JPWO2011125876A1 - 液晶配向剤、液晶配向膜及び液晶表示素子 - Google Patents

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Abstract

応答速度に優れ、良好な配向状態が得られる液晶配向膜を形成可能な液晶配向剤を提供する。液晶配向剤は、光反応性基と、下記式で表される少なくとも一方の側鎖とを有する。但し、X1は炭素原子数1〜20のアルキレン基であり、X2及びX3はそれぞれ独立に単結合、エーテル及びエステルよりなる群より選ばれる結合基であり、X4は炭素原子数1〜20のアルキル基である。[化1]

Description

本発明は、応答速度に優れ、良好な配向状態を得られる液晶配向膜を形成可能な液晶配向剤、液晶配向膜及び液晶表示素子に関する。
近年、垂直配向(VA:Vertical Alignment)方式の液晶表示素子は、大画面の液晶テレビや高精細のモバイル(デジタルカメラや携帯電話の表示部)などで広く利用されている。VA方式の液晶表示素子としては、液晶の倒れる方向を制御するための突起をTFT(Thin Film Transistor)基板やカラーフィルタ基板に形成するMVA方式(Multi Vertical Alignment)、基板のITO(Indium Tin Oxide)電極にスリットを形成し電界によって液晶の倒れる方向を制御するPVA(Patterned Vertical Alignment)方式などが知られている。
また、VA方式の液晶表示素子としては、PSA(Polymer Sustained Alignment)方式も知られている。この方式は、VA方式の中で近年注目されている技術である。PSA方式では、表面に液晶配向層(垂直配向層)が設けられた一対の基板を液晶配向層が内側を向くようにして対向させ、基板間に光重合性化合物が添加された液晶を注入して液晶パネルを作製する。次いで、電界を印加し液晶が倒れた状態で紫外線(UV:Ultraviolet)などを照射すると、重合性化合物が重合して液晶の配向方向が所望の方向に固定される。これにより、液晶にプレチルトが生じて応答速度が向上する。また、液晶パネルを構成する片側の電極にスリットを作製し、対向側の電極パターンにはMVAのような突起やPVAのようなスリットを設けていない構造でも動作可能であり、液晶パネル製造の簡略化や優れたパネル透過率が得られることなども特徴としている。(例えば、特許文献1参照。)
VA方式においては、基板上の液晶配向層として垂直配向膜が用いられる。この垂直配向膜は、ポリイミド(あるいはその前駆体であるポリアミック酸)などをベースとしており、液晶層の垂直配向を実現するため、ポリイミド中に長鎖のアルキル基やフッ素含有基のような疎水構造又は垂直配向を実現する構造を導入することが知られている(例えば、特許文献2参照)。
特開2004−302061号公報 特開平06−003678号公報
PSA方式の液晶表示素子では、ポリイミドなどを用いた垂直配向膜とともに、光重合性化合物の添加された液晶が使用される。しかしながら、この重合性化合物の溶解性は一般に低く、添加量を増やすと低温時に液晶層から析出するといった問題がある。一方、重合性化合物の添加量を減らすと良好な配向状態が得られなくなる。また、液晶中に残留する未反応の重合性化合物は、液晶中で不純物(コンタミ)となって、液晶表示素子の信頼性を低下させるといった問題もある。
本発明は、こうした点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、液晶中に重合性化合物を添加しない液晶表示素子においても、応答速度に優れ、良好な配向状態を得られる液晶配向膜を形成可能な液晶配向剤、この液晶配向剤から得られる液晶配向膜、及び、この液晶配向膜を有する液晶表示素子を提供することにある。
本発明の他の目的及び利点は、以下の記載から明らかにされる。
本発明は、上記の目的を達成するものであり、以下の要旨を有するものである。
1.式(1)で表される側鎖及び式(2)で表される側鎖からなる群から選ばれる少なくとも一種の側鎖と、光反応性基と、を有する重合体を含有することを特徴とする液晶配向剤。
Figure 2011125876
(式(1)及び式(2)中、Xは炭素原子数1〜20のアルキレン基であり、X及びXは、それぞれ独立に、単結合、エーテル及びエステルからなる群から選ばれる結合基であり、Xは炭素原子数1〜20のアルキル基である。)
2.前記光反応性基が、下式(3)で表される基である上記1に記載の液晶配向剤。
Figure 2011125876
(式(3)中、Xは、炭素原子数1〜20のアルキレン基であり、Xは、非置換であるか、又はシアノ、ハロゲンにより置換されていてもよい。Xは、単結合、−O−、−COO−、−NRCO−、−NR−、又は−NRCONR−の結合基であり、Rは、水素原子又は原子数1〜4のアルキル基である。Xは、シンナモイル基若しくはその誘導体、カルコン基、クマリン基、マレイミド基、又はアントラセン基である。
3.前記重合体を形成する全モノマーに対して、前記式(1)で表される側鎖及び式(2)で表される側鎖からなる群から選ばれる少なくとも一種の側鎖を10〜40モル%、光反応性基を30〜80モル%含有する上記1又は2に記載の液晶配向剤。
4.前記重合体は、付加重合によって生成された重合体である上記1〜3のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
5.前記重合体は、不飽和カルボン酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、マレイミド、アクリロニトリル、マレイン酸無水物、スチレン及びビニル化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を重合させて得られる重合体である上記1〜4のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
6.式(1)で表される側鎖及び式(2)で表される側鎖からなる群から選ばれる少なくとも一種の側鎖を有するモノマーと、光反応性基を有するモノマーと、を重合して得られる共重合体を含有することを特徴とする液晶配向剤。
7.前記共重合体を形成する全モノマーに対して、前記式(1)で表される側鎖及び式(2)で表される側鎖からなる群から選ばれる少なくとも一種の側鎖を有するモノマーを10〜40モル%、前記光反応性基を含有するモノマーを30〜80モル%含有する上記6に記載の液晶配向剤。
8.前記式(1)で表される側鎖及び式(2)で表される側鎖からなる群から選ばれる少なくとも一種の側鎖を有するモノマーが、下式(a1)で表される化合物及び式(a2)で表される化合物からなる群から選ばれるモノマーである上記6又は7に記載の液晶配向剤。
Figure 2011125876
(式(a1)及び式(a2)中、Xは炭素原子数1〜20のアルキレン基であり、X及びXはそれぞれ独立に単結合、エーテル及びエステルよりなる群から選ばれる結合基であり、Xは炭素原子数1〜20のアルキル基であり、Xは水素又はCHである。)
9.前記光反応性基が、シンナモイル基若しくはその誘導体基、又はアントラセン基である1〜8のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
10.前記重合体を2〜10質量%含有する上記1〜9のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
11.上記1〜10のいずれか1項に記載の液晶配向剤から得られる液晶配向膜。
12.上記11に記載の液晶配向膜を有する液晶表示素子。
13.上記11に記載の液晶配向膜が形成された2枚の基板で液晶を挟持した液晶セルに光照射して製造された液晶表示素子。
本発明によれば、液晶中に重合性化合物を添加しない液晶表示素子においても、応答速度に優れ、良好な配向状態が得られる液晶配向膜を形成可能な液晶配向剤、この液晶配向剤から得られる液晶配向膜、及び、この液晶配向膜を有する液晶表示素子が提供される。
<液晶配向剤>
本発明の液晶配向剤は、式(1)で表される側鎖及び式(2)で表される側鎖の少なくとも一方と、光反応性基とを有する重合体を含む。
Figure 2011125876
式(1)中、Xは、炭素原子数1〜20、好ましくは4〜10のアルキレン基である。また、Xは、非置換であるか、又は、シアノ若しくはハロゲンによって一置換されているか若しくは多置換されているアルキレン基である。Xは直鎖状のアルキレン基であることがより好ましい。
とXは、それぞれ独立に、単結合、−O−、又はCOO−である。
は、水素原子又は炭素原子数1〜20、好ましくは4〜12のアルキル基である。また、Xは、非置換であるか、又は、シアノ若しくはハロゲンによって一置換されているか若しくは多置換されているアルキル基である。Xは、直鎖状のアルキル基であることがより好ましい。
