JPWO2014208609A1 - 液晶配向剤、液晶配向膜、液晶表示素子 - Google Patents

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Abstract

シンナモイル基と、アクリル基、メタクリル基のいずれかから選ばれる光重合性基を側鎖骨格中に含有するジアミン化合物及び液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物を含むジアミン成分と、テトラカルボン酸二無水物成分との反応で得られるポリイミド前駆体及びこれをイミド化して得られるポリイミドから選択される少なくとも1種の重合体、および重合性化合物を含有することを特徴とする液晶配向剤。

Description

本発明は、液晶配向剤、液晶配向膜、液晶表示素子に関する。
基板に対して垂直に配向している液晶分子を電界によって応答させる方式(垂直配向方式ともいう)の液晶表示素子の中には、その製造過程において液晶分子に電圧を印加しながら紫外線を照射する工程を含むものがある。
このような垂直配向方式の液晶表示素子では、あらかじめ液晶組成物中に光重合性化合物を添加し、ポリイミド等の垂直配向膜と共に用いて、液晶セルに電圧を印加しながら紫外線を照射することで、液晶の応答速度を速くする技術(例えば、特許文献1及び非特許文献1参照。)が知られている(PSA型液晶ディスプレイ)。通常、電界に応答した液晶分子の傾く方向は、基板上に設けられた突起や表示用電極に設けられたスリットなどによって制御されているが、液晶組成物中に光重合性化合物を添加し液晶セルに電圧を印加しながら紫外線を照射することにより、液晶分子の傾いていた方向が記憶されたポリマー構造物が液晶配向膜上に形成されるので、突起やスリットのみで液晶分子の傾き方向を制御する方法と比べて、液晶表示素子の応答速度が速くなるといわれている。
このPSA方式の液晶表示素子においては、液晶に添加する重合性化合物の溶解性が低く、添加量を増やすと低温時に析出するといった問題がある。他方で、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の不純物(コンタミ)となるため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。また、PSAモードで必要なUV照射処理はその照射量が多いと、液晶中の成分が分解し、信頼性の低下を引き起こす。
ここで、光重合性化合物を液晶組成物中ではなく液晶配向膜中に添加することによっても、液晶表示素子の応答速度が速くなることが報告されている(SC−PVA型液晶ディスプレイ)(例えば、非特許文献2参照)。
特開2003−307720号公報
K.Hanaoka,SID 04 DIGEST、P.1200-1202 K.H Y.-J.Lee,SID 09 DIGEST、P.666-668
このようなSC−PVAモードでは、光重合性化合物を添加した液晶配向剤を用いるが、光重合性化合物は液晶配向剤への溶解性もそれ程高くない為、液晶配向剤中に添加する光重合性化合物の添加量を多くすると、液晶配向剤の保存安定性に悪影響を与える。また、未反応の光重合性化合物は不純物となり焼き付きなどの原因となり、未反応の光重合性化合物を減らすために紫外線の照射量を増やすと、液晶やその他の部材へのダメージとなり液晶表示素子の信頼性を低下させる原因となる。
本発明の課題は、上述の従来技術の問題点を解決することにあり、液晶中に光重合性化合物を添加しなくても液晶表示素子の応答速度を向上させることが出来る液晶配向剤、液晶配向膜、液晶表示素子及びジアミン化合物を提供することにある。
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、光二量化反応を起こす基及び光重合反応を起こす基を側鎖に有する新規なジアミン化合物(以下、特定ジアミン化合物とも言う。)を含有す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によって得られるポリイミド前駆体及びそれをイミド化して得られるポリイミドから選ばれる少なくとも1つを含有する液晶配向剤を使用することにより、上記の課題を解決出来ることを見出し、本発明を完成させた。即ち、本発明は、以下の要旨を有するものである。
1.下記式[1]で表されるジアミン化合物及び液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物を含むジアミン成分と、テトラカルボン酸二無水物成分との反応で得られるポリイミド前駆体及びこれをイミド化して得られるポリイミドから選択される少なくとも1種の重合体、および重合性化合物を含有する液晶配向剤。
Figure 2014208609
(式中、Rは−CH−、−O−、−CONH−、−NHCO−、−COO−、−OCO−、−NH−、−CO−より選ばれる基を表す。Rは、炭素数1から炭素数30で形成されるアルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環であり、このアルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環の1つまたは複数の水素原子は、フッ素原子もしくは有機基で置き換えられていてもよい。また、Rは、次に挙げるいずれかの基が互いに隣り合わない場合において、−CH−がこれらの基に置き換えられていてもよい;−O−、−NHCO−、−CONH−、−COO−、−OCO−、−NH−、−NHCONH−、−CO−。Rは、−CH−、−O−、−CONH−、−NHCO−、−COO−、−OCO−、−NH−、−CO−、単結合のいずれかを表す。Rはシンナモイル基を表す。Rは単結合、または、炭素数1から炭素数30で形成されるアルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環であり、このアルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環の1つまたは複数の水素原子は、フッ素原子もしくは有機基で置き換えられていてもよい。また、Rは、次に挙げるいずれかの基が互いに隣り合わない場合において、−CH−がこれらの基に置き換えられていてもよい;−O−、−NHCO−、−CONH−、−COO−、−OCO−、−NH−、−NHCONH−、−CO−。Rはアクリル基、メタクリル基のいずれかから選ばれる光重合性基を示す。)
2.式[1]で表されるジアミン化合物が、ジアミン成分中の10モル%〜90モル%であることを特徴とする、1に記載の液晶配向剤。
3.液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物が、ジアミン成分中の10モル%〜70モル%であることを特徴とする、1または2に記載の液晶配向剤。
4.重合性化合物が、以下の式で表される重合性化合物であることを特徴とする、1から3のいずれか一つに記載の液晶配向剤
Figure 2014208609
Figure 2014208609
5.1から4のいずれか一つに記載の液晶配向剤から得られることを特徴とする液晶配向膜。
6.5に記載の液晶配向膜を具備することを特徴とする液晶表示素子。
7.下記式[DA−4]で表されることを特徴とするジアミン化合物。
Figure 2014208609
8.下記式[DA−10]で表されることを特徴とするジアミン化合物。
Figure 2014208609
9.下記式[DA−11]で表されることを特徴とするジアミン化合物。
Figure 2014208609
10.下記式[DA−13]で表されることを特徴とするジアミン化合物。
Figure 2014208609
本発明によれば、光重合性化合物を液晶中に含有しなくとも、液晶表示素子、特に垂直配向方式の液晶表示素子の応答速度を向上させることができる液晶配向剤を提供することができる。そして、この液晶配向剤は、PSA方式の液晶表示素子に限らず、例えば偏光の紫外線を照射して配向処理を行う液晶表示素子に用いることができ、液晶の配向が良好で交流(AC)残像の改善に効果のある液晶配向膜を得ることができる。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の液晶配向剤は、上記式[1]で表されるジアミン化合物及び液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物を含むジアミン成分と、テトラカルボン酸二無水物成分との反応で得られるポリイミド前駆体及びこれをイミド化して得られるポリイミドから選択される少なくとも1種の重合体、および重合性化合物を含有するものである。なお、液晶配向剤とは液晶配向膜を作製するための溶液であり、液晶配向膜とは液晶を所定の方向に配向させるための膜である。本発明の液晶配向剤に含有される各成分等について、以下に詳述する。
<特定ジアミン化合物>
本発明の液晶配向剤が含有するポリイミド前駆体及びこれをイミド化して得られるポリイミドから選択される少なくとも1種の重合体の原料であるジアミン成分は、上記式[1]で表されるジアミン化合物を含む。
式[1]中のR−R−Rは、側鎖におけるジアミノベンゼン骨格とシンナモイル基であるRを結ぶスペーサー部位であり、Rはこのスペーサー部位におけるジアミノベンゼン骨格との結合基を表す。この結合基Rは、−CH−(すなわちメチレン)、−O−(すなわちエーテル)、−CONH−(すなわちアミド)、−NHCO−(すなわち逆アミド)、−COO−(すなわちエステル)、−OCO−(すなわち逆エステル)、−NH−(すなわちアミノ)、−CO−(すなわちカルボニル)から選ばれる。これらの結合基Rは通常の有機合成的手法で形成させることができるが、合成の容易性の観点から、−CH−、−O−、−COO−、−NHCO−、−NH−が好ましい。
式[1]中のRは、スペーサー部位の中心となる部分であり、炭素数1から炭素数30で形成されるアルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環である。ただし、このアルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環の任意の水素原子は、フッ素原子もしくは有機基で置き換えられていてもよい。また、置き換えられる水素原子は、1箇所であっても複数の箇所であってもよい。また、このアルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環の1つまたは複数の−CH−は、次に挙げるいずれかの結合基が互いに隣り合わない場合において、これらの結合基に置き換えられていてもよい;−O−、−NHCO−、−CONH−、−COO−、−OCO−、−NH−、−NHCONH−、−NH、−CO−。これは、Rが、アルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環−該結合基−アルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環という構成を含んでいてもよいことを意味している。加えて、Rが−CH−の場合、RにおけるR側の末端は該結合基であってもよいことを意味している。同様に、Rが−CH−の場合、RにおけるR側の末端は該結合基であってもよいことを意味している。よって、Rが−CH−であり、かつ、Rが−CH−場合、Rは該結合基−アルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環−該結合基という構成や、Rは該結合基のいずれかという構成であってもよいことを意味している。なお、該結合基で置き換えられる−CH−は、1箇所であってもよく、該結合基同士が隣り合わなければ複数の箇所であってもよい。二価の炭素環や複素環としては、具体的には以下のような構造が挙げられるが、これに限定されるものではない。
Figure 2014208609
式[1]中のRは、スペーサー部位におけるRとの結合基を表す。この結合基Rは−CH−、−O−、−CONH−、−NHCO−、−COO−、−OCO−、−NH−、−CO−、単結合から選ばれる。これらの結合基Rは、通常の有機合成的手法で形成させることができるが、合成の容易性の観点から、−CH−、−O−、−COO−、−NHCO−、−NH−が好ましい。
