JP7392663B2 - 液晶配向処理剤、液晶配向膜及び液晶表示素子 - Google Patents

液晶配向処理剤、液晶配向膜及び液晶表示素子 Download PDF

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Description

本発明は、液晶表示素子の製造に用いられる液晶配向処理剤、該液晶配向処理剤から得られる液晶配向膜、及び該液晶配向膜を使用した液晶表示素子に関する。
高分子材料など有機材料からなる膜は、形成の容易さや絶縁性能などが着目され、電子デバイスにおいて、層間絶縁膜や保護膜等として広く用いられている。なかでも、表示デバイスとして良く知られた液晶表示素子では、ポリイミドからなる有機膜が液晶配向膜として使用されている。
液晶配向膜は、液晶の配向状態を制御する目的で使用される。しかし、液晶表示素子の高精細化に伴い、液晶表示素子のコントラスト低下や長期使用に伴う表示不良の抑制が求められている。
これらに対して、ポリイミドを用いた液晶配向膜において、液晶配向性を高め、液晶表示画面周辺部に表示不良が生じにくくする手法として、アルコキシシラン化合物を添加した液晶配向処理剤を用いた液晶配向膜が提案されている(特許文献1、2参照)。
日本特開昭61-171762号公報 日本特開平11-119226号公報
近年、スマートフォンや携帯電話などのモバイル用途向けに、液晶表示素子が用いられている。これら用途では、できるだけ広い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必要がある。更に前記理由により、シール剤の描画位置を、シール剤との接着性が弱い液晶配向膜の端部に接した位置、或いは液晶配向膜の上部にすることも求められている。そのため、近年では、従来に比べて、液晶表示素子の基板間の接着が弱い状況となっている。更に、このような場合、高温高湿条件下での使用により、シール剤と液晶配向膜との間から水が混入しやすくなり、液晶表示素子の額縁付近での表示ムラや素子内での気泡の発生、更には、素子の剥がれが起こってしまう。
この問題に対して、液晶配向膜とシール剤との密着性を高める手法として、液晶配向処理剤にアルコキシラン化合物を添加する手法がある。しかし、アルコキシシラン化合物を液晶配向処理剤中に添加した場合、シール剤と液晶配向膜との接着性を高めることができるが、液晶配向処理剤の保存中にアルコキシ化合物中のアルコキシ基の縮合反応が進行し、液晶配向処理剤の粘度上昇やゲル化物の発生など、液晶配向処理剤の保存安定性が悪くなる問題がある。
以上の点から、本発明は、液晶配向処理剤の保存安定性に優れ、液晶表示素子の基板間の接着性(密着性ともいう。)が高く、更には、長時間、高温高湿に曝される環境でも、液晶表示素子内の気泡の発生や素子の剥がれを抑制できる液晶配向膜の提供を目的とする。加えて、上記の液晶配向膜を有する液晶表示素子、上記の液晶配向膜を作製できる液晶配向処理剤の提供も目的とする。
本発明者は、前記の目的を達成するため鋭意研究を進めた結果、以下の要旨を有する本発明を完成するに至った。
即ち、下記式[1]で表される基を有する化合物(特定化合物ともいう。)を含有することを特徴とする液晶配向処理剤である。
Figure 0007392663000001
(*は、他の構造との結合部位を表す。)
本発明の液晶配向処理剤は、保存安定性に優れ、液晶表示素子の基板間の接着性が高く、更には、長時間、高温高湿に曝される環境でも、液晶表示素子内の気泡の発生や素子の剥がれを抑制することができる液晶配向膜を提供できる。加えて、上記の液晶配向膜を有する液晶表示素子、上記の液晶配向膜を作製出来る液晶配向処理剤を提供できる。そのため、本発明の液晶表示素子は、スマートフォンや携帯電話などの液晶表示素子に用いられる。
本発明により何故に上記の優れた特性を有する液晶表示素子が得られるメカニズムは、必ずしも明らかではないが、ほぼ次のように推定される。
液晶配向処理剤中に含まれる特定化合物は、ジスルフィド結合(S-S)とチオケトン(C=S)基を有することから、液晶配向膜と金属電極との密着性が高くなる。また、特性化合物中のアミノ基(N)は、弱塩基性を示すことからシール剤の硬化性を促進させることができる。これにより、液晶配向膜を形成後、液晶配向膜と金属電極、及び液晶配向膜とシール剤との密着性が高くなり、長時間、高温高湿に曝される環境でも、液晶表示素子内の気泡の発生や素子の剥がれを抑制することができる液晶表示素子となると考えられる。
<特定化合物>
特定化合物は、前記式[1]で表される基を有する化合物である。具体的には、下記式[1a]で表される化合物が挙げられる。
Figure 0007392663000002
は下記式[1-a]~式[1-k]からなる群から選ばれる。
Figure 0007392663000003
(Tは炭素数1~3のアルキル基を示す。)
なかでも、式[1-b]、式[1-c]又は式[1-d]が好ましい。
は単結合又は炭素数1~18の有機基を示す。なかでも、単結合又は炭素数1~6の有機基が好ましい。
は前記式[1]で表される基を示す。
特定化合物の好ましい具体例としては、下記式[1-1a]の化合物が挙げられ、これを用いることが好ましい。
Figure 0007392663000004
特定化合物の使用割合は、液晶表示素子の液晶配向膜と金属電極との密着性などの点から、液晶配向処理剤に含まれる全ての重合体100質量部に対して、0.1~30質量部が好ましく、より好ましくは、0.5~20質量部であり、最も好ましくは、1~15質量部である。また、特定化合物は、各特性に応じて、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>