Figure 2011125876
式(2)中、Xは、炭素原子数1〜20、好ましくは4〜10のアルキレン基である。また、Xは、非置換であるか、又は、シアノ若しくはハロゲンによって一置換されているか若しくは多置換されているアルキレン基である。Xは直鎖状のアルキレン基であることがより好ましい。
とXは、それぞれ独立に、単結合、−O−、又はCOO−である。
とXは、それぞれ独立に、単結合、−O−、又はCOO−である。
は、水素原子又は炭素原子数1〜20、好ましくは4〜12のアルキル基である。また、Xは、非置換であるか、又は、シアノ若しくはハロゲンによって一置換されているか若しくは多置換されているアルキル基である。Xは、直鎖状のアルキル基であることがより好ましい。
式(1)で表される側鎖の好ましい例は、以下に示される。なお、本明細書において、化学式における炭素原子、及び水素原子は、下記のように、通常、当業者においてなされるように簡略化して示される場合がある。
Figure 2011125876
式(2)で表される側鎖の好ましい例は、上記した式(1)の側鎖の好ましい例において、フェニレン基をビフェニレン基で置換したものである。
本発明において、光反応性基は、光によって架橋反応を起こすものであれば特に制限はされない。その好ましい光反応性基は、式(3)で表される。
Figure 2011125876
式(3)中、Xは、炭素原子数1〜20、好ましくは4〜10のアルキレン基である。また、Xは、非置換であるか、又は、シアノ若しくはハロゲンによって一置換されているか若しくは多置換されているアルキレン基である。Xは、直鎖状のアルキレン基であることが好ましい。
は、単結合又はO−、−COO−、−NRCO−、−NR−、−NRCONR−などの結合基である。但し、結合基中のRは、水素原子、又は炭素原子数1〜4のアルキル基である。
は、光架橋性の光反応基である。
光反応性基としては、例えば、シンナモイル基若しくはその誘導体、カルコン基、クマリン基、マレイミド基、アントラセン基などが挙げられる。なかでも、シンナモイル基若しくはその誘導体基、又はアントラセン基が好ましい。
光反応性基の具体的な例としては、以下に示すような構造が挙げられる。
Figure 2011125876
本発明の液晶配向剤に含まれる重合体は、式(1)及び式(2)のうちの少なくとも一方と、式(3)とを側鎖に含む構造の重合体であれば特に限定されないが、好ましくは、主鎖と、この主鎖に結合する側鎖とを有する。かかる重合体は、例えば、重合反応という点からは、付加重合によって生成される重合体が好ましい。
また、かかる重合体は、そのモノマー種という点からは、アクリル酸若しくはメタクリル酸などの不飽和カルボン酸、アクリル酸エステル化合物、メタクリル酸エステル化合物、マレイミド化合物、アクリロニトリル、マレイン酸無水物、スチレン化合物、及びビニル化合物などのモノマーが挙げられる。なかでも、電気特性の面から、アクリル酸若しくはメタクリル酸などの不飽和カルボン酸、アクリル酸エステル化合物、メタクリル酸エステル化合物などのアクリル系重合体若しくは共重合体が好ましい。
アクリル系共重合体は、好ましくは、式(1)で表される構造を有する式(4)のモノマーと、式(3)で表される構造を含む式(5)のモノマーとを共重合することで得られる。また、式(2)で表される構造を有する式(6)のモノマーと、式(5)のモノマーとを共重合することでも得られる。さらに、式(4)のモノマー及び式(6)のモノマーと、式(5)のモノマーとを共重合することでも得られる。
すなわち、アクリル系共重合体は、式(4)のモノマー及び式(6)のモノマーからなる群から選ばれる少なくとも1種と、式(5)のモノマーとを共重合することで得られる。
Figure 2011125876
Figure 2011125876
Figure 2011125876
以下では、本発明の液晶配向剤が含有するアクリル系共重合体についてさらに説明する。かかるアクリル系共重合体は、式(a1)に示すモノマーa1及び式(a2)に示すモノマーa2の少なくとも一方を用い、式(a3)に示すモノマーa3との共重合により得られる。
Figure 2011125876
Figure 2011125876
Figure 2011125876
式(a1)、式(a2)及び式(a3)において、X〜XとX〜Xは上記した定義に従うものである。また、Xは、水素又はCHである。
モノマーa1の好ましい具体例を以下に示す。尚、モノマーa2の好ましい例は、以下に示すモノマーa1の好ましい例においてフェニレン基をビフェニレン基で置換したものである。
Figure 2011125876
次に、モノマーa1の合成について説明する。
式(a1)で示されるモノマーa1に対応するアクリレート化合物は、商業的に入手可能である。あるいは、アクリル酸クロリド又はメタクリル酸クロリドと、式(1)にヒドロキシ基を持つ式(7)に示す化合物とをアルカリ存在下で反応させることでも得られる。
Figure 2011125876
式(7)に示す化合物は、商業的に入手可能である。あるいは、式(8)の化合物と式(9)の化合物とを、KI、KCOなどのアルカリ存在下で反応させることでも得られる。
Figure 2011125876
Figure 2011125876
モノマーa2に対応するアクリレート化合物は、商業的に入手可能である。あるいは、アクリル酸クロリド又はメタクリル酸クロリドと、式(2)にヒドロキシ基を持つ式(10)に示す化合物とを、アルカリ存在下で反応させることでも得られる。式(10)の化合物は、ビフェノールを出発物質として、公知の方法で容易に合成することが出来る。
Figure 2011125876
本発明の液晶配向剤が含有するアクリル系共重合体(以下、共重合体(A)という。)は、モノマーa1及びモノマーa2のうちの少なくとも一方と、光反応性基を側鎖に有するモノマーa3とを含む共重合体であり、さらにはその他のモノマーを共重合したポリマーである。このポリマーの分子量は特に制限されないが、取り扱いのし易さと、膜形成した際の特性の安定性の点から、ポリエチレン換算の重量平均分子量で1,000〜200,000が好ましく、より好ましくは4,000〜50,000である。なお、重量平均分子量は、GPC(Gel Permeation Chromatography)により求めた値である。
本発明において、共重合体(A)を得るためのモノマー種として、上記したモノマー以外のモノマー(以下、その他のモノマーという。)を1種以上併用することができる。その他のモノマーは、モノマーa1、モノマーa2及びモノマーa3と共重合できるものであればよく、共重合体(A)の特性を損ねない限り、特に限定されるものではない。
その他のモノマーの具体例としては、不飽和カルボン酸、アクリル酸エステル化合物、メタクリル酸エステル化合物、マレイミド化合物、アクリロニトリル、マレイン酸無水物、スチレン化合物及びビニル化合物などが挙げられる。
上記不飽和カルボン酸の具体例としては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸などが挙げられる。
上記アクリル酸エステル化合物としては、例えば、メチルアクリレート、エチルアクリレート、イソプロピルアクリレート、ベンジルアクリレート、ナフチルアクリレート、アントリルアクリレート、アントリルメチルアクリレート、フェニルアクリレート、2,2,2−トリフルオロエチルアクリレート、tert−ブチルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、イソボルニルアクリレート、2−メトキシエチルアクリレート、メトキシトリエチレングリコールアクリレート、2−エトキシエチルアクリレート、テトラヒドロフルフリルアクリレート、3−メトキシブチルアクリレート、2−メチル−2−アダマンチルアクリレート、2−プロピル−2−アダマンチルアクリレート、8−メチル−8−トリシクロデシルアクリレート、8−エチル−8−トリシクロデシルアクリレートなどが挙げられる。
上記メタクリル酸エステル化合物としては、例えば、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、ナフチルメタクリレート、アントリルメタクリレート、アントリルメチルメタクリレート、フェニルメタクリレート、2,2,2−トリフルオロエチルメタクリレート、tert−ブチルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、イソボルニルメタクリレート、2−メトキシエチルメタクリレート、メトキシトリエチレングリコールメタクリレート、2−エトキシエチルメタクリレート、テトラヒドロフルフリルメタクリレート、3−メトキシブチルメタクリレート、2−メチル−2−アダマンチルメタクリレート、2−プロピル−2−アダマンチルメタクリレート、8−メチル−8−トリシクロデシルメタクリレート、8−エチル−8−トリシクロデシルメタクリレートなどが挙げられる。