式[1]中のRは、シンナモイル基であるRとアクリル基、メタクリル基のいずれかから選ばれる光重合性基であるRを結んだ部位であり、Rは、単結合、または、炭素数1から炭素数30で形成されるアルキレン基、二価の炭素環または複素環である。ただし、このアルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環の任意の水素原子は、フッ素原子もしくは有機基で置き換えられていてもよい。また、置き換えられる水素原子は、1箇所であっても複数の箇所であってもよい。また、このアルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環の1つまたは複数の−CH−は、次に挙げるいずれかの結合基が互いに隣り合わない場合において、これらの結合基に置き換えられていてもよい;−O−、−NHCO−、−CONH−、−COO−、−OCO−、−NH−、−NHCONH−、−NH−、−CO−。これは、例えば、Rが、アルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環−該結合基−アルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環という構成や、該結合基−アルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環という構造を含んでいてもよいことを意味している。なお、該結合基で置き換えられる−CH−は、1箇所であってもよく、該結合基同士が隣り合わなければ複数の箇所であってもよい。二価の炭素環や複素環としては、具体的には以下のような構造が挙げられるが、これに限定されるものではない。
Figure 2014208609
式[1]中のRは、アクリル基、メタクリル基のいずれかから選ばれる光重合性基を示す。光重合性基とは、光の刺激によって重合反応を起す官能基である。
このような上記式[1]で表されるジアミン化合物を原料として得られるポリイミド前駆体及びこれをイミド化して得られるポリイミドから選択される少なくとも1種の重合体を含有する液晶配向剤とすることにより、上記式[1]で表されるジアミン化合物に由来する光重合性基による架橋反応及び光二量化を起こす基による二量化反応が進行し、結果生じた架橋部位や二量化部位によって液晶分子が傾く方向が記憶されることで、得られる液晶表示素子の応答速度を速くすることができる。
本発明の液晶配向剤が含有するポリイミド前駆体及びこれをイミド化して得られるポリイミドから選択される少なくとも1種の重合体の原料であるジアミン成分に含まれる上記式[1]で示されるジアミンの割合は特に限定されないが、応答速度を向上させる観点から、ポリイミド前駆体の合成に用いるジアミン成分中の10モル%〜90モル%となる量を用いることが好ましく、より好ましくはジアミン成分の10モル%〜60モル%であり、特に好ましくは10モル%〜40モル%である。
上記式[1]で表されるジアミン化合物を合成する方法は特に限定されないが、例えば下記式[1a]で表されるジニトロ化合物のニトロ基を還元してアミノ基に変換することで得ることができる。
Figure 2014208609
(式[1a]中、R、R、R、R、R及びRは、式[1]の定義と同義である。)
上記式[1a]で表されるジニトロ化合物を還元する際に、二重結合が水素化されないような触媒を用いて還元を行う。還元反応は、酢酸エチル、トルエン、テトラヒドロフラン、ジオキサン、アルコール系などの溶媒中で、亜鉛、スズ、塩化スズ、鉄などを塩化アンモニウム、塩化水素などと共に用いることが好ましい。
上記式[1a]で表されるジニトロ化合物は、ジニトロベンゼンに対してRを介して側鎖部位である−R−R−R−R−Rを結合させる方法などで得ることができる。例えば、Rがアミド結合(−CONH−)の場合には、ジニトロベンゼン酸クロリドと−R−R−R−R−Rを含むアミノ化合物とを、アルカリ存在下で反応させる方法が挙げられる。
が逆アミド結合(−HNCO−)の場合には、アミノ基含有ジニトロベンゼンと、−R−R−R−R−Rを含む酸クロリドとを、アルカリ存在下で反応させる方法が挙げられる。
がエステル結合(−COO−)の場合には、ジニトロベンゼン酸クロリドと、−R−R−R−R−Rを含むアルコール化合物とを、アルカリ存在下で反応させる方法が挙げられる。また、Rが逆エステル結合(−OCO−)の場合には、ヒドロキシ基含有ジニトロベンゼンと、−R−R−R−R−Rを含む酸クロリド化合物とを、アルカリ存在下で反応させる方法が挙げられる。
がエーテル結合(−O−)の場合には、ハロゲン基含有ジニトロベンゼンと、−R−R−R−R−Rを含むアルコール化合物とをアルカリ存在下で反応させる方法が挙げられる。
がアミノ結合(−NH−)の場合には、ハロゲン基含有ジニトロベンゼンと、−R−R−R−R−Rを含むアミノ化合物とを、アルカリ存在下で反応させる方法が挙げられる。
がカルボニル結合(−CO−)の場合には、アルデヒド基含有ジニトロベンゼンと、−R−R−R−R−Rを含むホウ素酸化合物とを、パラジウムや銅触媒存在下でカップリング反応を行う方法が挙げられる。
が炭素結合(−CH−)の場合には、ハロゲン基含有ジニトロベンゼンと、−R−R−R−R−RのR側の末端に不飽和結合を有する化合物とを、ヘック反応や薗頭クロスカップリング反応を利用する方法が挙げられる。
上記のジニトロベンゼン酸クロリドとしては、3,5−ジニトロ安息香酸クロリド、3,5−ジニトロ安息香酸、2,4−ジニトロ安息香酸クロリド、2,4−ジニトロ安息香酸、3,5−ジニトロベンジルクロリド、2,4−ジニトロベンジルクロリド、また、アミノ基含有ニトロベンゼンとしては、2,4−ジニトロアニリン、3,5−ジニトロアニリン、2,6−ジニトロアニリンなどが挙げられる。ヒドロキシ基含有ニトロベンゼンとしては、2,4−ジニトロフェノール、3,5−ジニトロフェノール、2,6−ジニトロフェノールなどが挙げられる。ハロゲン基含有ジニトロベンゼンとしては、2,4−ジニトロフルオロベンゼン、3,5−ジニトロフルオロベンゼン、2,6−ジニトロフルオロベンゼン、2,4−ジニトロヨードベンゼン、3,5−ジニトロヨードベンゼン、2,6−ジニトロヨードベンゼンなどが挙げられる。アルデヒド基含有ジニトロベンゼンとしては、2,4−ジニトロアルデヒド、3,5−ジニトロアルデヒド、2,6−ジニトロアルデヒドなどが挙げられる。
側鎖部位である−R−R−R−R−Rを合成する方法としては、次に挙げる方法で合成する方法などが挙げられる。例えば、−R−R−R−R−Rの構造中にアミド結合(−CONH−)をもつ場合には、−Rを含む酸クロリド化合物と−R−R−Rアミノ化合物、−R−R−Rを含む酸クロリド化合物と−R−Rを含むアミノ化合物、もしくは、−R−R−R−Rを含む酸クロリド化合物と−Rを含むアミノ化合物を、アルカリ存在下で反応させる方法が挙げられる。
−R−R−R−R−Rの構造中に逆アミド結合(−HNCO−)をもつ場合には、−Rを含むアミノ化合物と−R−R−Rを含む酸クロリド化合物、−R−R−Rを含むアミノ化合物と−R−Rを含む酸クロリド化合物、もしくは、−R−R−R−Rを含むアミノ化合物と−Rを含む酸クロリド化合物を、アルカリ存在下で反応させる方法が挙げられる。
−R−R−R−R−Rの構造中にエステル結合(−COO−)をもつ場合には、−Rを含む酸クロリド化合物と−R−R−Rを含むアルコール化合物、−R−R−Rを含む酸クロリド化合物と−R−Rを含むアルコール化合物、もしくは、−R−R−R−Rを含む酸クロリド化合物と−Rを含むアルコール化合物を、アルカリ存在下で反応させる方法が挙げられる。
−R−R−R−R−Rの構造中に逆エステル結合(−OCO−)をもつ場合には、−Rを含むアルコール化合物と−R−R−Rを含む酸クロリド化合物、−R−R−Rを含むアルコール化合物と−R−Rを含む酸クロリド化合物、もしくは、−R−R−R−Rを含むアルコール化合物と−Rを含む酸クロリド化合物を、アルカリ存在下で反応させる方法が挙げられる。
−R−R−R−R−Rの構造中に、エーテル結合(−O−)をもつ場合には、−Rを含むハロゲン化合物と−R−R−Rを含むアルコール化合物、−R−R−Rを含むハロゲン化合物と−R−Rを含むアルコール化合物、−R−R−R−Rを含むハロゲン化合物と−Rを含むアルコール化合物、−Rを含むアルコール化合物と−R−R−Rを含むハロゲン化合物、−R−R−Rを含むアルコール化合物と−R−Rを含むハロゲン化合物、もしくは、−R−R−R−Rを含むアルコール化合物と−Rを含むハロゲン化合物を、アルカリ存在下で反応させる方法が挙げられる。
−R−R−R−R−Rの構造中にアミノ結合(−NH−)をもつ場合には、−Rを含むハロゲン化合物と−R−R−Rを含むアミノ化合物、−R−R−Rを含むハロゲン化合物と−R−Rを含むアミノ化合物、−R−R−R−Rを含むハロゲン化合物と−Rを含むアミノ化合物、−Rを含むアミノ化合物と−R−R−Rを含むハロゲン化合物、−R−R−Rを含むアミノ化合物と−R−Rを含むハロゲン化合物、もしくは、−R−R−R−Rを含むアミノ化合物と−Rを含むハロゲン化合物を、アルカリ存在下で反応させる方法が挙げられる。
−R−R−R−R−Rの構造中にカルボニル結合(−CO−)をもつ場合には、−Rを含むアルデヒド化合物と−R−R−Rを含むホウ素酸化合物、−R−R−Rを含むアルデヒド化合物と−R−Rを含むホウ素酸化合物、−R−R−R−Rを含むアルデヒド化合物と−Rを含むホウ素酸化合物、−Rを含むボロン酸化合物と−R−R−Rを含むアルデヒド化合物、−R−R−Rを含むホウ素酸化合物と−R−Rを含むアルデヒド化合物、もしくは、−R−R−R−Rを含むホウ素酸化合物と−Rを含むアルデヒド化合物を、アルカリ存在下で反応させる方法が挙げられる。
<液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物>
また、本発明の液晶配向剤が含有するポリイミド前駆体及びこれをイミド化して得られるポリイミドから選択される少なくとも1種の重合体の原料であるジアミン成分は、上記式[1]で表されるジアミン化合物以外に、液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物を含む。液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物としては、長鎖のアルキル基、長鎖アルキル基の途中に環構造や枝分かれ構造を有する基、ステロイド基や、これらの基の水素原子の一部又は全部をフッ素原子に置き換えた基を側鎖として有するジアミン、例えば下記の式[A−1]〜式[A−24]で示されるジアミンを例示することができるが、これに限定されるものではない。
Figure 2014208609
(式[A−1]〜式[A−5]中、Aは、炭素数2〜24のアルキル基又はフッ素含有アルキル基である。)
Figure 2014208609
(式[A−6]及び式[A−7]中、Aは、−O−、−OCH−、−CHO−、−COOCH−、又は−CHOCO−を示し、Aは炭素数1〜22のアルキル基、アルコキシ基、フッ素含有アルキル基又はフッ素含有アルコキシ基である。)
Figure 2014208609
(式[A−8]〜式[A−10]中、Aは、−COO−、−OCO−、−CONH−、−NHCO−、−COOCH−、−CHOCO−、−CHO−、−OCH−、又は−CH−を示し、Aは炭素数1〜22のアルキル基、アルコキシ基、フッ素含有アルキル基又はフッ素含有アルコキシ基である。)
Figure 2014208609
(式[A−11]及び式[A−12]中、Aは、−COO−、−OCO−、−CONH−、−NHCO−、−COOCH−、−CHOCO−、−CHO−、−OCH−、−CH−、−O−、又は−NH−を示し、Aはフッ素基、シアノ基、トリフルオロメタン基、ニトロ基、アゾ基、ホルミル基、アセチル基、アセトキシ基、又は水酸基である。)
Figure 2014208609
(式[A−13]及び式[A−14]中、Aは、炭素数3〜12のアルキル基であり、1,4−シクロヘキシレンのシス−トランス異性は、それぞれトランス異性体である。)
Figure 2014208609
(式[A−15]及び式[A−16]中、Aは、炭素数3〜12のアルキル基であり、1,4−シクロヘキシレンのシス−トランス異性は、それぞれトランス異性体である。)
Figure 2014208609
また、液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物の具体例としては、下記の式[A−25]〜式[A−30]で示されるジアミンも挙げることができる。
Figure 2014208609
(式[A−25]〜式[A−30]中、A12は、−COO−、−OCO−、−CONH−、−NHCO−、−CH−、−O−、−CO−、又は−NH−を示し、A13は炭素数1〜22のアルキル基又はフッ素含有アルキル基を示す。)
また、液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物の具体例としては、下記の式[A−31]〜式[A−32]で示されるジアミンも挙げることができる。
Figure 2014208609
この中でも、液晶を垂直に配向させる能力、液晶の応答速度の観点から、[A−1]、[A−2]、[A−3]、[A−4]、[A−5]、[A−25]、[A−26]、[A−27]、[A−28]、[A−29]、[A−30]のジアミンが好ましい。