液晶配向処理剤に含まれる重合体としては、前記特定化合物と反応可能な官能基を有する重合体であることが好ましい。反応可能な官能基とは、室温状態で共有結合形成可能な官能基のほか、潜在的に共有結合形成可能な官能基も含む概念であり、このような官能基としては、加熱及び/又は電磁波の照射により構造の一部が変化して特定化合物と共有結合を形成可能な官能基が挙げられる。反応可能な官能基の具体例として、カルボキシル基、アミノ基、(メタ)アクリル基、酸無水基、フェノール基、ヒドロキシル基、シラノール基、イミド基、エステル基、アミド基、ウレア基等が挙げられる。
前記特定化合物と反応可能な官能基を有する重合体は、アクリルポリマー、メタクリルポリマー、ノボラック樹脂、ポリヒドロキシスチレン、ポリイミド前駆体、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、セルロース、及びポリシロキサンからなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。より好ましくは、ポリイミド前駆体又はポリイミドである。
上記重合体として、ポリイミド前駆体又はポリイミド(総称して、ポリイミド系重合体ともいう。)を用いる場合、それらは、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又は該ポリイミド前駆体をイミド化して得られるポリイミドが好ましい。
上記ポリイミド前駆体は、下記式[A]の構造を有するものが好ましい。
Figure 0007392663000005
式[A]中、Rは4価の有機基を示す。Rは2価の有機基を示す。A及びAはそれぞれ、水素原子又は炭素数1~8のアルキル基を示す。A及びAは、それぞれ独立して、水素原子、炭素数1~5のアルキル基又はアセチル基を示す。nは正の整数を示す。
ジアミン成分としては、分子内に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。テトラカルボン酸成分としては、テトラカルボン酸化合物、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化合物、テトラカルボン酸ジアルキルエステル化合物又はテトラカルボン酸ジアルキルエステルジハライド化合物が挙げられる。
ポリイミド系重合体は、下記式[B]のテトラカルボン酸二無水物と下記式[C]のジアミンとを原料とすることで、比較的簡便に得られるという理由から、下記式[D]の繰り返し単位の構造式から成るポリアミド酸又は該ポリアミド酸をイミド化させたポリイミドが好ましい。
Figure 0007392663000006
(R及びRは、式[A]で定義したものと同じである。)
Figure 0007392663000007
(R及びRは、式[A]で定義したものと同じである。)
また、通常の合成手法で、前記で得られた式[D]の重合体に、式[A]中のA及びAの炭素数1~8のアルキル基、及び式[A]中のA及びAの炭素数1~5のアルキル基又はアセチル基を導入することもできる。
ポリイミド系重合体を作製するためのジアミン成分は特に限定されない。具体的には、国際公開公報WO2016/076412の34頁~38頁に記載される式[3a-1]~式[3a-5]のジアミン化合物、同公報の39頁~42頁に記載されるその他ジアミン化合物、及び同公報の42頁~44頁に記載される式[DA1]~[DA15]のジアミン化合物が挙げられる。これらジアミン成分は、各特性に応じて、1種又は2種以上を混合して使用できる。
ポリイミド系重合体を作製するためのテトラカルボン酸成分は特に限定されない。具体的には、国際公開公報WO2016/076412の44頁~45頁に記載される式[4]のテトラカルボン酸二無水物、及び45頁~46頁に記載されるその他のテトラカルボン酸成分が挙げられる。これらテトラカルボン酸成分は、各特性に応じて、1種又は2種以上を混合して使用できる。
ポリイミド系重合体を合成する方法は、特に限定されない。通常、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。具体的には、国際公開公報WO2016/076412の46頁~50頁に記載される方法が挙げられる。
ジアミン成分とテトラカルボン酸成分との反応は、通常、ジアミン成分とテトラカルボン酸成分とを含む溶媒中で行う。その際に用いる溶媒としては、生成したポリイミド前駆体が溶解するものであれば特に限定されない。
具体的には、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、γ-ブチロラクトン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド又は1,3-ジメチル-イミダゾリジノンなどが挙げられる。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、4-ヒドロキシ-4-メチル-2-ペンタノン又は下記式[D1]~式[D3]の溶媒を用いることができる。
Figure 0007392663000008
(D及びDは炭素数1~3のアルキル基を示す。Dは炭素数1~4のアルキル基を示す。)
また、これらは単独で使用しても、混合して使用してもよい。更に、ポリイミド前駆体を溶解させない溶媒であっても、生成したポリイミド前駆体が析出しない範囲で、前記の溶媒に混合して使用してもよい。また、有機溶媒中の水分は重合反応を阻害し、更には、生成したポリイミド前駆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。