上記ビニル化合物としては、例えば、ビニルエーテル、メチルビニルエーテル、ベンジルビニルエーテル、2−ヒドロキシエチルビニルエーテル、フェニルビニルエーテル、プロピルビニルエーテルなどが挙げられる。
上記スチレン化合物としては、例えば、スチレン、メチルスチレン、クロロスチレン、ブロモスチレン等が挙げられる。
上記マレイミド化合物としては、例えば、マレイミド、N−メチルマレイミド、N−フェニルマレイミド、N−シクロヘキシルマレイミドなどが挙げられる。
本発明に用いる共重合体(A)を得る方法は特に限定されないが、例えば、式(4)のモノマー及び式(6)のモノマーのうちの少なくとも一方と、式(5)のモノマーと、所望によりその他のモノマーと、所望により重合開始剤などとを、溶媒中において50℃〜110℃の温度下で重合反応させることにより得られる。その際に用いられる溶媒は、共重合体(A)を構成するモノマー及び共重合体(A)を溶解するものであれば特に限定されない。
溶媒の具体例としては、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、メ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、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、プロピレングリコール、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、プロピレングリコールプロピルエーテルアセテート、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、2−ヘプタノン、γ―ブチロラクトン、2−ヒドロキシプロピオン酸エチル、2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオン酸エチル、エトキシ酢酸エチル、ヒドロキシ酢酸エチル、2−ヒドロキシ−3−メチルブタン酸メチル、3−メトキシプロピオン酸メチル、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エチル、3−エトキシプロピオン酸メチル、ピルビン酸メチル、ピルビン酸エチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル、乳酸ブチル、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−メチルピロリドンなどが挙げられる。
共重合体(A)において、モノマーa1の占める比率と、モノマーa2の占める比率の合計は、ポリマーを得るために用いるモノマー種の合計量のうち、好ましくは1質量%〜70質量%、より好ましくは10%〜50%である。また、共重合体(A)中におけるモノマーa3の占める比率は、ポリマーを得るために用いるモノマー種の合計量のうち、好ましくは1質量%〜70質量%、より好ましくは10%〜50%である。
上記のようにして得られた共重合体(A)の溶液を、メタノール、エタノール、水などを撹拌下に投入して再沈殿させ、生成した沈殿物を濾過・洗浄した後、常圧又は減圧下で、常温あるいは加熱乾燥することで、共重合体(A)を粉体として得ることができる。かかる操作により、共重合体(A)と共存する重合開始剤や未反応モノマーを除去することができ、その結果、純度の高い共重合体(A)の粉体が得られる。単一の操作で充分に精製できない場合は、得られた粉体を溶媒に再溶解し、上記の操作を繰り返し行えばよい。
本発明の液晶配向剤は、上記共重合体(A)を有機溶媒中に溶解させた溶液であるが、必要に応じてその他の成分(以下成分(C)という。)を含有することができる。かかる他の成分(C)は1種類でもよく、複数種類を併用してもよい。混合方法としては、例えば、共重合体(A)を有機溶媒に溶解させた溶液に、成分(C)を混合してもよく、成分(C)を有機溶媒に溶解させた溶液に、共重合体(A)を混合してもよい。また、共重合体(A)と成分(C)とを同時に有機溶媒に溶解させてもよい。
本発明の液晶配向剤を得るために用いる有機溶媒は、共重合体(A)を溶解させる溶媒であれば特に限定されない。かかる溶媒としては、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−メチル−2−ピロリドン、N−メチルカプロラクタム、2−ピロリドン、N−エチルピロリドン、N−ビニルピロリドン、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、1,3−ジメチル−イミダゾリジノン、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、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、ジグライム、4−ヒドロキシ−4−メチル−2−ペンタノンなどが挙げられる。これらの溶媒は2種類以上を混合して用いてもよい。
上記溶媒に共重合体(A)を溶解させる場合には、その溶解を促進する目的で加熱してもよい。その際、温度が高すぎるとポリマーの分子量が増加する場合があるので、温度30℃〜100℃が好ましく、より好ましくは40℃〜60℃である。本発明の液晶配向剤中の共重合体(A)の含有量(濃度)は特に限定されないが、1〜20質量%が好ましく、より好ましくは3〜15質量%であり、特に好ましくは3〜10質量%である。
本発明の液晶配向剤中に含有させる他の成分(C)としては、液晶配向剤を塗布した際の膜厚均一性や表面平滑性を向上させる溶媒や化合物、液晶配向膜と基板との密着性を向上させる化合物などが挙げられる。その他の成分(C)は、共重合体(A)を他の所望する化合物と混合する途中に添加してもよいし、これらの混合溶液に後から添加してもよい。
膜厚均一性や表面平滑性を向上させる溶媒の具体例としては、イソプロピルアルコール、メトキシメチルペンタノール、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、ブチルセロソルブ、メ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−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、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などの低表面張力を有する溶媒などがある。
これらの溶媒は、1種類で用いてもよく、複数種類を混合して用いてもよい。上記のような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。
その他の成分(C)の一つである、膜厚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(以上、トーケムプロダクツ社製))、メガファックF171、F173、R−30(以上、大日本インキ社製)、フロラードFC430、FC431(以上、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(以上、旭硝子社製)などが挙げられる。これらの界面活性剤の使用割合は、液晶配向剤に含有される樹脂成分の100質量部に対して、好ましくは0.01質量部〜2質量部、より好ましくは0.01質量部〜1質量部である。
別のその他の成分(C)である、液晶配向膜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、次に示す官能性シラン含有化合物やエポキシ基含有化合物が挙げられる。
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などが挙げられる。
これらの化合物を添加する場合は、液晶配向剤に含有される樹脂成分の100質量部に対して0.1質量部〜30質量部であることが好ましく、より好ましくは1質量部〜20質量部である。0.1質量部未満であると密着性向上の効果は期待できず、30質量部よりも多くなると液晶の配向性が悪くなる場合がある。
本発明の液晶配向剤には、上記の他、本発明の効果が損なわれない範囲であれば、共重合体(A)以外のポリマー成分や、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化合物(誘電体や導電物質など)、さらには、液晶配向膜にした際の膜の硬度や緻密度を高める目的の架橋性化合物を添加してもよい。
本発明の液晶配向剤における固形分の濃度は、目的とする液晶配向膜の膜厚によって適宜変更することができるが、欠陥のない塗膜を形成させ、且つ、液晶配向膜として適切な膜厚を得ることができるという理由から1質量%〜20質量%とすることが好ましく、より好ましくは2質量%〜10質量%である。但し、ここで言うところの固形分とは、液晶配向剤から溶媒を除いた質量を意味する。