上記のジアミンは、液晶配向膜とした際の液晶配向性、プレチルト角、電圧保持特性、蓄積電荷などの特性に応じて、1種類または2種類以上を混合して使用することもできる。
本発明の液晶配向剤が含有するポリイミド前駆体及びこれをイミド化して得られるポリイミドから選択される少なくとも1種の重合体の原料であるジアミン成分に含まれる液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミンの割合は特に限定されないが、ポリイミド前駆体の合成に用いるジアミン成分中の10モル%〜70モル%となる量を用いることが好ましく、より好ましくはジアミン成分中の10モル%〜50モル%であり、特に好ましくは20モル%〜40モル%である。このように液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミンを、ポリイミド前駆体の合成に用いるジアミン成分中の20モル%〜40モル%となる量を用いると、応答速度の向上や液晶の配向固定化能力の点で特に優れる。
<その他のジアミン化合物>
また、本発明の液晶配向剤が含有するポリイミド前駆体及びこれをイミド化して得られるポリイミドから選択される少なくとも1種の重合体の原料であるジアミン成分は、本発明の効果を損なわない限りにおいて、上記式[1]で表されるジアミン化合物や上記液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン以外の、その他のジアミンを含んでいてもよい。その他のジアミンとしては、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、3,5−ジアミノ安息香酸、2,5−ジアミノ安息香酸、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−(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−(4−アミノフェノキシ)デカン、1,10−(3−アミノフェノキシ)デカン、1,11−(4−アミノフェノキシ)ウンデカン、1,11−(3−アミノフェノキシ)ウンデカン、1,12−(4−アミノフェノキシ)ドデカン、1,12−(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が挙げられる。
上記その他のジアミンは、液晶配向膜とした際の液晶配向性、プレチルト角、電圧保持特性、蓄積電荷などの特性に応じて、1種類または2種類以上を混合して使用することもできる。
<テトラカルボン酸二無水物成分>
ポリイミド前駆体を得るために、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成分は、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−テトラヒドリナフタレン−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が挙げられる。勿論、テトラカルボン酸二無水物も、液晶配向膜にした際の液晶配向性、電圧保持特性、蓄積電荷などの特性に応じて、1種類または2種類以上併用してもよい。
<ポリイミド前駆体の合成>
本発明の液晶配向剤に含有され得るポリイミド前駆体とは、ポリアミック酸もしくはポリアミック酸エステルを指す。
上記ジアミン成分と上記テトラカルボン酸二無水物成分との反応により、ポリアミック酸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、生成したポリアミック酸が溶解するものであれば特に限定されない。さらに、ポリアミック酸が溶解しない有機溶媒であっても、生成したポリアミック酸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、さらには生成したポリアミック酸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。反応に用いる有機溶媒としては、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、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、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、また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℃〜150℃、好ましくは−5℃〜100℃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。あえて好ましい範囲を示すならば0.8〜1.2である。
本発明に用いられるポリアミック酸を合成する方法は上記の手法に限定されず、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成分として、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。
ポリアミック酸エステルは、以下に示す(1)〜(3)の方法で合成することができる。
(1)ポリアミック酸から合成する場合
ポリアミック酸エステルは、テトラカルボン酸二無水物とジアミン成分から得られるポリアミック酸をエステル化することによって合成することができる。具体的には、ポリアミック酸とエステル化剤を有機溶剤の存在下で−20℃〜150℃、好ましくは0℃〜50℃において、30分〜24時間、好ましくは1〜4時間反応させることによって合成することができる。
エステル化剤としては、精製によって容易に除去できるものが好ましく、N,N−ジメチルホルムアミドジメチルアセタール、N,N−ジメチルホルムアミドジエチルアセタール、N,N−ジメチルホルムアミドジプロピルアセタール、N,N−ジメチルホルムアミドジネオペンチルブチルアセタール、N,N−ジメチルホルムアミドジ−t−ブチルアセタール、1−メチル−3−p−トリルトリアゼン、1−エチル−3−p−トリルトリアゼン、1−プロピル−3−p−トリルトリアゼン、4−(4,6−ジメトキシー1,3,5−トリアジンー2−イル)−4−メチルモルホリニウムクロリドなどが挙げられる。エステル化剤の添加量は、ポリアミック酸の繰り返し単位1モルに対して、2〜6モル当量が好ましい。
上記の反応に用いる溶媒は、ポリマーの溶解性からN,N−ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、又はγ−ブチロラクトンが好ましく、これらは1種又は2種以上を混合して用いてもよい。合成時の濃度は、ポリマーの析出が起こりにくく、かつ高分子量体が得やすいという観点から、1〜30質量%が好ましく、5〜20質量%がより好ましい。
(2)テトラカルボン酸ジエステルジクロリドとジアミン成分との反応により合成する場合
ポリアミック酸エステルは、テトラカルボン酸ジエステルジクロリドとジアミン成分から合成することができる。具体的には、テトラカルボン酸ジエステルジクロリドとジアミン成分とを塩基と有機溶剤の存在下で−20℃〜150℃、好ましくは0℃〜50℃において、30分〜24時間、好ましくは1〜4時間反応させることによって合成することができる。
前記塩基には、ピリジン、トリエチルアミン、4−ジメチルアミノピリジンなどが使用できるが、反応が穏和に進行するためにピリジンが好ましい。塩基の添加量は、除去が容易な量で、かつ高分子量体が得やすいという観点から、テトラカルボン酸ジエステルジクロリドに対して、2〜4倍モルであることが好ましい。
上記の反応に用いる溶媒は、モノマーおよびポリマーの溶解性からN−メチル−2−ピロリドン、γ−ブチロラクトンが好ましく、これらは1種又は2種以上を混合して用いてもよい。合成時のポリマー濃度は、ポリマーの析出が起こりにくく、かつ高分子量体が得やすいという観点から、1〜30質量%が好ましく、5〜20質量%がより好ましい。また、テトラカルボン酸ジエステルジクロリドの加水分解を防ぐため、ポリアミック酸エステルの合成に用いる溶媒はできるだけ脱水されていることが好ましく、窒素雰囲気中で、外気の混入を防ぐのが好ましい。
(3)テトラカルボン酸ジエステルとジアミン成分との反応により合成する場合
ポリアミック酸エステルは、テトラカルボン酸ジエステルとジアミン成分を重縮合することにより合成することができる。具体的には、テトラカルボン酸ジエステルとジアミン成分を縮合剤、塩基、有機溶剤の存在下で0℃〜150℃、好ましくは0℃〜100℃において、30分〜24時間、好ましくは3〜15時間反応させることによって合成することができる。
前記縮合剤には、トリフェニルホスファイト、ジシクロヘキシルカルボジイミド、1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド塩酸塩、N,N’−カルボニルジイミダゾール、ジメトキシ−1,3,5−トリアジニルメチルモルホリニウム、O−(ベンゾトリアゾール−1−イル)−N,N,N’,N’−テトラメチルウロニウム テトラフルオロボラート、O−(ベンゾトリアゾール−1−イル)−N,N,N’,N’−テトラメチルウロニウムヘキサフルオロホスファート、(2,3−ジヒドロ−2−チオキソ−3−ベンゾオキサゾリル)ホスホン酸ジフェニルなどが使用できる。縮合剤の添加量は、テトラカルボン酸ジエステルに対して、2〜3倍モルであることが好ましい。
前記塩基には、ピリジン、トリエチルアミンなどの3級アミンが使用できる。塩基の添加量は、除去が容易な量で、かつ高分子量体が得やすいという観点から、ジアミン成分に対して、2〜4倍モルが好ましい。
また、上記反応において、ルイス酸を添加剤として加えることで反応が効率的に進行する。ルイス酸としては、塩化リチウム、臭化リチウムなどのハロゲン化リチウムが好ましい。ルイス酸の添加量はジアミン成分に対して、0〜1.0倍モルが好ましい。
上記3つのポリアミック酸エステルの合成方法の中でも、高分子量のポリアミック酸エステルが得られるため、上記(1)又は上記(2)の合成法が特に好ましい。
上記のようにして得られるポリアミック酸エステルの溶液は、よく撹拌させながら貧溶媒に注入することで、ポリマーを析出させることができる。析出を数回行い、貧溶媒で洗浄後、常温あるいは加熱乾燥して精製されたポリアミック酸エステルの粉末を得ることができる。貧溶媒は、特に限定されないが、水、メタノール、エタノール、ヘキサン、ブチルセロソルブ、アセトン、トルエン等が挙げられる。
<可溶性ポリイミドの合成>
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や、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、必ずしも100%である必要はない。
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、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、−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0.5〜30倍モル、好ましくは2〜20倍モルであり、酸無水物の量はアミド酸基の1〜50倍モル、好ましくは3〜30倍モルである。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、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、反応時間を調節することにより制御することができる。
ポリアミック酸又はポリイミドの反応溶液から、生成したポリアミック酸又はポリイミド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、ブチルセルソルブ、ヘプタン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、エタノール、トルエン、ベンゼン、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。
<液晶配向剤>
本発明の液晶配向剤は、上述したように、上記式[1]で表されるジアミン化合物及び液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物を含むジアミン成分と、テトラカルボン酸二無水物成分との反応で得られるポリイミド前駆体及び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から選択される少なくとも1種の重合体を含有するものである。液晶配向剤が含有する、上記式[1]で表されるジアミン化合物及び液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物を含むジアミン成分と、テトラカルボン酸二無水物成分との反応で得られるポリイミド前駆体及び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から選択される少なくとも1種の重合体の総量は、1〜10(質量)%であることが好ましい。