ポリイミド前駆体の重合反応においては、ジアミン成分の合計モル数を1.0にした際のテトラカルボン酸成分の合計モル数は、0.8~1.2が好ましい。テトラカルボン酸成分の合計モル数が1.0より小さい場合、即ち、テトラカルボン酸成分の合計モル数がジアミン成分のモル数よりも小さい場合は、ポリマの末端がアミノ基の構造となり、1.0より大きい場合、即ち、テトラカルボン酸成分の合計モル数がジアミン成分のモル数よりも大きい場合は、ポリマの末端がカルボン酸無水物或いはジカルボン酸の構造となる。本発明においては、特定化合物の効果、即ち、液晶表示素子の液晶配向膜と金属電極との密着性を高める効果が、より高くなることから、テトラカルボン酸成分の合計モル数は1.0より大きい、即ち、テトラカルボン酸成分の合計モル数がジアミン成分のモル数よりも大きいことが好ましい。具体的には、ジアミン成分の合計モル数を1.0にした際、テトラカルボン酸成分の合計モル数が1.05~1.20が好ましい。
ポリイミドはポリイミド前駆体を閉環させて得られる。ポリイミドは、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任意に調製できる。なかでも、ポリイミド系重合体の溶媒への溶解性の点から、30~80%が好ましい。より好ましいのは、40~70%である。
ポリイミド系重合体の分子量は、そこから得られる液晶配向膜の強度、液晶配向膜形成時の作業性及び塗膜性を考慮した場合、GPC(Gel Permeation Chromatography)法で測定した重量平均分子量で5,000~1,000,000とするのが好ましく、より好ましいのは、10,000~150,000である。
<液晶配向処理剤>
液晶配向処理剤は、液晶配向膜を形成するための溶液であり、特定化合物、重合体及び溶媒を含有する溶液である。その際、特定化合物及び重合体には、それぞれ、2種類以上のものを用いることができる。
液晶配向処理剤中の溶媒の含有量は、液晶配向処理剤の塗布方法や目的とする膜厚を得るという観点から、適宜選択できる。なかでも、塗布により均一な液晶配向膜を形成するとい観点から、液晶配向処理剤中の溶媒の含有量は50~99.9質量%が好ましい。なかでも、60~99質量%が好ましい。より好ましいのは、65~99質量%である。
液晶配向処理剤に用いる溶媒は、特定化合物及び重合体を溶解させる溶媒であれば特に限定されない。なかでも、重合体がポリイミド前駆体、ポリイミド、ポリアミド又はポリエステルの場合、或いは、アクリルポリマー、メタクリルポリマー、ノボラック樹脂、ポリヒドロキシスチレン、セルロース又はポリシロキサンの溶媒への溶解性が低い場合は、下記の溶媒(溶媒A類ともいう。)を用いることが好ましい。
例えば、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、ジメチルスルホキシド、γ-ブチロラクトン、1,3-ジメチル-イミダゾリジノン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、4-ヒドロキシ-4-メチル-2-ペンタノンなどである。なかでも、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン又はγ-ブチロラクトンが好ましい。また、これらは単独で使用しても、混合して使用してもよい。
重合体が、アクリルポリマー、メタクリルポリマー、ノボラック樹脂、ポリヒドロキシスチレン、セルロース又はポリシロキサンである場合、更には、重合体がポリイミド前駆体、ポリイミド、ポリアミド又はポリエステルであり、これら重合体の溶媒への溶解性が高い場合は、下記の溶媒(溶媒B類ともいう。)を用いることができる。
溶媒B類の具体例は、国際公開公報WO2014/171493の58頁~60頁に記載される溶媒B類が挙げられる。なかでも、1-ヘキサノール、シクロヘキサノール、1,2-エタンジオール、1,2-プロパンジオール、プロピレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、シクロヘキサノン、シクロペンタノン又は前記式[D1]~式[D3]が好ましい。
また、これら溶媒B類を用いる際、液晶配向処理剤の塗布性を改善する目的に、前記溶媒A類のN-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン又はγ-ブチロラクトンを併用して用いることが好ましい。
これら溶媒B類は、液晶配向処理剤を塗布する際の液晶配向膜の塗膜性や表面平滑性を高めることができるため、重合体にポリイミド前駆体、ポリイミド、ポリアミド又はポリエステルを用いた場合、前記溶媒A類と併用して用いることが好ましい。その際、溶媒B類は、液晶配向処理剤に含まれる溶媒全体の1~99質量%が好ましい。なかでも、10~99質量%が好ましい。より好ましいのは、20~95質量%である。
液晶配向処理剤には、液晶配向膜の膜強度を高めるために、エポキシ基、イソシアネート基、オキセタン基、シクロカーボネート基、ヒドロキシ基、ヒドロキシアルキル基又は低級アルコキシアルキル基を有する化合物(総称して架橋性化合物ともいう。)を導入することが好ましい。その際、上記の基は、化合物中に2個以上有する必要がある。
すなわち、液晶配向処理剤は、エポキシ基、イソシアネート基、オキセタン基、シクロカーボネート基、ヒドロキシル基、ヒドロキシアルキル基、炭素数1~3のアルコキシアルキル基、又は重合性不飽和結合基から選ばれる基を2つ以上有する化合物からなる少なくとも1種の架橋性化合物を含むことが好ましい。
エポキシ基又はイソシアネート基を有する架橋性化合物の具体例は、国際公開公報WO2014/171493の63頁~64頁に記載されるエポキシ基又はイソシアネート基を有する架橋性化合物が挙げられる。