<液晶配向膜>
本発明の液晶配向膜は、上記した本発明の液晶配向剤を用いて得ることができる。この場合、例えば、本発明の液晶配向剤を、適当な基板に塗布した後、乾燥・焼成を行うことで得られる硬化膜を、そのまま液晶配向膜として用いることができる。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やイオンビームなどを照射したりした後に、液晶配向膜として使用することも可能である。さらに、PSA方式用配向膜として使用する場合には、液晶充填後の液晶表示素子に電圧を印加した状態でUVを照射すること(以下、PSA処理と称する。)も可能である。本発明の液晶配向膜は、特に、PSA方式用配向膜として好適である。
本発明の液晶配向剤を塗布する基板は、透明性の高い基板であれば特に限定されない。例えば、ガラス基板又はアクリル基板やポリカーボネート基板などのプラスチック基板などを用いることができる。特に、液晶駆動のためのITO(Indium Tin Oxide)電極などが形成された基板を用いることがプロセスの簡素化の点から好ましい。また、反射型の液晶表示素子では、片側の基板のみにならばシリコンウェハなどの不透明な基板でも使用でき、この場合の電極にはアルミなどの光を反射する材料を使用できる。
液晶配向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、インクジェット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、スピンコータ法などがあり、目的に応じてこれらを用いてもよい。
液晶配向剤を基板上に塗布した後は、ホットプレートなどの加熱手段により50℃〜300℃、好ましくは80℃〜250℃で溶媒を蒸発させて、塗膜を形成することができる。焼成後の塗膜の厚みは、厚すぎると液晶表示素子の消費電力の面で不利となり、薄すぎると液晶表示素子の信頼性が低下する場合があるので、好ましくは5nm〜300nm、より好ましくは10nm〜100nmである。
<液晶表示素子>
本発明の液晶表示素子は、本発明の液晶配向剤を用いて液晶配向膜付きの基板を得た後、これを使用して公知の方法で液晶セルを作製し、液晶表示素子としたものである。
液晶セル作製の例としては、液晶配向膜の形成された1対の基板を用意し、片方の基板の液晶配向膜上にスペーサーを散布し、液晶配向膜面が内側になるようにして、もう片方の基板を貼り合わせ、液晶を減圧注入して封止する方法、又は、スペーサーを散布した液晶配向膜面に液晶を滴下した後に基板を貼り合わせて封止を行う方法などが挙げられる。このときのスペーサーの厚みは、好ましくは1μm〜30μm、より好ましくは2μm〜10μmである。
従来のPSA方式の液晶表示素子では、使用される液晶として、光重合性化合物を少量(典型的には0.2質量%〜1質量%)添加した液晶を用いる。この液晶が挟持された液晶セルにおいて、基板間に電圧を印加した状態でUV照射をすると、重合性化合物が架橋により重合する。このとき、基板面に対して略垂直に配向していた液晶分子にチルト角が付与されるので、それまで畝状構造体周辺のみに与えられていた液晶分子のチルト角を画素全体に付与でき、応答が遅い原因であった畝状構造体からの伝播過程がなくなって応答特性を改善できる。
一方、本発明におけるPSA方式の液晶表示素子では、光重合性化合物を含有しない液晶を用いることが可能である。かかる液晶を挟持した液晶セルの基板間に電圧を印加した状態でUV照射をすると、上述した本発明の液晶配向膜が有する光反応性基が架橋により重合する。これにより、液晶分子にチルト角が付与されるので、上記従来の液晶表示素子と同様に、応答が遅い原因であった畝状構造体からの伝播過程がなくなって応答特性を改善できる。
本発明の液晶表示素子では、光重合性化合物を含有しない液晶を用いることでさらに次の効果が得られる。すなわち、液晶に重合性化合物を溶解させる場合には、添加量を増やすことにより低温時に液晶層から析出するといった問題があるが、本発明によればかかる問題を解消できる。
また、液晶中に残留する未反応の重合性化合物が液晶中で不純物(コンタミ)となって、液晶表示素子の信頼性を低下させるといった問題も解消できる。
本発明において、液晶セルの基板間に印加する電圧は、5Vp−p〜30Vp−pであるが、好ましくは5Vp−p〜20Vp−pである。照射するUV照射量は、好ましくは、1J〜60J、より好ましくは10J〜40Jである。UV照射量が少ない方が、液晶表示素子を構成する部材の破壊からなる信頼性低下を抑制できる。また、UV照射時間を減らせることで製造上のタクトが上がる点からも好適である。
本実発明の液晶表示素子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ないが、通常は、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挙げられる。具体例は、液晶配向膜について説明した際の基板と同様である。特に、PSA方式の液晶セルに使用できる基板には、標準的なPVAやMVAといった電極パターンや突起パターンも使用できるが、片側基板に1μm〜10μmのライン/スリット電極パターンを形成し、対向基板にはスリットパターンや突起パターンを形成していない構造も使用可能である。後者であれば、製造時のプロセスを簡略化でき、高い透過率を得るという利点が得られる。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。
以下に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、本実施例で用いた化合物の構造、化合物の略号、及び溶媒の略号は以下の通りである。
<化合物の構造>
Figure 2011125876
<化合物の略号>
MMA:メチルメタクリレート
3MA:アントラセン-9-イルメチル-メタクリレート
9MA:オクタデシルメタクリレート
<溶媒の略号>
NMP:N−メチルピロリドン
BC:ブチルセロソルブ
γ−BL:ガンマブチルラクトン
AIBN:アゾビスイソブチロニトリル
1.液晶配向剤に含有される重合体の合成
<3MAの合成>
a.3MA-1の合成
Figure 2011125876
1L(リットル) の四つ口フラスコに4−ヘプチルフェノール(100.22g)、炭酸カリウム(122.15g)ヨウ化カリウム(4.43g)、N、N−ジメチルホルムアミド(420.06g)を入れ、容器内を窒素置換した後、攪拌しながら70−80℃に加熱した。その後、その混合液に、N、N−ジメチルホルムアミド(120.04g)で6−クロロー1−ヘキサノール(85.35g)を溶解した溶液を1時間かけて滴下し、75−85℃にて24時間攪拌した。その後、この反応液を20−30℃まで冷却し、析出物をろ過により除去し、酢酸エチル(200g)でろ取物を洗浄した。その後、得られたろ液を溶媒留去し、残渣に酢酸エチル(1400g)を加えた後、さらに不溶物をろ過により除去した。得られたろ液に10%水酸化ナトリウム水溶液(500.8g)を加えて分液を行い、水層を除去した後、さらに蒸留水(1300g)を加えて有機層を水洗した。その後水層を除去した後、飽和食塩水(800g)を加えて有機層を洗浄し、水層を除去した後、有機層を硫酸マグネシウム(55g)にて乾燥を行った。その後、硫酸マグネシウムをろ過により除去し、得られたろ液から溶媒を留去し、残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(酢酸エチル/ヘキサン=1/6→1/2)にて精製し、溶媒を留去することでオイル状の3MA−1を126.01g得た。
b.3−MAの合成
Figure 2011125876
窒素気流下中、1L の四つ口フラスコに、3MA−1(54.54g)、テトラヒドロフラン(490.00g)、トリエチルアミン(28.44g)を入れ、0℃にて攪拌し、均一溶液とした。その0℃の溶液にメタクリル酸クロライド(29.48g)を0℃にて40分かけて滴下した。滴下後、0℃にて1時間攪拌し、20−30℃にて17時間攪拌した。その後、反応液の溶媒を留去し、残渣を酢酸エチル(382g)で溶解した後、水(382g)を入れ、分液を行った。その後、有機層を飽和食塩水(380g)にて洗浄し、得られた有機層に硫酸マグネシウム(20,02g)を入れて乾燥させた。その後、硫酸マグネシウムをろ過により除去し、得られたろ液から溶媒を留去し、残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(酢酸エチル/ヘキサン=1/12→1/5)にて精製し、溶媒を留去することでオイル状の3MAを35.94g得た。
得られたオイル状化合物は、1H NMR分析結果により、3MAであることを確認した。