また、本発明の液晶配向剤は、上記式[1]で表されるジアミン化合物及び液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物を含む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により得られるポリイミド前駆体、及び、このポリイミド前駆体をイミド化して得られるポリイミドから選択される少なくとも一種の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上記式[1]で表されるジアミン化合物及び液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物を含む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により得られるポリイミド前駆体、及び、このポリイミド前駆体をイミド化して得られるポリイミドから選択される少なくとも一種の重合体の割合は10(質量)%以上が好ましい。
液晶配向剤が有する重合体の分子量は、液晶配向剤を塗布して得られる液晶配向膜の強度及び、塗膜形成時の作業性、塗膜の均一性を考慮した場合、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、より好ましくは、10,000〜150,000である。
液晶配向剤が含有する溶媒に特に限定はなく、上記式[1]で表されるジアミン化合物を含む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により得られるポリイミド前駆体、及び、このポリイミド前駆体をイミド化して得られるポリイミドから選択される少なくとも一種の重合体等の含有成分を溶解または分散できるものであればよい。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は、溶解性の観点から好ましい。勿論、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、液晶配向剤の含有成分の溶解性が高い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。
<重合性化合物>
本発明の液晶配向剤は、1つ以上の末端に光重合または光架橋する基を有する重合性化合物を含有する。すなわち、本発明の液晶配向剤が含有する重合性化合物は、光重合または光架橋する基を有する末端を、1つ以上持っている化合物である。ここで、光重合する基を有する重合性化合物とは、光を照射することにより重合を生じさせる官能基を有する化合物である。また、光架橋する基を有する重合性化合物とは、光を照射することにより、本発明の重合体と反応してこれらと架橋することができる官能基を有する化合物である。なお、光架橋する基を有する重合性化合物は、光架橋する基を有する重合性化合物同士でも反応する。
このような重合性化合物を、上記式[1]で表されるジアミン化合物及び液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物を含むジアミン成分と、テトラカルボン酸二無水物成分との反応で得られるポリイミド前駆体及びこれをイミド化して得られるポリイミドから選択される少なくとも1種の重合体と共に、液晶配向剤に含有させて、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の製造に用いることにより、この液晶を垂直に配向させる側鎖及び光反応性の側鎖を有する重合体やこの重合性化合物を単独で用いた場合と比較しても、応答速度を劇的に向上させることができ、少ない重合性化合物の添加量でも応答速度を十分に向上できる。
光重合または光架橋する基としては、下記式(II)で表される一価の基が挙げられる。
Figure 2014208609
重合性化合物の具体例としては、下記式(III)で表されるような2つの末端のそれぞれに光重合する基を有する重合性化合物、下記式(IV)で表されるような光重合する基を有する末端と光架橋する基を有する末端を持つ重合性化合物や、下記式(V)で表されるような2つの末端のそれぞれに光架橋する基を有する重合性化合物が挙げられる。なお、下記式(III)〜(V)において、R12、Z及びZは上記式(II)におけるR12、Z及びZと同じであり、Qは二価の有機基である。Qは、フェニレン基(−C−)、ビフェニレン基(−C−C−)やシクロヘキシレン基(−C10−)等の環構造を有していることが好ましい。液晶との相互作用が大きくなりやすいためである。
Figure 2014208609
Figure 2014208609
Figure 2014208609
式(III)で表される重合性化合物の具体例としては、下記の重合性化合物が挙げられる。式中、Vは、単結合又は−RO−で表されRは直鎖もしくは分岐の炭素数1〜10のアルキレン基であり、好ましくは、−RO−で表されRは直鎖もしくは分岐の炭素数2〜6のアルキレン基である。また、Wは、単結合又は−OR−で表されRは直鎖もしくは分岐の炭素数1〜10のアルキレン基であり、好ましくは、−OR−で表されRは直鎖もしくは分岐の炭素数2〜6のアルキレン基である。なお、V及びWは同一の構造でも異なっていてもよいが、同一であると合成が容易である。
Figure 2014208609
この上記式で表される重合性化合物は、両末端に重合性基であるα−メチレン−γ−ブチロラクトン基を有する特定の構造の化合物なので、重合体がリジッドな構造をとり液晶の配向固定化能力に優れているためか、後述する実施例に示すように、ポリイミド前駆体、及び、このポリイミド前駆体をイミド化して得られるポリイミドから選択される少なくとも一種の重合体を液晶配向膜の材料として用いる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の製造に用いることにより、応答速度を特に大幅に向上させることができる。また、一般的に液晶配向膜の形成過程には溶媒を完全に取り除くために高温で焼成する工程が含まれるが、アクリレート基、メタクリレート基、ビニル基、ビニロキシ基、エポキシ基などの重合性基を有する化合物では熱安定性に乏しく、高温での焼成に耐えることが難しい。一方、両末端にα−メチレン−γ−ブチロラクトン基を有する上記式に記載されるような重合性化合物は熱重合性に乏しい構造なためか、高温、例えば200℃以上の焼成温度に十分耐えることができる。
なお、光重合または光架橋する基として、α−メチレン−γ−ブチロラクトン基ではなく、アクリレート基やメタクリレート基を有する重合性化合物であっても、このアクリレート基やメタクリレート基がオキシアルキレン基等のスペーサーを介してフェニレン基と結合している構造を有する重合性化合物であれば、上記両末端にα−メチレン−γ−ブチロラクトン基をそれぞれ有する重合性化合物と同様に、応答速度を特に大幅に向上させることができる。また、アクリレート基やメタクリレート基がオキシアルキレン基等のスペーサーを介してフェニレン基と結合している構造を有する重合性化合物であれば、熱に対する安定性が向上するためか、高温、例えば200℃以上の焼成温度に十分耐えることができる。
また、式(III)で表される重合性化合物のその他の具体例としては、下記式の重合性化合物が挙げられる。
Figure 2014208609
(式中、Vは、単結合又は−RO−で表されRは直鎖もしくは分岐の炭素数1〜10のアルキレン基であり、好ましくは、−RO−で表されRは直鎖もしくは分岐の炭素数2〜6のアルキレン基である。また、Wは、単結合又は−OR−で表されRは直鎖もしくは分岐の炭素数1〜10のアルキレン基であり、好ましくは、−OR−で表されRは直鎖もしくは分岐の炭素数2〜6のアルキレン基である。V及びWは同一の構造でも異なっていてもよいが、同一であると合成が容易である。また、R12はHまたは炭素数1〜4のアルキル基である。)
これらの重合性化合物は、溶解性およびプレチルト角を発現させる能力の観点から、液晶配向剤中の固形分に対して1重量%〜30重量%が好ましく、1重量%〜20重量%がより好ましく、1重量%〜10重量%がさらに好ましい。
<重合性化合物の製造方法>
このような重合性化合物の製造方法は特に限定されず、例えば後述する合成例に従って製造することができる。例えば、下記式(1)で表される重合性化合物は、有機合成化学における手法を組み合わせることによって合成することができる。例えば、下記反応式で表されるタラガ等がP.Talaga,M.Schaeffer,C.Benezra and J.L.Stampf,Synthesis,530(1990)で提案する方法により、SnCl2を用いて2−(ブロモメチル)アクリル酸(2-(bromomethyl)propenoic acid)と、アルデヒドまたはケトンとを反応させて、合成することができる。なお、Amberlyst 15は、ロームアンドハース社製の強酸性イオン交換樹脂である。
Figure 2014208609
Figure 2014208609
(式中、R’は一価の有機基を表す。)
また、2−(ブロモメチル)アクリル酸は、下記反応式で表されるラマラーン等がK.Ramarajan,K.Kamalingam,D.J.O' Donnell and K.D.Berlin, Organic Synthesis,vol.61,56-59(1983)で提案する方法で合成することができる。
Figure 2014208609
具体的な合成例としては、Vが−R1O−、Wが−OR2−でR1とR2が同一である上記式(1)で表される重合性化合物を合成する場合は、下記反応式で示される2つの方法が挙げられる。
Figure 2014208609
Figure 2014208609
また、R1とR2が異なる上記式(1)で表される重合性化合物を合成する場合は、下記反応式で示される方法が挙げられる。
Figure 2014208609
そして、V及びWが単結合である上記式(1)で表される重合性化合物を合成する場合は、下記反応式で示される方法が挙げられる。
Figure 2014208609
液晶配向剤には、上記以外の成分を含有してもよい。その例としては、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。
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、液晶配向剤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。
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、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。また液晶配向膜の膜強度をさらに上げるために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、液晶配向剤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、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、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>
この液晶配向剤を基板上に塗布して焼成することにより、液晶を垂直に配向させる液晶配向膜を形成することができる。
この際、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、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。また、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観点から好ましい。また、反射型の液晶表示素子では片側の基板のみにならばシリコンウエハー等の不透明な物でも使用でき、この場合の電極はアルミ等の光を反射する材料も使用できる。
液晶配向剤の塗布方法は特に限定されず、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や、ディップ、ロールコーター、スリットコーター、スピンナーなどが挙げられる。