オキセタン基を有する架橋性化合物の具体例は、国際公開公報WO2011/132751の58頁~59頁に掲載される式[4a]~式[4k]の架橋性化合物が挙げられる。
シクロカーボネート基を有する架橋性化合物の具体例は、国際公開公報WO2012/014898の76頁~82頁に掲載される式[5-1]~式[5-42]の架橋性化合物が挙げられる。
ヒドロキシル基、ヒドロキシアルキル基及び低級アルコキシアルキル基を有する架橋性化合物の具体例は、国際公開公報2014/171493の65頁~66頁に記載されるメラミン誘導体又はベンゾグアナミン誘導体、及び国際公開公報WO2011/132751の62頁~66頁に掲載される、式[6-1]~式[6-48]の架橋性化合物が挙げられる。
液晶配向処理剤における架橋性化合物の含有量は、液晶配向処理剤に含まれる全ての重合体成分100質量部に対して、0.1~100質量部が好ましい。架橋反応が進行し、目的の効果を発現させるためには、すべての重合体成分100質量部に対して0.1~50質量部がより好ましく、最も好ましいのは、1~30質量部である。
液晶配向処理剤には、液晶配向処理剤を塗布した際の液晶配向膜の膜厚の均一性や表面平滑性を向上させる化合物を用いることができる。更に、液晶配向膜と電極基板との密着性を向上させる化合物などを用いることもできる。
液晶配向膜の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、又はノ二オン系界面活性剤などが挙げられる。具体的には、国際公開公報WO2014/171493の67頁に記載される界面活性剤が挙げられる。また、その使用割合は、液晶配向処理剤に含有されるすべての重合体成分100質量部に対して、0.01~2質量部が好ましい。より好ましいのは、0.01~1質量部である。
液晶配向膜と電極基板との密着性を向上させる化合物の具体例は、国際公開公報WO2014/171493の67頁~69頁に記載される化合物が挙げられる。また、その使用割合は、液晶配向処理剤に含有されるすべての重合体成分100質量部に対して、0.1~30質量部が好ましい。より好ましいのは、1~20質量部である。
液晶配向処理剤には、前記以外の化合物の他に、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や導電物質を添加してもよい。
<液晶配向膜・液晶表示素子>
液晶配向処理剤は、基板上に塗布、焼成した後、ラビング処理や光照射などで配向処理をして、液晶配向膜として用いることができる。また、垂直配向用途などの場合では配向処理なしでも液晶配向膜として用いることができる。
この際に用いる基板としては、透明性の高い基板であれば特に限定されず、ガラス基板の他、アクリル基板、ポリカーボネート基板、PET(ポリエチレンテレフタレート)基板などのプラスチック基板、更には、それらのフィルムを用いることができる。また、プロセスの簡素化の観点からは、液晶駆動のためのITO電極、IZO(Indium Zinc Oxide)電極及びIGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)電極などの金属電極、及び有機導電膜などが形成された基板を用いることが好ましい。また、反射型の液晶表示素子とする場合には、片側の基板のみにならば、シリコンウエハやアルミニウムなどの金属や誘電体多層膜が形成された基板を使用できる。
液晶配向処理剤の塗布方法は、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、フレキソ印刷又はインクジェット法などで行う方法が一般的である。その他の塗布方法としては、ディップ法、ロールコータ法、スリットコータ法、スピンナー法又はスプレー法などがあり、目的に応じてこれらを用いてもよい。
液晶配向処理剤を基板上に塗布した後は、ホットプレート、熱循環型オーブン又はIR(赤外線)型オーブンなどの加熱手段により、液晶配向処理剤に用いる溶媒に応じて、30~300℃、好ましくは30~250℃の温度で溶媒を蒸発させて液晶配向膜とすることができる。
焼成後の液晶配向膜の厚みは、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10~200nmである。
液晶を水平配向や傾斜配向させる場合は、焼成後の液晶配向膜をラビング又は偏光紫外線照射などで処理する。
液晶表示素子に用いる液晶は、特に限定されないが、例えば、ネマチック液晶、スメクチック液晶又はコレステリック液晶を用いることができる。その際、液晶表示素子の方式に応じて、正又は負の誘電異方性を有する液晶を選択できる。また、液晶中に二色性染料を溶解させてゲストホスト型の液晶表示素子とすることもできる。
液晶の注入方法は、特に限定されないが、例えば、次の方法が挙げられる。即ち、液晶配向膜が形成された一対の基板を用意し、片側の基板の4片を、一部分を除いてシール剤を塗布し、その後、液晶配向膜面が内側になるようにして、もう片側の基板を貼り合わせた空セルを作製する。そして、シール剤が塗布されていない場所から液晶を減圧注入して、液晶注入セルを得る方法が挙げられる。更に、液晶配向膜が形成された一対の基板を用意し、片側の基板の上にODF(One Drop Filling)法やインクジェット法などで、液晶を滴下し、その後、もう片側の基板を貼り合わせて、液晶注入セルを得る方法も挙げられる。
液晶表示素子のギャップ制御の方法は、特に限定されないが、例えば、液晶中に目的とする大きさのスペーサーを導入する方法、目的とする大きさのカラムスペーサーを有する基板上に塗布する方法、目的とする大きさのカラムスペーサーを含む液晶を用いる方法などが挙げられる。