1H NMR (CDCl3、δppm ) : 0.87(m、3H )、1.23−1.32(m、8H)、1.43−1.60(m、6H)、1.68−1.82(m、4H)、1.94(t、3H)、2.53(t、2H)、3.93(t、2H)、4.15(t、2H)、5.55(m、1H)、6.10(m、1H)、6.80(dd、2H)、7.07(dd、2H)
<4MAの合成>
a.4MA−1の合成
Figure 2011125876
1L の四つ口フラスコに4、4’−ビフェノール(100.27g)、炭酸カリウム(55.63g)、N、N−ジメチルホルムアミド(221.25g)を入れ、容器内を窒素置換した後、攪拌しながら75℃に加熱した。その後、その混合液に、N、N−ジメチルホルムアミド(39.84g)で1−ブロモヘプタン(80.17g)を溶解した溶液を2時間かけて滴下し、75℃にて17時間攪拌した。その後、この反応液を20−30℃まで冷却し、析出物をろ過により除去し、N、N−ジメチルホルムアミド(630.39g)でろ取物を洗浄した後、得られたろ液を溶媒留去し、残渣に10%塩酸水溶液(500mL)を加えた後、40℃にて30分攪拌した。その後析出物をろ過により取り出した後、得られたろ取物を600mLの水で洗浄した。その後、得られたろ取物にメタノール(600mL)を加え40℃にて30分攪拌後、2℃まで冷却し、析出物をろ過した。さらにろ取物を冷却したメタノール(600mL)で洗浄し、ろ取物を取り出した。さらにそのろ取物にメタノール(600mL)を加え、30分間加熱還流を行った後、40℃まで冷却した。そのスラリー溶液をろ過し、得られたろ取物を冷却したメタノール(600mL)で洗浄した後、得られたろ取物を取り出し乾燥することで、58.87gの4MA−1を得た。
b.4MA−2の合成
Figure 2011125876
1L四つ口フラスコに4MA-1(58.77g)、炭酸カリウム(48.39g)、ヨウ化カリウム(1.7g)、N、N−ジメチルホルムアミド(176.6g)を仕込み、85℃で15分加熱攪拌した。その後、その混合液に、N、N−ジメチルホルムアミド(176g)で6−クロロー1−ヘキサノール(33.88g)を溶解した溶液を2時間かけて滴下し、85℃にて30時間攪拌した。その後、反応液中に純水(353g)を加えた後、この液を純水(706g)中に空け、1時間攪拌した後、析出物をろ過し、純水(200g)で2回洗浄してろ取物を得た(123.26g)。その後、このろ取物にN、N−ジメチルホルムアミド(381.4g)を加え、95℃にて25分間加熱攪拌した後、熱時濾過を行い、N、N−ジメチルホルムアミド(95.4g)でこのろ取物を洗浄した。得られたろ液を25℃にて2時間30分攪拌した。その後、析出した結晶をろ過し、N、N−ジメチルホルムアミド(95.4g)で2回洗浄した。さらにこのろ取物にメタノール(381.4g)を加えて30分間スラリー攪拌した後、さらにろ過を行い、メタノール(95.4g)で2回洗浄し、白色結晶を得た。この得られた白色結晶を真空ポンプを用いて50℃で乾燥し、71.65gの4MA−2を得た。
c.4MAの合成
Figure 2011125876
2L四つ口フラスコに4MA−2(61.55g)、脱水ジクロロメタン(547.8g)、トリエチルアミン(240.1g)を仕込み、0℃にて攪拌した。その0℃の溶液にメタクリル酸クロライド(25.1g)を0℃にて40分かけて滴下した。滴下後、0℃にて1時間攪拌し、20−30℃にて2時間攪拌した。その後、析出物をろ過し、ジクロロメタン(100mL)にて2回洗浄した後、ろ液の溶媒を残渣が217gになるまで留去した。その残渣をシリカゲル(72.4g)でろ過、ジクロロエタン(217g)で3回洗浄し、ろ液の溶媒を留去後、30℃で真空乾燥することで77.54gの薄い肌色の結晶を得た。この結晶をカラムクロマトグラフィー(ヘキサン/1,2−ジクロロエタン=2/1→4/6)で精製し、溶媒を留去することで白色結晶として47.82gの4MAを得た。
得られた白色結晶は、1H NMR分析結果により、4MAであることを確認した。
1H NMR (CDCl3、δppm ):δ0.90(t、3H)、1.29−1.38(m、6H)、1.45−1.58(m、6H)、1.70−1.84(m、6H)、1.95(s、3H)、3.98(m、4H)、4.16(t、2H)、5.55(s、1H)、6.10(m、1H)、6.94(dd、4H)、7.45(d、4H)
<5MAの合成>
a.5MA−1の合成
Figure 2011125876
100mL の四つ口フラスコに4、4’−ビフェノール(8.10g)、炭酸カリウム(4.51g)、N、N−ジメチルホルムアミド(34.5g)を入れ、容器内を窒素置換した後、攪拌しながら75℃に加熱した。その後、その混合液に、N、N−ジメチルホルムアミド(6.0g)で1−ブロモドデカン(9.1g)を溶解した溶液を2時間かけて滴下し、75℃にて17時間攪拌した。その後、この反応液を20−30℃まで冷却し、析出物をろ過により除去し、N、N−ジメチルホルムアミド(71.2g)でろ取物を洗浄した後、得られたろ液を溶媒留去し、残渣に10%塩酸水溶液(41mL)を加え、40℃にて30分攪拌した。その後析出物をろ過により取り出した後、得られたろ取物を94mLの水で洗浄した。その後、得られたろ取物にメタノール(98mL)を加え40℃にて30分攪拌後、25℃まで冷却し、析出物をろ過した。さらにろ取物を冷却したメタノール(69mL)で洗浄し、ろ取物を取り出した。さらにそのろ取物にメタノール(69mL)を加え、1時間加熱還流を行った後、20℃まで冷却した。そのスラリー溶液をろ過し、得られたろ取物を冷却したメタノール(49mL)で洗浄した後、得られたろ取物を取り出し乾燥することで、6.04gの5MA−1を得た。
b.5MA−2の合成
Figure 2011125876
4MA−2の合成と同様の操作を行い、5MA−2を得た。
Figure 2011125876
窒素気流下中、1L の四つ口フラスコに、5MA−2(5.0g)、テトラヒドロフラン(50g)、トリエチルアミン(1.83g)を入れ、0℃にて攪拌した。その0℃の溶液にメタクリル酸クロライド(2.09g)を0℃にて2時間かけて滴下した。滴下後、0℃にて1時間攪拌し、20−30℃にて17時間、60℃にて3時間攪拌した。その後、析出物をろ過し、得られたろ取物に水(17.5g)、テトラヒドロフラン(7g)を加え2時間室温にて攪拌した。その後、析出物をろ過により取り出し、得られた結晶を乾燥し、5MAを3.9g得た。得られた白色結晶は、1H NMR分析結果により、5MAであることを確認した。
1H NMR (CDCl3、δppm ): 0.88(t、3H)、1.26−1.40(m、16H)、1.43−1.57(m、6H)、1.68−1.85(m、6H)、1.94(t、3H)、3.96−4.01(m、4H)、4.16(t、2H)、5.55(t、1H)、6.10(t、1H)、6.94(dd、4H)、7.45(d、4H)
<6MAの合成>
a.6MA−2の合成
Figure 2011125876
窒素気流下、500mL四つ口フラスコに55%の水素化ナトリウム(4.13g)、N、N−ジメチルホルムアミド(200mL)を仕込み、60℃に加熱した後、6MA−1(20g)を20分かけて加え、さらに60℃にて1時間15分攪拌した。ヨウ化ナトリウム(1.09g)、6−クロロー1−ヘキサノール(12.94g)を加えた後、60℃にて3時間30分攪拌した。その後、さらに水素化ナトリウム(0.83g)、6−クロロー1−ヘキサノール(2.6g)を添加し、60℃にて20時間攪拌した。反応液を室温まで冷却した後、反応液に5%塩酸水溶液(500mL)、酢酸エチル(500mL)を加え、攪拌、分液し、有機層を硫酸マグネシウムで乾燥後、ろ過し、得られたろ液から溶媒を留去した。その後、残渣にアセトニトリル(100mL)を加えて加熱還流させた後、0℃まで冷却し、析出物をろ取した。得られたろ取物を乾燥することで6MA−2を23.43g得た。
b.6MAの合成
Figure 2011125876
3MAの合成と同様の操作を行い、6MA-2から6MAを得た。
得られた白色結晶は、1H NMR分析結果により、6MAであることを確認した。
1H NMR (CDCl3、δppm):0.89(t、3H )、1.00−1.08(m、2H)、1.22−1.56(m、19H)、1.66−1.87(m、8H)、1.94(s、3H)、2.40(t、1H)、3.93(t、2H)、4.15(t、2H)、5.55(s、1H)、6.09(s、1H)、6.81(d、2H)、7.10(d、2H)
<8MAの合成>
a.8MA−2の合成
Figure 2011125876