液晶配向剤を塗布することにより形成された塗膜の焼成温度は限定されず、例えば100℃〜350℃の任意の温度で行うことができるが、好ましくは120℃〜300℃であり、さらに好ましくは150℃〜250℃である。この焼成はホットプレート、熱風循環炉、赤外線炉などで行うことができる。
また、焼成して得られる液晶配向膜の厚みは特に限定されないが、好ましくは5〜300nm、より好ましくは10〜100nmである。
<液晶表示素子>
本発明の液晶表示素子は、対向するように配置された2枚の基板と、基板間に設けられた液晶層と、基板と液晶層との間に設けられ本発明の液晶配向剤により形成された上記液晶配向膜とを有する液晶セルを具備する液晶表示素子である。具体的には、本発明の液晶配向剤を2枚の基板上に塗布して焼成することにより液晶配向膜を形成し、この液晶配向膜が対向するように2枚の基板を配置し、この2枚の基板の間に液晶で構成された液晶層を挟持し、液晶配向膜及び液晶層に電圧を印加しながら紫外線を照射することで作製される液晶セルを具備する液晶表示素子である。このような本発明の液晶表示素子としては、ツイストネマティック(TN:Twisted Nematic)方式、垂直配向(VA:Vertical Alignment)方式や、水平配向(IPS:In-Plane Switching)方式等、種々のものが挙げられる。
このように本発明の液晶配向剤により形成された液晶配向膜を用い、液晶配向膜及び液晶層に電圧を印加しながら紫外線を照射して、ポリイミド前駆体やポリイミドの側鎖が持つ光重合性基及び光二量化を起こす基、すなわち、上記式[1]で表されるジアミン化合物由来の光重合性基及び光二量化を起こす基を反応させることにより、効率的に液晶の配向が固定化され、応答速度が顕著に優れた液晶表示素子となる。もちろん、本発明の液晶配向剤に、光重合性化合物を添加しても、同様或いはそれ以上の応答速度の液晶表示素子を得ることは可能である。
本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である。具体例としては、上記液晶配向膜で記載した基板と同様のものを挙げることができる。従来の電極パターンや突起パターンが設けられた基板を用いてもよいが、本発明の液晶表示素子においては、液晶配向膜を形成する液晶配向剤として上記本発明の液晶配向剤を用いているため、片側基板に1から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においても動作可能であり、この構造の液晶表示素子によって、製造時のプロセスを簡略化でき、高い透過率を得ることができる。
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の場合は、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。
液晶配向膜は、この基板上に本発明の液晶配向剤を塗布した後焼成することにより形成されるものであり、詳しくは上述したとおりである。
本発明の液晶表示素子の液晶層を構成する液晶材料は特に限定されず、従来の垂直配向方式で使用される液晶材料、例えばメルク社製のMLC−6608、MLC−6609などのネガ型の液晶や、MLC−2041などを用いることができる。
この液晶層を2枚の基板の間に挟持させる方法としては、公知の方法を挙げることができる。例えば、液晶配向膜が形成された一対の基板を用意し、一方の基板の液晶配向膜上にビーズ等のスペーサーを散布し、液晶配向膜が形成された側の面が内側になるようにしてもう一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が挙げられる。また、液晶配向膜が形成された1対の基板を用意し、一方の基板の液晶配向膜上にビーズ等のスペーサーを散布した後に液晶を滴下し、その後液晶配向膜が形成された側の面が内側になるようにしてもう一方の基板を貼り合わせて封止を行う方法でも液晶セルを作製することができる。このときのスペーサーの厚みは、好ましくは1〜30μm、より好ましくは2〜10μmである。
液晶配向膜及び液晶層に電圧を印加しながら紫外線を照射することにより液晶セルを作製する工程は、例えば基板上に設置されている電極間に電圧をかけることで液晶配向膜及び液晶層に電界を印加し、この電界を保持したまま紫外線を照射する方法が挙げられる。ここで、電極間にかける電圧としては例えば5〜30Vp−p、好ましくは5〜20Vp−pである。紫外線の照射量は、例えば1〜60J/cm、好ましくは40J/cm以下であり、紫外線照射量が少ないほうが、液晶表示素子を構成する部材の破壊により生じる信頼性低下を抑制でき、かつ紫外線照射時間を減らせることで製造効率が上がるので好適である。
このように、液晶配向膜及び液晶層に電圧を印加しながら紫外線を照射すると、ポリイミド前駆体やポリイミドの側鎖が持つ光重合性基及び光二量化を起こす基の反応が進行し、すなわち、上記式[1]で表されるジアミン化合物由来の光重合性基による架橋反応及び光二量化を起こす基による二量化反応が進行し、結果生じた架橋部位や二量化部位によって液晶分子が傾く方向が記憶されることで、得られる液晶表示素子の応答速度を速くすることができる。
また、上記液晶配向剤は、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を作製するための液晶配向剤として有用なだけでなく、ラビング処理や光配向処理によって作製される液晶配向膜の用途でも好適に使用できる。
以下に実施例を挙げ、本発明を更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。
(テトラカルボン酸二無水物)
BODA:ビシクロ[3,3,0]オクタン−2,4,6,8−テトラカルボン酸二無水物
CBDA:1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物
TCA:2,3,5−トリカルボキシシクロペンチル酢酸−1,4:2,3−二無水物
(ジアミン)
DBA:3,5−ジアミノ安息香酸
3AMPDA:3,5−ジアミノ−N−(ピリジン−3−イルメチル)ベンズアミド
下記式DA−1〜DA−5で表される光反応性ジアミン
Figure 2014208609
下記式DA−6〜DA−9で表される垂直配向性ジアミン
Figure 2014208609
<溶媒>
NMP:N−メチル−2−ピロリドン
BCS:ブチルセロソルブ
<添加剤>
3AMP:3−ピコリルアミン
<重合性化合物>
下記式RM1、RM2で表される重合性化合物
Figure 2014208609
実施例等で使用した有機溶媒等の略号は以下の通りである。
NMP: N−メチル−2−ピロリドン
BCS: ブチルセロソルブ
また、ポリイミドの分子量測定条件は、以下の通りである。
装置:センシュー科学社製 常温ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)装置(SSC−7200)、
カラム:Shodex社製カラム(KD−803、KD−805)
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:東ソー社製 TSK 標準ポリエチレンオキサイド(分子量約9000,000、150,000、100,000、30,000)、および、ポリマーラボラトリー社製 ポリエチレングリコール(分子量 約12,000、4,000、1,000)。
また、ポリイミドのイミド化率は次のようにして測定した。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−d、0.05%TMS混合品)1.0mlを添加し、超音波をかけて完全に溶解させた。この溶液を日本電子データム社製NMR測定器(JNW−ECA500)にて500MHzのプロトンNMRを測定した。イミド化率は、イミド化前後で変化しない構造に由来するプロトンを基準プロトンとして決め、このプロトンのピーク積算値と、9.5〜10.0ppm付近に現れるアミック酸の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。なお下記式において、xはアミック酸のNH基由来のプロトンピーク積算値、yは基準プロトンのピーク積算値、αはポリアミック酸(イミド化率が0%)の場合におけるアミック酸のNH基のプロトン1個に対する基準プロトンの個数割合である。
イミド化率(%)=(1−α・x/y)×100
HNMRの測定>
装置:フーリエ変換型超伝導核磁気共鳴装置(FT−NMR)INOVA−400(Varian製)400MHz
溶媒:重水素化ジメチルスルホキシド(DMSO−d)、重水素化クロロホルム(CDCl
標準物質:テトラメチルシラン(TMS)
(合成例1)DA−1の合成
(合成例1−1) DA−1の前駆体DA−1−1の合成
Figure 2014208609
2L四口フラスコに4−ブロモヒドロキシベンゼン(100g、578mmol)、アクリル酸tert−ブチル(156g、1.21mol)、酢酸パラジウム(II)(2.6g、11.6mmol)、トリ(o−トリル)ホスフィン(7.0g、23.1mmol)、トリブチルアミン(321g、1.73mol)、N、N‘−ジメチルアセトアミド(以下、DMAcと表記)(500g)を加え、100℃で加熱撹拌を行なった。反応をHPLCにて追跡し、反応終了後、反応溶液を1M塩酸水溶液(2L)へ注ぎしばらく撹拌した。そこに酢酸エチル(1L)を加え分液操作にて水層を除去した後、有機層を飽和食塩水(500mL)で3回洗浄し、有機層を硫酸マグネシウムで乾燥、ろ過し、溶媒を留去し、DA−1−1(赤褐色粘体)を158g得た。なお、得られた化合物は、そのまま次の工程に使用した。
(合成例1−2) DA−1の前駆体DA−1−2の合成
Figure 2014208609
500mL四口フラスコに、DA−1−1を22.0g、N,N−ジメチルホルムアミドを250mL、6−クロロ−1−ヘキサノールを19.1g、炭酸カリウムを41.5g、ヨウ化カリウムを1.7g加えて、100℃に加熱しながら攪拌した。反応終了後、1Lの水に反応系を注ぎ、1N−塩酸水溶液で中和を行い、沈殿物を濾過した。この濾過物をイソプロピルアルコールで洗浄し、乾燥させ、DA−1−2(白色固体)を13.2g得た(収率43%)。
(合成例1−3) DA−1の前駆体DA−1−3の合成
Figure 2014208609
300mL四口フラスコに、DA−1−2を6.4g、テトラヒドロフランを60mL、2,4−ジニトロフルオロベンゼンを3.7g、トリエチルアミンを2.4g加え、80℃に加熱しながら攪拌した。反応終了後、500mLの酢酸エチルに反応系を注ぎ、飽和食塩水を用いて抽出を行った。抽出した有機層に無水硫酸マグネシウムを加えて脱水乾燥し、無水硫酸マグネシウムを濾過した。得られた濾液をロータリーエバポレーターを用いて溶媒留去し、ギ酸を50mL加え、50℃に加熱しながら攪拌した。反応終了後、500mLの水に反応系を注ぎ、沈殿物を濾過した。この濾過物をイソプロピルアルコールで洗浄し、乾燥させ、DA−1−3(黄色固体)を7.4g得た(収率81%)。
(合成例1−4) DA−1の前駆体DA−1−4の合成
Figure 2014208609
300mL四口フラスコに、DA−1−3を6.9g、テトラヒドロフランを70mL、メタクリル酸2−ヒドロキシエチルを2.5g、1−(3−ジメチルアミノプロピル)−3−エチルカルボジイミド塩酸塩を5.3g、4−ジメチルアミノピリジンを0.2g加えて、室温で攪拌した。反応終了後、200mLの水に反応系を注ぎ、沈殿物を濾過した。この濾過物をイソプロピルアルコールで洗浄し、乾燥させ、DA−1−4(黄白色固体)を8.6g得た(収率96%)。
(合成例1−5) DA−1の合成
Figure 2014208609
300mL四口フラスコに、DA−1−4を7.6g、酢酸エチルを70mL、純水を70ml、還元鉄を7.8g、塩化アンモニウムを6.0g加え、60℃に加熱しながら攪拌した。反応終了後、還元鉄を濾過し、有機層を酢酸エチルで抽出した。有機層に無水硫酸マグネシウムを加えて脱水乾燥し、無水硫酸マグネシウムを濾過した。得られた濾液をロータリーエバポレーターを用いて溶媒留去した。残渣をイソプロパノールにて洗浄し、乾燥させ、DA−1(黄白色固体)を5.3g得た(収率78%)。得られた固体をH−NMRで測定した結果を以下に示す。この結果から、得られた固体が、目的のDA−1であることを確認した。
1H NMR (400 MHz,[D6]-DMSO): δ7.62-7.64 (d,2H), 7.56-7.68 (d,1H), 6.91-6.93 (d,2H), 6.44-6.48 (d,1H), 6.42 (s,1H), 6.00 (s,1H), 5.91 (s,1H), 5.69-5.72 (d,2H), 5.66 (s,1H), 4.36 (s,2H), 4.32 (s,2H), 3.96-4.00 (t,2H), 3.71-3.74 (t,2H), 1.84 (s,3H), 1.62-1.72 (m,4H), 1.40-1.44 (m,4H)