液晶表示素子のギャップの大きさは、1~100μmが好ましく、より好ましくは、1~50μmであり、特に好ましくは、2~30μmである。ギャップが小さすぎると、液晶表示素子のコントラストが低下し、大きすぎると、素子の駆動電圧が高くなる。
以下に実施例を挙げ、本発明をさらに詳しく説明するが、これらに限定されるものではない。以下で用いる略語は下記の通りである。
「特定化合物」
Figure 0007392663000009
<ジアミン成分>
Figure 0007392663000010
<テトラカルボン酸成分>
Figure 0007392663000011
「架橋性化合物」
Figure 0007392663000012
「溶媒」
NMP:N-メチル-2-ピロリドン、 NEP:N-エチル-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
PB:プロピレングリコールモノブチルエーテル
「ポリイミド系重合体の分子量測定」
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)、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)。
「ポリイミド系重合体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、9.5ppm~10.0ppm付近に現れるアミド酸のNH基に由来するプロトンピーク積算値とを用い以下の式によって求めた。
イミド化率(%)=(1-α・x/y)×100
(xはアミド酸のNH基由来のプロトンピーク積算値、yは基準プロトンのピーク積算値、αはポリアミド酸(イミド化率が0%)の場合におけるアミド酸のNH基プロトン1個に対する基準プロトンの個数割合である。)
「ポリイミド系重合体の合成」
<合成例1>
C1(2.50g,12.7mmol)及びB2(2.65g,13.4mmol)をNMP(15.5g)中で混合し、25℃で8時間反応させ、樹脂固形分濃度25質量%のポリアミド酸溶液(1)を得た。このポリアミド酸の数平均分子量(Mnともいう。)は28,200、重量平均分子量(Mwともいう。)は85,300であった。
<合成例2>
C1(2.50g,12.7mmol)及びB2(2.40g,12.1mmol)をNMP(14.7g)中で混合し、25℃で8時間反応させ、樹脂固形分濃度25質量%のポリアミド酸溶液(2)を得た。このポリアミド酸の数平均分子量(Mnともいう。)は30,600、重量平均分子量(Mwともいう。)は89,500であった。
<合成例3>
C2(2.04g,8.15mmol)及びB3(5.55g,19.4mmol)をNMP(20.0g)中で混合し、60℃で4時間反応させた後、C1(2.40g,12.2mmol)とNMP(10.0g)を加え、40℃で6時間反応させ、樹脂固形分濃度が25質量%のポリアミド酸溶液(3)を得た。このポリアミド酸のMnは26,900、Mwは77,500であった。
<合成例4>
合成例3で得られたポリアミド酸溶液(3)(20.0g)にNMPを加え6質量%に希釈した後、イミド化触媒として無水酢酸(2.50g)及びピリジン(1.90g)を加え、80℃で3時間反応させた。この反応溶液をメタノール(500ml)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℃で減圧乾燥してポリイミド粉末(4)を得た。このポリイミドのイミド化率は55%であり、Mnは23,300、Mwは59,800であった。
<合成例5>
C2(2.30g,9.19mmol)、B1(1.56g,14.4mmol)及びB4(3.67g,9.64mmol)をNMP(20.5g)中で混合し、80℃で4時間反応させた後、C1(2.70g,13.8mmol)とNMP(10.2g)を加え、40℃で6時間反応させ、樹脂固形分濃度が25質量%のポリアミド酸溶液(5)を得た。このポリアミド酸のMnは21,800、Mwは62,300であった。
<合成例6>
C2(2.38g,9.51mmol)、B1(1.47g,13.6mmol)及びB4(3.44g,9.04mmol)をNMP(20.2g)中で混合し、80℃で4時間反応させた後、C1(2.80g,14.3mmol)とNMP(10.1g)を加え、40℃で6時間反応させ、樹脂固形分濃度が25質量%のポリアミド酸溶液(6)を得た。このポリアミド酸のMnは23,100、Mwは68,000であった。
<合成例7>
合成例6で得られたポリアミド酸溶液(6)(20.0g)にNMPを加え6質量%に希釈した後、イミド化触媒として無水酢酸(2.55g)及びピリジン(1.95g)を加え、80℃で4時間反応させた。この反応溶液をメタノール(500ml)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℃で減圧乾燥してポリイミド粉末(7)を得た。このポリイミドのイミド化率は62%であり、Mnは21,400、Mwは49,700であった。
<合成例8>
C2(2.47g,9.87mmol)、B1(1.52g,14.1mmol)、B2(0.93g,4.69mmol)及びB5(2.31g,4.69mmol)をNMP(20.2g)中で混合し、80℃で6時間反応させた後、C1(2.90g,14.8mmol)とNMP(10.1g)を加え、40℃で6時間反応させ、樹脂固形分濃度が25質量%のポリアミド酸溶液(8)を得た。このポリアミド酸のMnは23,700、Mwは69,100であった。
<合成例9>
