変化が見られた。この検証からも1次露光を行うことにより画素内に異なるアンカリング力を有する領域を作り出せることが分かる。
本発明によれば、アンカリングの異なるゼロ面領域を安価な原料から、工業的に、歩留まりよく作り出すことができる。また、本発明の方法で得られる液晶表示素子は、PSA型液晶ディスプレイやSC-PVA型液晶ディスプレイ等の垂直配向方式の液晶表示素子として有用である。

Claims (20)

  1. ラジカル発生膜に特定の領域に放射線を照射してパターン化ラジカル発生膜を形成するステップ、及び液晶及びラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物を、前記パターン化ラジカル発生膜に接触させ、その状態を保持しつつ、前記ラジカル重合性化合物を重合反応させるのに十分なエネルギーを前記液晶組成物に与えるステップを含前記ラジカル発生膜が、ラジカル重合を誘発する有機基が固定化されて成る膜であることを特徴とするパターン化されたゼロ面アンカリング膜の製造方法。
  2. ラジカル発生膜に特定の領域に放射線を照射してパターン化ラジカル発生膜を形成するステップ、及び液晶及びラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物を、前記パターン化ラジカル発生膜に接触させ、その状態を保持しつつ、前記ラジカル重合性化合物を重合反応させるのに十分なエネルギーを前記液晶組成物に与えるステップを含み、前記ラジカル発生膜が、ラジカルを発生する基を有する化合物と重合体との組成物を塗布、硬化して膜を形成することにより膜中に固定化させて得られることを特徴とするパターン化されたゼロ面アンカリング膜の製造方法。
  3. ラジカル発生膜に特定の領域に放射線を照射してパターン化ラジカル発生膜を形成するステップ、及び液晶及びラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物を、前記パターン化ラジカル発生膜に接触させ、その状態を保持しつつ、前記ラジカル重合性化合物を重合反応させるのに十分なエネルギーを前記液晶組成物に与えるステップを含み、前記ラジカル発生膜が、ラジカル重合を誘発する有機基を含有する重合体から成ることを特徴とするパターン化されたゼロ面アンカリング膜の製造方法。
  4. 前記ラジカル発生膜が一軸配向処理されたラジカル発生膜である請求項1、2又は3に記載の方法。
  5. エネルギーを与えるステップを無電界で行う、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記ラジカル重合を誘発する有機基を含有する重合体が、ラジカル重合を誘発する有機基を含有するジアミンを含むジアミン成分を用いて得られるポリイミド前駆体、ポリイミド、ポリウレアおよびポリアミドから選ばれる少なくとも一種の重合体であることを特徴とする請求項5記載の方法。
  7. 前記ラジカル重合を誘発する有機基が下記構造[X-1]~[X-18]、[W]、[Y]、[Z]で表される有機基である請求項1、3及び6のいずれか一項に記載の方法。
    Figure 0007367674000034

    (式[X-1]~[X-18]中、*は化合物分子の重合性不飽和結合以外の部分との結合部位を示し、S 、S はそれぞれ独立して-O-、-NR-、-S-を表し、Rは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~10のアルキル基、炭素数1~10のアルコキシ基を表し、R ,R はそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~4のアルキル基を表す)
    Figure 0007367674000035

    (式[W]、[Y]、[Z]中、*は化合物分子の重合性不飽和結合以外の部分との結合部位を示し、Arは有機基及び/又はハロゲン原子を置換基として有しても良いフェニレン、ナフチレン、及びビフェニレンからなる群より選ばれる芳香族炭化水素基を示し、R 及びR 10 は、それぞれ独立に、炭素数1~10のアルキル基又は炭素数1~10のアルコキシ基を表し、R とR 10 がアルキル基の場合、末端で互いに結合し環構造を形成していても良い。Qは下記の構造を表す。
    Figure 0007367674000036

    (式中、R 11 は-CH -、-NR-、-O-、又は-S-を表し、Rは水素原子又は炭素原子数1~4のアルキル基を表し、*は化合物分子のQ以外の部分との結合部位を示す。)
    12 は水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~10のアルキル基又は炭素数1~10のアルコキシ基を表す。)
  8. 前記ラジカル重合を誘発する有機基を含有するジアミンが下記一般式(6)又は下記一般式(7)で表される構造を有するジアミンであることを特徴とする請求項6記載の方法。
    Figure 0007367674000037

    (式(6)中、R は単結合、-CH -、-O-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、-NH-、-CH O-、-N(CH )-、-CON(CH )-、又は-N(CH )CO-を表し、
    は単結合、又は非置換もしくはフッ素原子によって置換されている炭素数1~20のアルキレン基を表し、当該アルキレン基の任意の-CH -又は-CF -の1以上は、それぞれ独立に-CH=CH-、二価の炭素環、および二価の複素環から選ばれる基で置き換えられていてもよく、さらに、次に挙げるいずれかの基、すなわち、-O-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、又は-NH-が互いに隣り合わないことを条件に、これらの基で置き換えられていてもよい;
    は、下記式:
    Figure 0007367674000038