(合成例2−1)DA−2の前駆体DA−2−1の合成
Figure 2014208609
1L三口フラスコに、trans−p−クマル酸を102.0g、エタノールを500mL、硫酸を5.8g、加えて、還流加熱しながら攪拌した。反応終了後、3Lの水に反応系を注ぎ、沈殿物を濾過した後に、この濾過物を乾燥させ、90.0gの目的物DA−2−1(白色固体)を得た(収率75%)。
(合成例2−2) DA−2の前駆体DA−2−2の合成
Figure 2014208609
500mL三口フラスコに、DA−2−1を19.2g、ジメチルホルムアミドを250mL、6−クロロ−1−ヘキサノールを20.5g、炭酸カリウムを41.5g、ヨウ化カリウムを1.7g加えて、60℃で攪拌した。反応終了後、1.2Lの水に反応系を注ぎ、1N−HCl水溶液で中和を行い、沈殿物を濾過した。この濾過物を300mLの酢酸エチルに溶解し、飽和食塩水を用いて抽出をおこない、有機層に無水硫酸マグネシウムを加えて脱水乾燥、濾過した後に、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒留去を行い、26.99gの目的物DA−2−2(透明粘体)を得た(収率92%)。
(合成例2−3) DA−2の前駆体DA−2−3の合成
Figure 2014208609
500mL三口フラスコに、DA−4−2を14.7g、エタノールを200mL、10wt%KOH水溶液を30.0g加えて、還流加熱しながら攪拌した。反応終了後、600mLの水に反応系を注ぎ、1N−HCl水溶液で中和を行い、沈殿物を濾過した。この濾過物を酢酸エチルで洗浄し、乾燥させ、11.8gの目的物DA−4−3(白色固体)を得た(収率89%)。
(合成例2−4) DA−2の前駆体DA−2−4の合成
Figure 2014208609
300mL三口フラスコに、DA−2−3を11.7g、トリエチルアミン(EtN)を4.9gおよびテトラヒドロフランを200mL加えた。系内を冷却して0℃にし、3,5−ジニトロベンゾイルクロリドを15.2g加え、室温で攪拌した。反応終了後、純水を50mL加えて攪拌したのち、酢酸エチルを加えて有機層を抽出し、有機層に無水硫酸マグネシウムを加えて脱水乾燥、濾過した後に、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒留去を行った。残渣を酢酸エチルにて再結晶を行い、7.2gの目的物DA−2−4(黄白色固体)を得た(収率35%)。
(合成例2−5) DA−2の前駆体DA−2−5の合成
Figure 2014208609
200mL三口フラスコに、DA−2−4を6.9g、テトラヒドロフランを60mL、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル(HEMA)を3.0g、1−(3−ジメチルアミノプロピル)−3−エチルカルボジイミド塩酸塩(EDC)を4.4g、4−ジメチルアミノピリジン(DMAP)を0.2g加えて、室温で攪拌した。反応終了後、有機層をクロロホルムで抽出し、有機層に無水硫酸マグネシウムを加えて脱水乾燥、濾過した後に、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒留去を行い、残渣をイソプロピルアルコール/ヘキサン=1/5で再結晶を行い、5.9gの目的物DA−2−5(黄白色固体)を得た(収率69%)。
(合成例2−6) DA−2の合成
Figure 2014208609
300mL三口フラスコに、DA−2−5を5.9g、テトラヒドロフランを60mLおよび純水を60mL加えて、系内を攪拌し、塩化すずを13.3g加え、系内を70℃まで加熱して攪拌した。反応終了後、300mLの酢酸エチルに反応系を注ぎ、炭酸水素ナトリウムを用いて、pHを7〜8にした。白色沈殿物を濾過により取り除き、有機層を酢酸エチルで抽出し、有機層に無水硫酸マグネシウムを加えて脱水乾燥、濾過した後に、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒留去を行った。残渣を酢酸エチル/ヘキサン=1/5を用いて再結晶を行い、5.7gの目的物DA−2(橙色固体)を得た(収率99%)。得られた固体をH−NMRで測定した結果を以下に示す。この結果から、得られた固体が、目的のDA−4であることを確認した。
1H NMR(400MHz,[D6]-DMSO):δ7.54-7.67(d,2H),7.60(s,1H),6.94-6.97(d,2H),6.48-6.52(d,1H),6.42-6.43(s,2H),6.01-6.05(m,2H),5.70(s,1H),4.99(s,4H),4.36-4.40(m,4H),4.15-4.19(m,2H),4.00-4.03(m,2H),1.88(s,3H),1.66-1.75(m,4H),1.36-1.46(m,4H)
(合成例3)DA−3の合成
Figure 2014208609
(上記反応式中の●が表記してあるシクロヘキサン環は、立体構造が1,4-trans-シクロヘキサン環であることを表す。)
反応容器に化合物DA−3−1(74.43g、261mmol)、トリエチルアミン(29.81g、295mmol)、THF(1,000g)を仕込み、窒素置換後、内温が10℃を越えないように注意しながらメタクリロイルクロリド(27.01g、258mmol)のTHF(100g)溶液を滴下した。反応終了をHPLCで確認後、反応溶液を蒸留水(3L)へ注ぎ、酢酸エチル(1.5L)で抽出した。有機層を飽和食塩水(500g)で3回洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過、溶媒留去し、化合物DA−3−2の粗物を得た。得られた粗物をメタノール(100g)で分散洗浄し、ろ過、固体を乾燥させ、化合物[12]を得た(収量72.9g、収率80%)。得られた化合物をH−NMRで測定した結果を以下に示す。
1H-NMR(400MHz, DMSO-d6, δppm):7.56(2H, d), 7.47(1H, d), 7.26(2H, d), 6.42(1H, d), 4.75-4.69(1H, m), 2.59-4.47(1H, m), 2.01-1.98(2H, m), 1.85-1.78(5H, m), 1.59-1.44(4H, m).
反応容器に化合物DA−3−2(20.29g、54.8mmol)、DCM(100g)を仕込み、窒素置換後、トリフルオロ酢酸(31.2g、274mol)を滴下した。HPLCで反応終了確認後、反応溶液を蒸留水(200mL)へ注ぎ、酢酸エチル(1L)で抽出を行なった。その後、有機層を飽和食塩水(200g)で3回洗浄し、有機層を硫酸マグネシウムで乾燥後、ろ過、エバポレーターで溶媒留去し化合物DA−3−3の粗物を得た。得られた粗物をメタノール(30g)で分散洗浄し、ろ過、乾燥し、化合物DA−3−3を得た(収量10.9g、収率64%)。得られた化合物をH−NMRで測定した結果を以下に示す。
1H-NMR(400MHz, DMSO-d6, δppm):12.32(1H, brs), 7.58-7.50(3H, m),7.27(2H, d), 6.43(1H, d), 5.99-5.98(1H, m), 5.64-5.63(1H, m), 4.78-4.70(1H, m), 2.59-2.51(1H, m), 2.02-1.95(2H, m), 1.82-1.79(5H, m), 1.63-1.42(4H).
反応容器に2−(2,4−ジニトロフェニル)エタノール(11.94g、56.3mmol)、化合物DA−3−3(10.89g、35.3mmol)、EDC(11.62g、61.0mmol)、DMAP(0.57g、4.7mmol)、THF(130g)を加え、室温で撹拌を行なった。HPLCで反応終了確認後、反応溶液を蒸留水(600mL)に注ぎ、析出した固体をろ過し、蒸留水で洗浄し化合物DA−3−4の粗物を得た。得られた粗物をメタノール(100mL)で分散洗浄し、ろ過、減圧乾燥後、化合物DA−3−4を得た(収量17.1g、収率96%)。得られた化合物をH−NMRで測定した結果を以下に示す。
1H-NMR(400MHz, DMSO-d6, δppm):8.70-8.69(1H, m), 8.48-8.45(1H, m), 7.87(1H, d), 7.58-7.52(3H, m), 7.27(2H, d), 6.44(1H, d),5.99-5.98(1H, m), 5.63-5.62(1H, m), 4.76-4.71(1H, m), 4.41(2H, t), 3.34(2H, t), 2.57-2.54(1H, m), 2.01-1.97(2H, m), 1.84-1.78(5H, m), 1.60-1.45(4H, m).
反応容器に化合物DA−3−4(17.00g、33.4mmol)、鉄分(11.2g、201mmol)、酢酸エチル(150g)、塩化アンモニウム(5.35g、100mmol)、蒸留水(50g)を加え、70℃で加熱撹拌を行なった。HPLCで反応終了を確認後、固体をセライトろ過、酢酸エチル(200mL)で洗浄し除去した。ろ液を飽和食塩水(200g)で3回洗浄し、有機層を硫酸マグネシウムで乾燥後、溶媒をエバポレーターで留去し、化合物DA−10の粗物を得た。得られた粗物をメタノール(100g)で分散洗浄し、ろ過、減圧乾燥し、化合物DA−3を得た(収量10.3g、収率69%)。得られた化合物をH−NMRで測定した結果を以下に示す。
1H-NMR(400MHz, DMSO-d6, δppm):7.61-7.57(3H, m), 7.27(2H, d), 6.58-6.51(2H, m), 5.99(1H, s), 5.85(1H, d), 5.75(1H, dd), 5.65-5.63(1H, m), 4.80-4.71(1H, m), 4.63(2H, brs), 4.57(2H, brs), 4.12(2H, t), 2.64(2H, t), 2.59-2.53(1H, m), 2.00-1.98(2H, m), 1.85-1.79(5H, m), 1.64-1.44(4H, m).
(合成例4−1) DA−4の前駆体DA−4−1の合成
Figure 2014208609
500mL四つ口フラスコに、2−メチルアクリル酸 6−[4−(2−ヒドロキシカルボニルビニル)フェニル]−ヘキシルエステルを21.2g、テトラヒドロフランを300mL、2−(2,4−ジニトロフェニル)エタノールを13.6g、1−(3−ジメチルアミノプロピル)−3−エチルカルボジイミド塩酸塩(EDC)を18.4g、4−ジメチルアミノピリジン(DMAP)を0.8g加えて、室温で攪拌した。反応終了後、有機層を酢酸エチルで抽出し、有機層に無水硫酸マグネシウムを加えて脱水乾燥、濾過した後に、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒留去を行い、残渣をイソプロピルアルコールで洗浄し、乾燥することで15.9gの目的物DA−4−1(黄白色固体)を得た(収率47%)。
(合成例4−2)DA−4の合成
Figure 2014208609
500mL四口フラスコに、DA−4−1を7.6g、酢酸エチルを150mL、純水を150ml、還元鉄を8.4g、塩化アンモニウムを6.5g加え、60℃に加熱しながら攪拌した。反応終了後、還元鉄を濾過し、有機層を酢酸エチルで抽出した。有機層に無水硫酸マグネシウムを加えて脱水乾燥し、無水硫酸マグネシウムを濾過した。得られた濾液をロータリーエバポレーターを用いて溶媒留去した。残渣をイソプロパノールにて洗浄し、乾燥させ、13.4gの目的物DA−4(黄白色固体)を得た(収率95%)。得られた固体をH−NMRで測定した結果を以下に示す。この結果から、得られた固体が、目的のDA−4であることを確認した。
1H NMR (400 MHz,[D6]-DMSO):δ7.64-7.66 (d,2H), 7.58-7.62 (d,1H), 6.95-6.97 (d,2H), 6.60-6.62 (d,1H), 6.44-6.48 (d,1H), 6.02 (s,1H), 5.89 (s,1H), 5.78-5.81 (d,1H), 5.66 (s,1H), 4.65 (s,2H), 4.59 (s,2H), 4.08-4.17 (m,4H), 4.00-4.03 (t,2H), 2.65-2.69 (t,2H), 1.87 (s,3H), 1.62-1.74 (m,4H), 1.39-1.45 (m,4H)
ここで、更に下記式で表される光反応性ジアミンを合成した。
Figure 2014208609
(合成例5)DA−10の合成
(合成例5−1) DA−10の前駆体DA−10−1の合成
Figure 2014208609