C3(5.20g,23.2mmol)、B1(1.43g,13.2mmol)及びB4(3.35g,8.80mmol)をNMP(30.4g)中で混合し、40℃で4時間反応させ、樹脂固形分濃度が25質量%のポリアミド酸溶液(9)を得た。このポリアミド酸のMnは26,800、Mwは77,200であった。
<合成例10>
C3(5.40g,24.1mmol)、B1(1.73g,16.0mmol)、B2(0.45g,2.27mmol)及びB5(2.26g,4.59mmol)をNMP(29.5g)中で混合し、40℃で6時間反応させ、樹脂固形分濃度が25質量%のポリアミド酸溶液(10)を得た。このポリアミド酸のMnは23,100、Mwは70,900であった。
<合成例11>
窒素雰囲気下、B2(0.43g,2.17mmol)、B3(2.50g,8.73mmol)、ピリジン(2.15g)及びNMP(34.8g)を加え、撹拌して溶解させ、C4(3.20g,10.8mmol)を加え、15℃で15時間反応させた。その後、アクリロイルクロリド(0.05g)を加え、15℃で4時間反応させた。この反応溶液を水(500g)中に投入し、得られた沈殿物を濾別した。この沈殿物をイソプロピルアルコールで洗浄し、100℃で減圧乾燥してポリアミド酸アルキルエステル粉末(11)を得た。このポリアミド酸アルキルエステルのMnは20,200、Mwは41,200であった。
合成例で得られたポリイミド系重合体を表1に示す。
Figure 0007392663000013
*1:ポリアミド酸。 *2:ポリアミド酸アルキルエステル。
「液晶配向処理剤の製造」
下記する実施例1~14及び比較例1~4では、液晶配向処理剤の製造例を記載する。また、この液晶配向処理剤は、評価のためにも使用される。
得られた液晶配向処理剤を表2~表4に示す。
「液晶配向処理剤の保存安定性試験」
実施例及び比較例で得られた液晶配向処理剤を用いて、保存安定性試験を行った。具体的には、液晶配向処理剤を細孔径1μmのメンブランフィルタで加圧濾過し、-15℃で72時間保管した。その後、目視観察にて、液晶配向処理剤中の濁りや析出物の発生を確認した。その結果、実施例及び比較例のすべての液晶配向処理剤は、濁りや析出物が見られず、均一な溶液であった。
「密着性の評価」
実施例及び比較例で得られた液晶配向処理剤を、純水で洗浄した100mm×100mmのITO電極付きPET基板(縦:100mm、横:100mm、厚さ:0.1mm)のITO面上にスピンコートにて塗布をし、ホットプレート上にて120℃で2分間加熱処理をして、膜厚が100nmの液晶配向膜付きのITO基板を得た。この液晶配向膜付きのITO基板を2枚用意し、それぞれ、100×20mm(縦×横)の大きさに切り取った。
次に、一方の基板の液晶配向膜面に6μmのスペーサを塗布し、もう一方の基板の液晶配向膜面上には、シール剤(723K1、協立化学産業社製)を塗布し、これらの基板の液晶配向膜面が向き合うように貼り合わせを行った。その際、シール剤の塗布量は、貼り合わせ後のシール剤の面積が5×50mm(縦×横)になるように調整した。その後、貼り合わせ後の基板に、照度20mW/cmのメタルハライドランプを用いて、365nmの波長換算で3J/cm2の紫外線を照射し、その後、熱循環型クリーンオーブンにて120℃で60分間加熱処理をして、密着性の評価用のセルを作製した。
密着性の評価は、卓上型精密万能試験機(AGS-X 500N、島津製作所社製)を用いて行った。具体的には、得られたセルの上下の端の部分を固定した後、上下方向に引っ張った際の破断強度(N)を測定した。評価は、破断強度の値が大きいものほど密着性に優れる、即ち、本評価に優れるとした。
表5~表7中に結果を示す。
「液晶表示素子の作製及び恒温恒湿耐性の評価」
実施例及び比較例で得られた液晶配向処理剤を、細孔径1μmのメンブランフィルタで加圧濾過し、純水及びIPAにて洗浄を行ったITO電極付き基板(縦40mm×横30mm、厚さ0.7mm)のITO面にスピンコートし、ホットプレート上にて120℃で2分間、熱循環型クリーンオーブンにて230℃で30分間加熱処理をして、膜厚が100nmの液晶配向膜付きのITO基板を得た。次に、この基板の液晶配向膜面をロール径が120mmのラビング装置で、レーヨン布を用いて、ロール回転数が500rpm、ロール進行速度が30mm/sec、押し込み量が0.3mmの条件でラビング処理した。
その後、ラビング処理後の基板を2枚用意し、一方の基板の液晶配向膜面に4μmのスペーサを塗布し、もう一方の基板の4辺の液晶配向膜面上には、シール剤(XN-1500T)(協立化学産業社製)を塗布し、これらの基板の液晶配向膜面が向き合うように貼り合わせを行った。その際、それぞれの基板のラビング方向が逆方向になるように貼り合わせた。次に、熱循環型クリーンオーブンにて120℃で90分間加熱処理をして、空セルを作製した。この空セルに減圧注入法によって液晶を注入し、注入口を封止して液晶セルを得た。なお、実施例1~5、14、比較例1、2では、液晶にポジ型液晶(MLC-2003)(メルク社製)を用い、実施例6~13、比較例3、4では、液晶にネガ型液晶(MLC-6608、メルク社製)を用いた。
偏光顕微鏡(ECLIPSE E600WPOL、ニコン社製)による観察より、実施例及び比較例で得られたすべての液晶セルとも、均一な液晶配向性を示していることを確認した。
その後、液晶セルを温度80℃、湿度90%RHの恒温恒湿槽内に48時間保管し、液晶セルの剥離と気泡の有無を確認した。具体的には、液晶セルの剥離(液晶配向膜とシール剤との間、及び液晶配向膜とITO電極との間で剥がれている状態)が起こっていないもの、及び液晶セル内に気泡が発生していないものを、本評価に優れるとした(表中の良好表示)。その際、実施例1~3、6~9、11、12においては、前記の標準試験に加え、強調試験として、温度80℃、湿度90%RHの恒温恒湿槽内に144時間保管した後の確認も行った。なお、評価方法は前記と同様である。