窒素気流下、1L四つ口フラスコに55%の水素化ナトリウム(3.6g)、N、N−ジメチルホルムアミド(300mL)を仕込み、60℃に加熱した後、8MA−1(20g)をN、N−ジメチルホルムアミド(200mL)に溶解させた溶液を30分かけて60℃にて滴下し、さらに60℃にて2時間攪拌した。その後、6−クロロー1−ヘキサノール(10.82g)を加えた後、60℃にて5時間攪拌した。反応液を室温まで冷却した後、反応液に水(3500g)を加え、室温にて攪拌した後、ろ過し、ろ取物を水(500g)で2回洗浄し、結晶を取り出した。得られた結晶をクロロホルム(1500g)に溶解させ、5%塩酸水溶液(1000g)を加え、分液後、有機層を水(1000g)で3回洗浄した後、有機層を硫酸マグネシウムにて乾燥させた。硫酸マグネシウムをろ過後、得られたろ液の溶媒を留去し、残渣にアセトン(400g)を加え、2時間加熱還流を行った。その後熱時ろ過を行い、得られたろ液を0℃に冷却して結晶を析出させた。その結晶をろ過し、冷却したアセトン(26g)にて洗浄した後、乾燥を行い、21.71gの8MA−2を得た。
b.8MAの合成
Figure 2011125876
窒素気流下中、1L の四つ口フラスコに、8MA−2(34.34g)、テトラヒドロフラン(400mL)、トリエチルアミン(19mL)を入れ、0℃にて攪拌した。その0℃の溶液にメタクリル酸クロライド(3.9mL)を0℃にて添加し、1時間攪拌した。その後本操作を2回繰り返し、総量としてメタクリル酸クロライドを11.7mL添加した。その後室温にて17時間攪拌した。その後反応液に水(500mL)、ヘキサン(500mL)を加え分液した後、有機層を取り出し、溶媒を留去した。得られた残渣にヘキサン(6000mL)、アセトニトリル(2000mL)、水(1000mL)を加え、分液した後、有機層を取り出し、溶媒を留去した。得られた残渣にヘキサン(105g)、メタノール(944g)を加え、加熱還流後、0℃まで冷却し、結晶を析出させた。得られた結晶をろ過し、メタノール(700g)で洗浄した後、結晶を取り出し、乾燥させて26.46gの8MAを得た。
得られた白色結晶は、1H NMR分析結果により、8MAであることを確認した。
1H NMR (CDCl3、δppm): 0.86−1.55(m、26H)、1.68−1.91(m、12H)、1.94(s、3H)、2.38(t、1H)、3.93(t、2H)、4.15(t、2H)、5.55(s、1H)、6.09(s、1H)、6.81(d、2H)、7.10(d、2H)
2.液晶配向剤の調製
表1には、以下に記載する本実施例の液晶配向剤(A1〜A14)について、その組成をまとめて示す。
Figure 2011125876
<実施例1>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.132g(1.2×10−3mol)、1MA0.554g(1.6×10−3mol)、3MA0.433g(1.2×10−3mol)、NMP10.367gを加えて攪拌し、メタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムポンプを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.033g(0.2×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて20時間反応させて後、冷却し、空気開放して反応を停止し、ポリメタクリレート溶液を得た。
得られたポリメタクリレート溶液に、BC2.88gを混合し、3時間攪拌して、ポリマー固形分8重量%、NMPが72重量%、BCが20重量%の液晶配向剤(A1)を得た。
ポリマーの数平均分子量は13,000、重量平均分子量は39,000であった。
<実施例2>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.132g(1.2×10−3mol)、2MA0.442g(1.6×10−3mol)、3MA0.433g(1.2×10−3mol)、NMP9.36gを加えて攪拌し、メタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.033g(0.2×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて20時間反応後、冷却し、空気開放して反応を停止し、ポリメタクリレート溶液を得た。
得られたポリメタクリレート溶液に、BC2.60gを混合し、3時間攪拌して、ポリマー固形分8重量%、NMPが72重量%、BCが20重量%の液晶配向剤(A2)を得た。
ポリマーの数平均分子量は3,000、重量平均分子量は4,000であった。
<比較例1>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.463g(4.2×10−3mol)、3MA0.649g(1.8×10−3mol)、NMP10.446gを加えて攪拌し、メタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.049g(0.3×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて20時間反応後、冷却し、空気開放して反応を停止し、ポリメタクリレート溶液を得た。
得られたポリメタクリレート溶液に、BC2.90gを混合し、3時間攪拌してポリマー固形分8重量%、NMPが72重量%、BCが20重量%の液晶配向剤(A3)を得た。
ポリマーの数平均分子量は6,000、重量平均分子量は12,000であった。
<実施例3>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.22g(2.0×10−3mol)、1MA0.554g(1.6×10−3mol)、4MA0.181g(0.4×10−3mol)、NMP8.896gを加え、攪拌してメタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.033g(0.2×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて20時間反応後、冷却し、空気開放して反応を停止し、ポリメタクリレート溶液を得た。
得られたポリメタクリレート溶液に、BC2.47gを混合し、3時間攪拌してポリマー固形分8重量%、NMPが72重量%、BCが20重量%の液晶配向剤(A4)を得た。
ポリマーの数平均分子量16,000は、重量平均分子量は59,000であった。
<実施例4>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.044g(0.4×10−3mol)、1MA1.109g(3.2×10−3mol)、5MA0.209g(0.4×10−3mol)、NMP12.551gを加えて攪拌し、メタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.033g(0.2×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて20時間反応後、冷却し、空気開放して反応を停止し、ポリメタクリレート溶液を得た。
得られたポリメタクリレート溶液に、BC3.4875gを混合し、3時間攪拌してポリマー固形分8重量%、NMPが72重量%、BCが20重量%の液晶配向剤(A5)を得た。
ポリマーの数平均分子量33,000は、重量平均分子量は114,000であった。
<比較例2>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.044g(0.4×10−3mol)、1MA1.109g(3.2×10−3mol)、6MA0.177g(0.4×10−3mol)、NMP12.263gを加えて攪拌し、メタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.033g(0.2×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて20時間反応後、冷却し、空気開放して反応を停止し、ポリメタクリレート溶液を得た。
得られたポリメタクリレート溶液に、BC3.4075gを混合し、3時間攪拌してポリマー固形分8重量%、NMPが72重量%、BCが20重量%の液晶配向剤(A6)を得た。
ポリマーの数平均分子量14,000は、重量平均分子量は33,000であった。
<比較例3>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.044g(0.4×10−3mol)、1MA1.039g(3.0×10−3mol)、6MA0.266g(0.6×10−3mol)、NMP12.436gを加えて攪拌し、メタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.033g(0.2×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて20時間反応後、冷却し、空気開放して反応を停止し、ポリメタクリレート溶液を得た。