室温にて2−メチルアクリル酸 6−[4、4’−(2−ヒドロキシカルボニルビニル)ビフェニル]−オクチルエステル(100g、229mmol)、3,5−ジニトロベンジルクロリド(55g、252mmol)、N,N−ジメチルホルムアミド(750g)を加え、炭酸カリウム(47g、344mmol)を投入した後、80℃に加熱撹拌し3時間反応した。室温(<30℃)まで放冷後、水(1500g)を加え晶析し30分間熟成した。
ろ過した後、ろ物を水(100g)で3回洗浄した。ろ物を30℃フルバキュームで乾燥した。テトラヒドロフラン(2500g)で溶解させ、シリカゲル(50g)でショートカラムを行った後、溶媒留去、乾燥することでDA−10−1(茶色固体)を142g得た(収率100%)。
(合成例5−2) DA−10の合成
Figure 2014208609
室温にて10%塩化アンモニウム水溶液(37g、698mmol)を加え、窒素置換した後、還元鉄(78g、1392mmol)を加え、さらに窒素置換を行った。DA−10−1(72g、116mmol)のテトラヒドロフラン(1435g)溶液を滴下した後、60℃に加熱し17.5時間撹拌した。
反応液を室温(<30度)まで放冷後、ろ過助剤(KCフロック)でろ過した。ろ液に酢酸エチル、水を加え分液した後、有機層を水で3回洗浄した。有機層に活性炭を加え撹拌し、KCフロックでろ過した。ろ液を水で3回洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥後溶媒を留去した。残渣に酢酸エチル(36g)、ヘキサン(288g)を加え、室温で撹拌し晶析した。ろ物をろ取し、40℃で乾燥しDA−10(黄色結晶)を107g得た(収率83%)。得られた化合物をH−NMRで測定した結果を以下に示す。
1H NMR (400 MHz,[D6]-DMSO): δ7.79-7.77 (d,2H), 7.72-7.65 (m,4H), 7.03-7.00 (d,2
H), 6.71-6.67 (d,1H), 6.02 (s,1H), 5.84-5.83 (d,2H), 5.79-5.78 (d,2H), 5.67-5.66 (d,1H), 4.94 (s,1H), 4.80 (s,4H), 4.10-4.07 (t,2H), 4.01-3.98 (t,2H), 1.87 (s,3H), 1.74-1.70 (quint,2H), 1.63-1.60 (quint,2H), 1.41-1.33 (m,8H)
(合成例6)DA−11の合成
(合成例6−1) DA−11の前駆体DA−11−1の合成
Figure 2014208609
室温にて2−メチルアクリル酸6−[4−(2−ヒドロキシカルボニルビニル)フェニル]−ヘキシルエステル(100g、301mmol)、3,5−ジニトロベンジルクロリド(58g、331mmol)、N,N−ジメチルホルムアミド(750g)を加え、炭酸カリウム(51g、452mmol)を投入した後、60℃に加熱撹拌し1時間反応した。
室温(<30℃)まで放冷後、水(1500g)を加え晶析し30分間熟成した。ろ過した後、ろ物を水(100g)で3回洗浄した。ろ物をアセトニトリル(200g)でスラリー洗浄し、乾燥することでDA−11−1(薄茶色結晶)を142g得た(収率92%)。
(合成例6−2) DA−11の合成
Figure 2014208609
室温にて10%塩化アンモニウム水溶液(77g、1659mmol)を加え、窒素置換した後、還元鉄(161g、3324mmol)を加え、さらに窒素置換を行った。DA−11−1(142g、277mmol)のテトラヒドロフラン(2126g)溶液を滴下した後、60℃に加熱し18時間撹拌した。
反応液を室温(<30℃)まで放冷後、KCフロックでろ過した。ろ液を濃縮しテトラヒドロフランを留去し、残渣に酢酸エチル、活性炭を加え撹拌しろ過した。ろ液を分液し、有機層を水で2回洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥した。ろ過したろ液を濃縮した後、シリカゲルカラム精製を行うことでDA−11(赤色オイル)を90g得た(収率72%)。得られた化合物をH−NMRで測定した結果を以下に示す。
1H NMR (400 MHz,[D6]-DMSO): δ7.68-7.65 (d,2H), 7.64-7.60 (d,1H), 6.70-6.94 (d,2H), 6.52-6.48 (d,1H), 6.02-6.01 (d,1H), 5.81 (s,2H), 5.77-5.76 (d,2H), 5.67-5.65 (t,1H), 4.90 (s,2H), 4.77 (s,4H), 4.11-4.08 (t,2H), 4.02-3.99 (t,2H), 1.87 (s,3H), 1.74-1.70 (quint,2H), 1.66-1.62 (quint,2H), 1.46-1.38 (m,4H)
(合成例7)DA−13の合成
(合成例7−1) DA−13の前駆体DA−13−1の合成
Figure 2014208609
3−クロロ−1−プロパノール(56g、591mmol)を脱水N,N−ジメチルホルムアミド(1000ml)に溶解した。2,4−ジニトロフルオロベンゼン(100g、537mmol)、トリエチルアミン(109g、1074mmol)を滴下した。70℃まで昇温後、19.5時間撹拌し反応した。
放冷後、N,N−ジメチルホルムアミド、トリエチルアミンを減圧留去した。酢酸エチル(500g)と水(200g)を加え分液し、有機層を水で3回洗浄した。有機層を溶媒留去し、DA−13−1(黄色オイル)を137g得た(収率98%)。
(合成例7−2) DA−13の前駆体DA−13−2の合成
Figure 2014208609
DA−13−1(73.9g、360mmol)、2−メチルアクリル酸6−[4−(2−ヒドロキシカルボニルビニル)フェニル]−ヘキシルエステル(85.9g、328mmol)、炭酸カリウム(107g、984mmol)、ヨウ化カリウム(3.2g、36mmol)をN,N−ジメチルホルムアミド(514g)に溶解した。100℃まで加熱し3.5時間反応した。
水(2600g)に反応液を滴下し、撹拌した。析出物をろ過し、黄色のろ物192gを得た。得られたろ物にアセトニトリル(170g)を加え、30分間撹拌後、ろ過し、淡黄色のろ物162gを得た。得られたろ物を60℃で酢酸エチル(200g)に溶解させ、ヘキサン(180g)を加え0℃まで冷却した。析出物をろ過、ヘキサンで洗浄後乾燥し、DA−13−2(淡黄色固体)を117g得た(収率81%)。
(合成例7−3) DA−13の合成
Figure 2014208609
室温にて10%塩化アンモニウム水溶液(666g、1242mmol)を加え、窒素置換した後、還元鉄(139g、2484mmol)を加え、さらに窒素置換を行った。DA−13−2(115g、207mmol)のテトラヒドロフラン(1155g)溶液を滴下した後、60℃に加熱し23時間撹拌した。
反応液を室温(<30℃)まで放冷後、KCフロックでろ過した。ろ液を濃縮しテトラヒドロフランを留去し、残渣に酢酸エチル、活性炭を加え撹拌しろ過した。ろ液を分液し、有機層を水で3回洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥した。ろ過したろ液を濃縮した後、シリカゲルカラム精製を行うことでDA−13(黄土色固体)を41g得た(収率40%)。得られた化合物をH−NMRで測定した結果を以下に示す。
1H NMR (400 MHz,[D6]-DMSO): δ7.67-7.64 (d,2H), 7.63-7.59 (d,1H), 6.96-6.94 (d,2H), 6.51-6.47 (m,2H), 6.01 (s,1H), 5.94 (d,1H), 5.76-5.73 (t,1H), 5.66 (s,1H), 4.47 (s,2H), 4.35-4.29 (m,4H), 4.11-4.08 (t,2H), 4.03-3.99 (t,2H), 3.89-3.86 (t,2H), 2.07-2.00 (quint,2H), 1.87 (s,2H), 1.76-1.61 (m,4H), 1.48-1.35 (m,4H)
≪実施例1〜4及び比較例1≫
(実施例1)
BODA(1.25g、 5.0mmol)、DA−1(3.38g、7.0mmol)、DA−6(1.14g、3.0mmol)をNMP(20.1g)中で溶解し、60℃で5時間反応させたのち、CBDA(0.92g、4.7mmol)とNMP(6.7g)を加え、40℃で10時間反応させポリアミック酸溶液を得た。このポリアミック酸溶液(30g)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(2.2g)、およびピリジン(6.9g)を加え、50℃で3時間反応させた。この反応溶液をメタノール(440ml)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、60℃で減圧乾燥しポリイミド粉末(A1)を得た。このポリイミドのイミド化率は50%であり、数平均分子量は15,000、重量平均分子量は46,000であった。
得られたポリイミド粉末(A)(3.0g)にNMP(22.0g)を加え、50℃にて3時間攪拌して溶解させた。この溶液に3AMP(1wt%NMP溶液)3.0g、NMP(7.0g)、BCS(15.0g)を加え、室温で5時間攪拌することにより液晶配向剤(A1)を得た。
また、上記の液晶配向剤(A1)10.0gに対して重合性化合物RM1を0.06g(固形分に対して10質量%)添加し、室温で3時間攪拌して溶解させ、液晶配向剤(A2)を調製した。
(実施例2)
BODA(1.25g、 5.0mmol)、DA−2(2.55g、5.0mmol)、DA−7(0.87g、2.0mmol)、DBA(0.46g、3.0mmol)をNMP(18.2g)中で溶解し、60℃で5時間反応させたのち、CBDA(0.92g、4.7mmol)とNMP(6.1g)を加え、40℃で10時間反応させポリアミック酸溶液を得た。このポリアミック酸溶液(29g)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(2.4g)、およびピリジン(7.6g)を加え、50℃で3時間反応させた。この反応溶液をメタノール(430ml)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、60℃で減圧乾燥しポリイミド粉末(B1)を得た。このポリイミドのイミド化率は51%であり、数平均分子量は14,000、重量平均分子量は39,000であった。
得られたポリイミド粉末(B)(3.0g)にNMP(22.0g)を加え、50℃にて3時間攪拌して溶解させた。この溶液に3AMP(1wt%NMP溶液)3.0g、NMP(7.0g)、BCS(15.0g)を加え、室温で5時間攪拌することにより液晶配向剤(B1)を得た。
また、上記の液晶配向剤(B1)10.0gに対して重合性化合物RM2を0.06g(固形分に対して10質量%)添加し、室温で3時間攪拌して溶解させ、液晶配向剤(B2)を調製した。
(実施例3)
TCA(1.12g、 5.0mmol)、DA−3(2.24g、5.0mmol)、DA−8(1.05g、2.0mmol)、3AMPDA(0.73g、3.0mmol)をNMP(12.2g)中で溶解し、80℃で5時間反応させたのち、CBDA(0.94g、4.8mmol)とNMP(6.1g)を加え、40℃で10時間反応させポリアミック酸溶液を得た。このポリアミック酸溶液(29g)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(2.4g)、およびピリジン(7.6g)を加え、50℃で3時間反応させた。この反応溶液をメタノール(430ml)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、60℃で減圧乾燥しポリイミド粉末(C1)を得た。このポリイミドのイミド化率は51%であり、数平均分子量は11,000、重量平均分子量は31,000であった。
得られたポリイミド粉末(C)(3.0g)にNMP(22.0g)を加え、50℃にて3時間攪拌して溶解させた。この溶液に3AMP(1wt%NMP溶液)3.0g、NMP(7.0g)、BCS(15.0g)を加え、室温で5時間攪拌することにより液晶配向剤(C1)を得た。
また、上記の液晶配向剤(C1)10.0gに対して重合性化合物RM2を0.06g(固形分に対して10質量%)添加し、室温で3時間攪拌して溶解させ、液晶配向剤(C2)を調製した。
(実施例4)
CBDA(1.92g、10.0mmol)、DA−4(3.73g、8.0mmol)、DA−9(0.80g、2.0mmol)を室温、NMP(36.58g)中で10時間反応させたのち、NMP(32.3g)、BCS(32.3g)を加え、室温で5時間攪拌することにより液晶配向剤(D1)を得た。このポリアミック酸の数平均分子量は9,000、重量平均分子量は32,000であった