表5~表7中に、結果を示す。
<実施例1>
合成例1で得られたポリアミド酸溶液(1)(10.0g)に、A1(0.20g)、NMP(23.8g)及びBCS(7.83g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(1)を得た。
<実施例2>
合成例2で得られたポリアミド酸溶液(2)(10.0g)に、A1(0.20g)、NMP(23.8g)及びBCS(7.83g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(2)を得た。
<実施例3>
合成例2で得られたポリアミド酸溶液(2)(10.0g)に、A1(0.20g)、K2(0.13g)、NMP(23.8g)及びBCS(7.83g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(3)を得た。
<実施例4>
合成例3で得られたポリアミド酸溶液(3)(10.0g)に、A1(0.13g)、NMP(19.9g)及びBCS(11.8g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(4)を得た。
<実施例5>
合成例4で得られたポリイミド粉末(4)(2.50g)に、NEP(31.3g)を加え、60℃で24時間攪拌して溶解させた。この溶液に、A1(0.13g)及びBCS(7.83g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(5)を得た。
<実施例6>
合成例5で得られたポリアミド酸溶液(5)(10.0g)に、A1(0.18g)、NMP(16.0g)及びBCS(15.7g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(6)を得た。
<実施例7>
合成例6で得られたポリアミド酸溶液(6)(10.0g)に、A1(0.18g)、NMP(16.0g)及びBCS(15.7g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(7)を得た。
<実施例8>
合成例7で得られたポリイミド粉末(7)(2.50g)に、NEP(23.5g)を加え、60℃で24時間攪拌して溶解させた。この溶液に、A1(0.13g)、BCS(7.83g)及びPB(7.83g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(8)を得た。
<実施例9>
合成例7で得られたポリイミド粉末(7)(2.50g)に、NEP(23.5g)を加え、60℃で24時間攪拌して溶解させた。この溶液に、A1(0.13g)、K1(0.18g)、BCS(7.83g)及びPB(7.83g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(9)を得た。
<実施例10>
合成例8で得られたポリアミド酸溶液(8)(10.0g)に、A1(0.08g)、NMP(12.1g)、BCS(11.8g)及びPB(7.83g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(10)を得た。
<実施例11>
合成例9で得られたポリアミド酸溶液(9)(10.0g)に、A1(0.25g)、NMP(16.0g)及びBCS(15.7g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(11)を得た。
<実施例12>
合成例9で得られたポリアミド酸溶液(9)(10.0g)に、A1(0.25g)、K2(0.08g)、NMP(16.0g)及びBCS(15.7g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(12)を得た。
<実施例13>
合成例10で得られたポリアミド酸溶液(10)(10.0g)に、A1(0.08g)、K1(0.18g)、NMP(16.0g)、BCS(7.83g)及びPB(7.83g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(13)を得た。
<実施例14>
合成例11で得られたポリアミド酸アルキルエステル粉末(11)(2.50g)に、NMP(31.3g)を加え、40℃で24時間攪拌して溶解させた。この溶液に、A1(0.13g)及びBCS(7.83g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(14)を得た。
<比較例1>
合成例1で得られたポリアミド酸溶液(1)(10.0g)に、NMP(23.8g)及びBCS(7.83g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(15)を得た。
<比較例2>
合成例4で得られたポリイミド粉末(4)(2.50g)に、NEP(31.3g)を加え、60℃で24時間攪拌して溶解させた。この溶液に、BCS(7.83g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(16)を得た。
<比較例3>
合成例5で得られたポリアミド酸溶液(5)(10.0g)に、NMP(16.0g)及びBCS(15.7g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(17)を得た。