得られたポリメタクリレート溶液に、BC3.455gを混合し、3時間攪拌してポリマー固形分8重量%、NMPが72重量%、BCが20重量%の液晶配向剤(A7)を得た。
ポリマーの数平均分子量15,000は、重量平均分子量は32,000であった。
<比較例4>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.044g(0.4×10−3mol)、1MA0.970g(2.8×10−3mol)、6MA0.354g(0.8×10−3mol)、NMP12.609gを加えて攪拌し、メタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.033g(0.2×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて重合反応を行ったところ、反応中に重合液が白濁し溶解物が析出してしまった。
<比較例5>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.044g(0.4×10−3mol)、1MA1.178g(3.4×10−3mol)、7MA0.079g(0.2×10−3mol)、NMP12.003gを加えて攪拌し、メタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.033g(0.2×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返し脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて20時間反応後、冷却し、空気開放して反応を停止し、ポリメタクリレート溶液を得た。
得られたポリメタクリレート溶液に、BC3.335gを混合し、3時間攪拌してポリマー固形分8重量%、NMPが72重量%、BCが20重量%の液晶配向剤(A9)を得た。
ポリマーの数平均分子量は26,000、重量平均分子量は81,000であった。
<比較例6>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.132g(1.2×10−3mol)、3MA0.442g(1.6×10−3mol)、2MA0.433g(1.2×10−3mol)、NMP9.36gを加えて攪拌し、メタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.033g(0.2×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて重合反応を行ったところ、反応中に重合液が白濁し溶解物が析出してしまった。
<比較例7>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.044g(0.4×10−3mol)、1MA1.178g(3.4×10−3mol)、8MA0.099g(0.2×10−3mol)、NMP12.187gを加えて攪拌し、メタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.033g(0.2×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて20時間反応後、冷却し、空気開放して反応を停止し、ポリメタクリレート溶液を得た。
得られたポリメタクリレート溶液に、BC3.385gを混合し、3時間攪拌してポリマー固形分8重量%、NMPが72重量%、BCが20重量%の液晶配向剤(A11)を得た。
ポリマーの数平均分子量は14,000、重量平均分子量は34,000であった。
<比較例8>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.044g(0.4×10−3mol)、1MA1.109g(3.2×10−3mol)、8MA0.199g(0.4×10−3mol)、NMP12.457gを加えて攪拌し、メタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.033g(0.2×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて重合反応を行ったところ、反応中に重合液が白濁し溶解物が析出してしまった。
<比較例9>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.044g(0.4×10−3mol)、1MA0.97g(2.8×10−3mol)、9MA0.271g(0.8×10−3mol)、NMP11.859gを加えて攪拌し、メタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.033g(0.2×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて20時間反応後、冷却し、空気開放して反応を停止し、ポリメタクリレート溶液を得た。
得られたポリメタクリレート溶液に、BC3.295gを混合し、3時間攪拌してポリマー固形分8重量%、NMPが72重量%、BCが20重量%の液晶配向剤(A13)を得た。
ポリマーの数平均分子量は24,000、重量平均分子量は58,000であった。
<比較例10>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.044g(0.4×10−3mol)、1MA0.831g(2.4×10−3mol)、9MA0.406g(1.2×10−3mol)、NMP11.831gを加えて攪拌し、メタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.033g(0.2×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて重合反応を行ったところ、反応中に重合液が白濁し溶解物が析出してしまった。
3.液晶セルの製造及び液晶配向剤の特性評価
上記で得られた、白濁して溶解物が析出すること無く調製された液晶配向剤(A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A9、A11及びA13)を用いて、以下のようにしてPSA方式の液晶セルを製造した。、それらの製造と特性評価について説明する。
それぞれの液晶配向剤を、画素サイズが100μm×300μmでライン/スペースがそれぞれ5μmのITO電極パターンが形成されているITO電極基板のITO面にスピンコートし、80℃のホットプレートで90秒間乾燥した後、160℃の熱風循環式オーブンで60分間焼成を行い、膜厚100nmの液晶配向膜を形成した。
一方、それぞれの液晶配向剤を、電極パターンが形成されていないITO面にスピンコートし、80℃のホットプレートで90秒間乾燥した後、160℃の熱風循環式オーブンで60分間焼成を行い、膜厚100nmの液晶配向膜を形成した。
上記の2枚の基板について、一方の基板の液晶配向膜上に厚み6μmのビーズスペーサを散布した後、その上からシール剤を印刷した。次いで、もう一方の基板の液晶配向膜面を内側にして、先の基板と貼り合わせた後、シール剤を硬化させて空セルを作製した。この空セルに液晶MLC−6608(メルク社製商品名)を減圧注入法によって注入し、各液晶セルを作製した。
得られた各液晶セルについて、液晶の応答速度を後述する方法により測定した。その後、液晶セルに20Vp−pの電圧を印加した状態で、液晶セルの外側から313nmのバンドパスフィルターを通過したUVを313nm換算で20J/cm照射した後、再び応答速度を測定し、UV照射前後での応答速度を比較した。それらの結果を表2に示した。
なお、液晶配向剤A6、A7、A8、A10及びA12を使用した液晶セルは、垂直配向性を示さず、応答速度特性を評価することはできなかった。
応答速度特性の評価は、次のようにして行った。
電圧を印加していない液晶セルに、電圧±4V、周波数1kHzの短形波を印加した際の、液晶パネルの輝度の時間変化をオシロスコープに取り込んだ。電圧を印加していないときの輝度を0%とし、±4Vの電圧を印加して飽和したときの輝度を100%として、輝度が10%〜90%まで変化するのに必要な時間(立ち上がり時間)を応答速度とした。
評価対象とする液晶セルは、液晶が垂直配向性を示した液晶配向剤A1、A2、A3、A4及びA5を使用した液晶セルである。結果を表2に示す。
Figure 2011125876