    から選択されるラジカル重合反応性基を表す。
    (式[X-1]~[X-18]中、*は化合物分子のラジカル重合反応性基以外の部分との結合部位を示し、S 、S はそれぞれ独立して-O-、-NR-、-S-を表し、Rは水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~10のアルキル基、炭素数1~10のアルコキシ基を表し、R ,R はそれぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~4のアルキル基を表す))
    Figure 0007367674000039

    (式(7)中、T 及びT は、それぞれ独立に、単結合、-O-、-S-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、-NH-、-CH O-、-N(CH )-、-CON(CH )-、又は-N(CH )CO-であり、
    は単結合、又は非置換もしくはフッ素原子によって置換されている炭素数1~20のアルキレン基を表し、当該アルキレン基の任意の-CH -又は-CF -の1以上は、それぞれ独立に-CH=CH-、二価の炭素環、および二価の複素環から選ばれる基で置き換えられていてもよく、さらに、次に挙げるいずれかの基、すなわち、-O-、-COO-、-OCO-、-NHCO-、-CONH-、又は-NH-が互いに隣り合わないことを条件に、これらの基で置き換えられていてもよく、
    Jは下記式で表される有機基であり、
    Figure 0007367674000040

    (式[W]、[Y]、[Z]中、*はT との結合箇所を表し、Arは有機基及び/又はハロゲン原子を置換基として有しても良いフェニレン、ナフチレン、及びビフェニレンからなる群より選ばれる芳香族炭化水素基を示し、R 及びR 10 は、それぞれ独立に、炭素数1~10のアルキル基又は炭素数1~10のアルコキシ基を表し、Qは下記のいずれかの構造を表す。
    Figure 0007367674000041

    (式中、R 11 は-CH -、-NR-、-O-、又は-S-を表し、Rは水素原子又は炭素原子数1~4のアルキル基を表し、*は化合物分子のQ以外の部分との結合部位を示す。)
    12 は水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~10のアルキル基又は炭素数1~10のアルコキシ基を表す。))
  9. 前記ラジカル重合性化合物のうち少なくとも一種が、液晶と相溶性を有する、一分子中に一個の重合性不飽和結合を有する化合物である、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記ラジカル重合性化合物の重合反応性基が以下の構造から選ばれる、請求項9に記載の方法。
    Figure 0007367674000042

    (式中、*は化合物分子の重合性不飽和結合以外の部分との結合部位を示す。R は炭素数2~8の直鎖アルキル基を表し、Eは単結合、-O-、-NR -、-S-、エステル結合及びアミド結合から選ばれる結合基を表す。R は水素原子、炭素数1~4のアルキル基を示す。)
  11. 前記液晶及びラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物において、前記ラジカル重合性化合物を重合させて得られるポリマーのTgが100℃以下のものになるラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物を用いることを特徴とする請求項1~10のいずれか一項に記載の方法。
  12. ラジカル発生膜を有する第一基板と、ラジカル発生膜を有していてもよい第二基板とを用意するステップ、
    第一基板上のラジカル発生膜が第二基板に対向するようにセルを作成するステップ、および、
    第一基板と第二基板との間に、液晶及びラジカル重合性化合物を含有する液晶組成物を充填するステップを含み、
    請求項1~11のいずれか一項に記載の方法を用いる液晶セルの製造方法。
  13. 前記第二基板がラジカル発生膜を有さない第二基板である請求項12に記載の液晶セルの製造方法。
  14. 前記第二基板が、一軸配向性を有する液晶配向膜がコーティングされた基板であることを特徴とする請求項13に記載の液晶セルの製造方法。
  15. 前記一軸配向性を有する液晶配向膜が水平配向用の液晶配向膜であることを特徴とする請求項14に記載の液晶セルの製造方法。
  16. 前記ラジカル発生膜を有する第一基板が櫛歯電極を有する基板である請求項12~15のいずれか一項に記載の液晶セルの製造方法。
  17. 請求項1~16のいずれか一項に記載の方法を用いて得られたゼロ面アンカリング状態を作り出す膜を用いる液晶表示素子の製造方法。
  18. 請求項17記載の方法を用いて得られた液晶表示素子。
  19. 第一基板又は第二基板が電極を有する、請求項18に記載の液晶表示素子。
  20. 低電圧駆動横電界液晶表示素子である、請求項18又は19に記載の液晶表示素子。

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