<比較例4>
合成例7で得られたポリイミド粉末(7)(2.50g)に、NEP(23.5g)を加え、60℃で24時間攪拌して溶解させた。この溶液に、BCS(7.83g)及びPB(7.83g)を加え、25℃で15時間撹拌して、液晶配向処理剤(18)を得た。
<実施例1~14及び比較例1~4>
上記で得られた液晶配向処理剤(1)~(18)を用いて、上述の条件で、「密着性の評価」及び「液晶表示素子の作製及び恒温恒湿耐性の評価」を行った。
なお、液晶配向処理剤(1)~(18)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 0007392663000014
Figure 0007392663000015
Figure 0007392663000016
*3:重合体100質量部に対する特定化合物の含有量(質量部)を示す。
*4:重合体100質量部に対する架橋性化合物の含有量(質量部)を示す。
Figure 0007392663000017
Figure 0007392663000018
Figure 0007392663000019
*5:素子内に極少量の気泡が見られた。
*6:素子内に少量の気泡が見られた(*5よりも多い)。
*7:素子内に気泡が見られた(*6よりも多い)。
上記の結果からわかるように、特定化合物を含む液晶配向処理剤を用いた実施例は、それを含まない液晶配向処理剤の比較例に比べて、密着性に優れ、かつ、液晶セルを、高温高湿下で長期間保管しても、液晶セルの剥離が起こらなかった。具体的には、同一の条件での比較において、実施例1と比較例1との比較、実施例5と比較例2との比較、実施例6と比較例3との比較、及び実施例8と比較例4との比較である。
また、重合体にポリイミド系重合体を用いた場合において、そのポリマ末端がカルボン酸無水物或いはジカルボン酸の構造であるもの、即ち、ジアミン成分とテトラカルボン酸成分の重合反応の際、テトラカルボン酸成分の合計モル数がジアミン成分のモル数よりも大きいものは、ポリマ末端がアミノ基の構造のもの(前記重合反応の際、テトラカルボン酸成分の合計モル数がジアミン成分のモル数よりも小さいもの)に比べて、強調試験における液晶セル内の気泡の発生が抑制された。具体的には、同一の条件での比較において、実施例1と実施例2との比較、及び実施例6と実施例7との比較である。
加えて、液晶配向処理剤中に架橋性化合物を導入した場合、強調試験において、液晶セル内に気泡は発生しなかった。具体的には、同一の条件での比較において、実施例2と実施例3との比較、実施例8と実施例9との比較、及び実施例11と実施例12との比較である。
本発明の液晶配向処理剤から得られた液晶配向膜を用いることで、液晶表示素子の基板間の接着性が高く、更には、長時間、高温高湿に曝される過酷な環境においても、液晶表示素子内の気泡の発生や素子の剥がれを抑制することができる液晶表示素子は、特に、が得られる。そのため、スマートフォン、携帯電話などのモバイル機器用の液晶表示素子に、好適に用いることができる。
なお、2018年12月27日に出願された日本特許出願2018-246261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 (10)

  1. ジアミン成分とテトラカルボン酸成分との反応で得られるポリイミド前駆体又は該ポリイミド前駆体をイミド化したポリイミドからなる重合体、及び下記式[1a]で表される化合物を含有することを特徴とする液晶配向処理剤。
    Figure 0007392663000020
    (X は、下記式[1-b]~式[1-d]からなる群から選ばれる少なくとも1種を示す。X は単結合又は炭素数1~18の有機基を示す。X は下記式[1]を示す。)
    Figure 0007392663000021
    (*は、他の構造との結合部位を表す。)
    Figure 0007392663000022
    (T は炭素数1~3のアルキル基を示す。)
  2. 前記式[1a]で表される化合物が、下記式[A1]で表される化合物である請求項に記載の配向処理剤。
    Figure 0007392663000023
  3. 前記ジアミン成分と前記テトラカルボン酸成分との反応において、ジアミン成分の合計モル数を1.0にした際のテトラカルボン酸成分の合計モル数が1.05~1.20である請求項1又は2に記載の液晶配向処理剤。
  4. 前記式[1a]で表される化合物を、前記重合体100質量部に対して、0.1~30質量部含有する請求項1~3のいずれか一項に記載の液晶配向処理剤。
  5. 更に、エポキシ基、イソシアネート基、オキセタン基及びシクロカーボネート基から選ばれる架橋性化合物、ヒドロキシル基、ヒドロキシアルキル基及び炭素数1~3のアルコキシアルキル基からなる群から選ばれる架橋性化合物、又は重合性不飽和結合基を有する架橋性化合物から選ばれる少なくとも1種の架橋性化合物を含む請求項1~のいずれか一項に記載の液晶配向処理剤。
  6. 前記架橋性化合物が、下式K1又はK2で表される化合物である請求項に記載の液晶配向処理剤。
    Figure 0007392663000024
  7. 前記架橋性化合物を、前記重合体100質量部に対して、0.1~100質量部含有する請求項又はに記載の液晶配向処理剤。
  8. 請求項1~のいずれか一項に記載の液晶配向処理剤から得られる液晶配向膜。
  9. 請求項に記載の液晶配向膜を有する液晶表示素子。
  10. モバイル機器である請求項に記載の液晶表示素子。
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