表2から分かるように、実施例1〜4の液晶配向剤A1、A2、A4及びA5を使用した液晶セルでは、UV照射後(PSA処理後)の液晶の応答速度が顕著に向上した。一方、比較例である液晶配向剤A3を使用した液晶セルは、UV照射前後で応答速度の変化(向上)は見られなかった。液晶配向剤A3では、配向剤中に含まれる重合体が光反応性モノマーを含んで合成されていない。したがって、液晶配向剤A3を用いて形成された液晶配向膜は光反応性基を有しておらず、液晶セルにUVを照射しても他の実施例のように架橋反応を起こすことがないため、液晶の応答速度の向上が実現できなかったものと解される。
尚、液晶が垂直配向性を示した液晶配向剤A1、A2、A3、A4及びA5を使用した液晶セルについて、熱処理を施したところ、表2に示すように、液晶配向剤A4及びA5を使用した実施例3及び4の液晶セルでは、液晶の配向不良が発生することはなかった。したがって、これらの液晶セルでは、液晶配向の安定性が高いことが分かった。液晶配向剤A4及びA5の含有する重合体は、上述した式(a2)に示すモノマーa2の一例となる、4MA又は5MAを用いて合成されたものである。よって、これらのモノマーから合成された重合体は、液晶配向膜に適用された場合に液晶配向の安定性向上に有効であることが分かった。
次に、本発明の液晶配向剤の安定性の評価を行った。評価に使用した液晶配向剤の調製と評価について、以下で説明する。
表3に、安定性評価のために合成された重合体を用いて調製された液晶配向剤(B1、B2)の組成を示す。
Figure 2011125876
<実施例5>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.132g(1.2×10−3mol)、1MA0.873g(2.52×10−3mol)、2MA0.101g(0.28×10−3mol)、NMP1.42g、γ−BL8.83gを加えて攪拌し、メタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.033g(0.2×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返し脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて20時間反応後、冷却し、空気開放して反応を停止し、ポリメタクリレート溶液を得た。
得られたポリメタクリレート溶液に、BC2.85gを混合し、3時間攪拌してポリマー固形分8重量%、NMPが10重量%、γ−BLが62重量%、BCが20重量%の液晶配向剤(B1)を得た。
ポリマーの数平均分子量は13,000、重量平均分子量は39,000であった。
<比較例11>
窒素封入したバルーンを装着した三方コックを備え付けた50mLナスフラスコに、MMA0.132g(1.2×10−3mol)、1MA0.873g(2.52×10−3mol)、4MA0.139g(0.28×10−3mol)、NMP1.47g、γ−BL9.12gを加えて攪拌し、メタクリレートモノマー溶液を調製した。この溶液を、ダイアフラムを用いて、2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。この後、AIBN0.033g(0.2×10−3mol)を添加し、攪拌溶解後、再び2分間減圧し窒素にて復圧を4回繰り返して脱気処理を行った。その後、60℃のオイルバスにて20時間反応後、冷却し、空気開放して反応を停止し、ポリメタクリレート溶液を得た。
得られたポリメタクリレート溶液に、BC2.94gを混合し、3時間攪拌してポリマー固形分8重量%、NMPが10重量%、γ−BLが62重量%、BCが20重量%の液晶配向剤(B2)を得た。
ポリマーの数平均分子量は14,000、重量平均分子量は40,000であった。
<液晶配向剤の安定性の評価>
Cr基板に上記液晶配向剤(B1)又は(B2)を1滴滴下し、温度20℃、湿度50%のクリーンルーム内に放置し、ワニスの吸湿により溶解性が低下して固形分が凝集(白化)するまでの時間を測定した。それらの結果を表4に示した。
Figure 2011125876
表4から分かるように、比較例12では白化までの時間が7分間と短いのに対し、上記液晶配向剤(B1)5では白化するまでの時間が5時間以上と長く、ワニス(液晶配向剤)の安定性に優れていることがわかった。
本発明の液晶配向剤によれば、液晶に重合性化合物を加えなくてもPSA方式による液晶表示素子を提供することができる。したがって、PSA方式のTFT液晶表示素子、TN液晶表示素子、VA液晶表示素子などに有用である。また、溶解性に優れたモノマーを導入することで、ワニスの安定性に優れた液晶配向剤が提供される。
なお、2010年3月31日に出願された日本特許出願2010−083369号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims (13)

  1. 式(1)で表される側鎖及び式(2)で表される側鎖からなる群から選ばれる少なくとも一種の側鎖と、光反応性基と、を有する重合体を含有することを特徴とする液晶配向剤。
    Figure 2011125876
    (式(1)、式(2)中、Xは炭素原子数1〜20のアルキレン基であり、X及びXは、それぞれ独立に、単結合、エーテル及びエステルからなる群から選ばれる結合基であり、Xは炭素原子数1〜20のアルキル基である。)
  2. 前記光反応性基が、下式(3)で表される基である請求項1に記載の液晶配向剤。
    Figure 2011125876
    (式(3)中、Xは、炭素原子数1〜20のアルキレン基であり、Xは、非置換であるか、又はシアノ、ハロゲンにより置換されていてもよい。Xは、単結合、−O−、−COO−、−NRCO−、−NR−、又は−NRCONR−の結合基であり、Rは、水素原子又は原子数1〜4のアルキル基である。Xは、シンナモイル基若しくはその誘導体、カルコン基、クマリン基、マレイミド基、又はアントラセン基である。
  3. 前記重合体を形成する全モノマーに対して、前記式(1)で表される側鎖及び式(2)で表される側鎖からなる群から選ばれる少なくとも一種の側鎖を10〜40モル%、光反応性基を30〜80モル%含有する請求項1又は2に記載の液晶配向剤。
  4. 前記重合体は、付加重合によって生成された重合体である請求項1〜3のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  5. 前記重合体は、不飽和カルボン酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、マレイミド、アクリロニトリル、マレイン酸無水物、スチレン 及びビニル化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を重合させて得られる重合体である請求項1〜4のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  6. 式(1)で表される側鎖及び式(2)で表される側鎖からなる群から選ばれる少なくとも一種の側鎖を有するモノマーと、光反応性基を有するモノマーと、を重合して得られる共重合体を含有することを特徴とする液晶配向剤。
  7. 前記共重合体を形成する全モノマーに対して、前記式(1)で表される側鎖及び式(2)で表される側鎖からなる群から選ばれる少なくとも一種の側鎖を有するモノマーを10〜40モル%、前記光反応性基を含有するモノマーを30〜80モル%含有する請求項6に記載の液晶配向剤。
  8. 前記式(1)で表される側鎖及び式(2)で表される側鎖からなる群から選ばれる少なくとも一種の側鎖を有するモノマーが、下式(a1)で表される化合物及び式(a2)で表される化合物からなる群から選ばれるモノマーである請求項6又は7に記載の液晶配向剤。
    Figure 2011125876
    (式(a1)及び式(a2)中、Xは炭素原子数1〜20のアルキレン基であり、X及びXはそれぞれ独立に単結合、エーテル及びエステルよりなる群から選ばれる結合基であり、Xは炭素原子数1〜20のアルキル基であり、Xは水素又はCHである。)
  9. 前記光反応性基が、シンナモイル基若しくはその誘導体基、又はアントラセン基である請求項1〜8のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  10. 前記重合体を2〜10質量%含有する請求項1〜9のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  11. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の液晶配向剤から得られる液晶配向膜。
  12. 請求項11に記載の液晶配向膜を有する液晶表示素子。
  13. 請求項11に記載の液晶配向膜が形成された2枚の基板で液晶を挟持した液晶セルに光照射して製造された液晶表示素子。
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