また、上記の液晶配向剤(D1)10.0gに対して重合性化合物RM1を0.06g(固形分に対して10質量%)添加し、室温で3時間攪拌して溶解させ、液晶配向剤(D2)を調製した。
(比較例1)
BODA(1.25g、 5.0mmol)、DA−5(1.06g、4.0mmol)、DA−9(1.20g、3.0mmol)、DBA(0.46g、3.0mmol)をNMP(14.7g)中で溶解し、60℃で5時間反応させたのち、CBDA(0.94g、4.8mmol)とNMP(4.9g)を加え、40℃で10時間反応させポリアミック酸溶液を得た。このポリアミック酸溶液(23g)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(2.4g)、およびピリジン(7.4g)を加え、50℃で3時間反応させた。この反応溶液をメタノール(350ml)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、60℃で減圧乾燥しポリイミド粉末(E)を得た。このポリイミドのイミド化率は50%であり、数平均分子量は17000、重量平均分子量は48000であった。
得られたポリイミド粉末(E)(3.0g)にNMP(22.0g)を加え、50℃にて3時間攪拌して溶解させた。この溶液に3AMP(1wt%NMP溶液)3.0g、NMP(7.0g)、BCS(15.0g)を加え、室温で5時間攪拌することにより液晶配向剤(E1)を得た。
また、上記の液晶配向剤(E1)10.0gに対して重合性化合物RM1を0.06g(固形分に対して10質量%)添加し、室温で3時間攪拌して溶解させ、液晶配向剤(E2)を調製した。
≪実施例5〜8及び比較例2〜6≫
<液晶セルの作製>
(実施例5)
実施例1で得られた液晶配向剤(A2)を用いて下記に示すような手順で液晶セルの作製を行った。実施例1で得られた液晶配向剤(A2)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、200℃の熱風循環式オーブンで30分間焼成を行い、膜厚100nmの液晶配向膜を形成した。
また、液晶配向剤(A2)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秒乾燥させた後、200℃の熱風循環式オーブンで30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4μmのビーズスペーサーを散布した後、その上からシール剤(溶剤型熱硬化タイプのエポキシ樹脂)を印刷した。次いで、もう一方の基板の液晶配向膜が形成された側の面を内側にして、先の基板と貼り合せた後、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、液晶セルを作製した。
得られた液晶セルの応答速度を、下記方法により測定した。その後、この液晶セルに40Vp−pの電圧を印加した状態で、この液晶セルの外側から365nmのバンドパスフィルターを通したUVを10J/cm照射した。その後、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。また、UV照射後のセルについて画素部分のプレチルト角を測定した。結果を表1に示す。
「応答速度の測定方法」
まず、バックライト、クロスニコルの状態にした一組の偏光版、光量検出器の順で構成される測定装置において、一組の偏光版の間に液晶セルを配置した。このときライン/スペースが形成されているITO電極のパターンがクロスニコルに対して45°の角度になるようにした。そして、上記の液晶セルに電圧±6V、周波数1kHzの矩形波を印加し、光量検出器によって観測される輝度が飽和するまでの変化をオシロスコープにて取り込み、電圧を印加していない時の輝度を0%、±4Vの電圧を印加し、飽和した輝度の値を100%として、輝度が10%から90%まで変化するのにかかる時間を応答速度とした。
「プレチルト角の測定」
名菱テクニカ製LCDアナライザーLCA-LUV42Aを使用した。
(実施例6)
液晶配向剤(A2)のかわりに液晶配向剤(B2)を用いた以外は実施例5と同様の操作を行って、UV照射前後での応答速度を比較した。またプレチルト角の測定を行なった。
(実施例7)
液晶配向剤(A2)のかわりに液晶配向剤(C2)を用いた以外は実施例5と同様の操作を行って、UV照射前後での応答速度を比較した。またプレチルト角の測定を行なった。
(実施例8)
液晶配向剤(A2)のかわりに液晶配向剤(D2)を用いた以外は実施例5と同様の操作を行って、UV照射前後での応答速度を比較した。またプレチルト角の測定を行なった。
(比較例2)
液晶配向剤(A2)のかわりに液晶配向剤(A1)を用いた以外は実施例5と同様の操作を行って、UV照射前後での応答速度を比較した。またプレチルト角の測定を行なった。
(比較例3)
液晶配向剤(A2)のかわりに液晶配向剤(B1)を用いた以外は実施例5と同様の操作を行って、UV照射前後での応答速度を比較した。またプレチルト角の測定を行なった。
(比較例4)
液晶配向剤(A2)のかわりに液晶配向剤(C1)を用いた以外は実施例5と同様の操作を行って、UV照射前後での応答速度を比較した。またプレチルト角の測定を行なった。
(比較例5)
液晶配向剤(A2)のかわりに液晶配向剤(D1)を用いた以外は実施例5と同様の操作を行って、UV照射前後での応答速度を比較した。またプレチルト角の測定を行なった。
(比較例6)
液晶配向剤(A2)のかわりに液晶配向剤(E2)を用いた以外は実施例5と同様の操作を行って、UV照射前後での応答速度を比較した。またプレチルト角の測定を行なった。
≪実施例9〜11≫
(実施例9)
BODA(3.50g、14.0mmol)、DA−10(5.85g、10.5mmol)、DA−6(5.33g、14.0mmol)、3AMPDA(2.54g、10.5mmol)をNMP(63.8g)中で溶解し、60℃で3時間反応させたのち、CBDA(4.05g、20.7mmol)とNMP(21.3g)を加え、40℃で10時間反応させポリアミック酸溶液を得た。このポリアミック酸溶液(95g)にNMPを加え6。5質量%に希釈した後、イミド化触媒として無水酢酸(8.0g)、およびピリジン(24.7g)を加え、50℃で3時間反応させた。この反応溶液をメタノール(1,300ml)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、60℃で減圧乾燥しポリイミド粉末(F)を得た。このポリイミドのイミド化率は60%であり、数平均分子量は13,000、重量平均分子量は45,000であった。
得られたポリイミド粉末(F)(6.0g)にNMP(44.0g)を加え、50℃にて3時間攪拌して溶解させた。この溶液に3AMP(1wt%NMP溶液)6.0g、NMP(4.0g)、BCS(40.0g)を加え、室温で5時間攪拌することにより液晶配向剤(F1)を得た。
また、上記の液晶配向剤(F1)10.0gに対して重合性化合物RM1を0.06g(固形分に対して10質量%)添加し、室温で3時間攪拌して溶解させ、液晶配向剤(F2)を調製した。
(実施例10)
BODA(3.50g、14.0mmol)、DA−11(4.75g、10.5mmol)、DA−6(5.33g、14.0mmol)、3AMPDA(2.54g、10.5mmol)をNMP(60.5g)中で溶解し、60℃で3時間反応させたのち、CBDA(4.05g、20.7mmol)とNMP(20.2g)を加え、40℃で10時間反応させポリアミック酸溶液を得た。このポリアミック酸溶液(95g)にNMPを加え6。5質量%に希釈した後、イミド化触媒として無水酢酸(8.0g)、およびピリジン(24.7g)を加え、50℃で3時間反応させた。この反応溶液をメタノール(1,300ml)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、60℃で減圧乾燥しポリイミド粉末(G)を得た。このポリイミドのイミド化率は60%であり、数平均分子量は12,000、重量平均分子量は39,000であった。
得られたポリイミド粉末(G)(6.0g)にNMP(44.0g)を加え、50℃にて3時間攪拌して溶解させた。この溶液に3AMP(1wt%NMP溶液)6.0g、NMP(4.0g)、BCS(40.0g)を加え、室温で5時間攪拌することにより液晶配向剤(G1)を得た。
また、上記の液晶配向剤(G1)10.0gに対して重合性化合物RM1を0.06g(固形分に対して10質量%)添加し、室温で3時間攪拌して溶解させ、液晶配向剤(G2)を調製した。
(実施例11)
BODA(3.50g、14.0mmol)、DA−13(5.21g、10.5mmol)、DA−6(5.33g、14.0mmol)、3AMPDA(2.54g、10.5mmol)をNMP(61.9g)中で溶解し、60℃で3時間反応させたのち、CBDA(4.05g、20.7mmol)とNMP(20.6g)を加え、40℃で10時間反応させポリアミック酸溶液を得た。このポリアミック酸溶液(95g)にNMPを加え6。5質量%に希釈した後、イミド化触媒として無水酢酸(8.0g)、およびピリジン(24.7g)を加え、50℃で3時間反応させた。この反応溶液をメタノール(1,300ml)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、60℃で減圧乾燥しポリイミド粉末(H)を得た。このポリイミドのイミド化率は60%であり、数平均分子量は10,000、重量平均分子量は27,000であった。
得られたポリイミド粉末(H)(6.0g)にNMP(44.0g)を加え、50℃にて3時間攪拌して溶解させた。この溶液に3AMP(1wt%NMP溶液)6.0g、NMP(4.0g)、BCS(40.0g)を加え、室温で5時間攪拌することにより液晶配向剤(H1)を得た。
また、上記の液晶配向剤(H1)10.0gに対して重合性化合物RM1を0.06g(固形分に対して10質量%)添加し、室温で3時間攪拌して溶解させ、液晶配向剤(H2)を調製した。
≪実施例12〜14≫
<液晶セルの作製>
(実施例12)
液晶配向剤(A2)のかわりに液晶配向剤(F2)を用いた以外は実施例5と同様の操作を行って、UV照射前後での応答速度を比較した。またプレチルト角の測定を行なった。
(実施例13)
液晶配向剤(A2)のかわりに液晶配向剤(G2)を用いた以外は実施例5と同様の操作を行って、UV照射前後での応答速度を比較した。またプレチルト角の測定を行なった。
(実施例14)
液晶配向剤(A2)のかわりに液晶配向剤(H2)を用いた以外は実施例5と同様の操作を行って、UV照射前後での応答速度を比較した。またプレチルト角の測定を行なった。
Figure 2014208609
表1に示すように、感光性の側鎖部位にメタクリル基、シンナモイル基の両方を有するポリマーと重合性化合物を併用することで365nmのような長波長の紫外光でも充分な応答速度、チルト角を発現することが確認された。これは側鎖部位が感光性基を2つ有することで、高分子中に固定化されている感光性側鎖部位の光反応性が向上し、系内にフリーに存在している重合性化合物との反応性が劇的に向上したためであると思われる。
一方、比較例2〜5の重合性化合物が導入されていない場合は、応答速度の向上効果はあるものの365nmなどの弱いエネルギーの紫外線照射では重合反応や架橋反応の光反応が充分に進まないためか充分な応答速度、チルト角を得ることができていない。
また、比較例6に示すように感光性の側鎖部位にメタクリル基のみを有する高分子と重合性化合物とを併用した場合でも、365nmの紫外線照射では充分な応答速度の向上、チルト発現能は得られなかった。
このことから、本実施例のように感光性の側鎖部位にメタクリル基などの光重合性基とシンナモイル基などの光架橋性基の両方を有するポリマーと、重合性化合物を併用することで365nmなどの長波長の紫外線照射でも充分な応答速度、チルト角を得ることが可能となる。

Claims (10)

  1. 下記式[1]で表されるジアミン化合物及び液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物を含むジアミン成分と、テトラカルボン酸二無水物成分との反応で得られるポリイミド前駆体及びこれをイミド化して得られるポリイミドから選択される少なくとも1種の重合体、および重合性化合物を含有することを特徴とする液晶配向剤。
    Figure 2014208609
    (式中、Rは−CH−、−O−、−CONH−、−NHCO−、−COO−、−OCO−、−NH−、−CO−より選ばれる基を表す。Rは、炭素数1から炭素数30で形成されるアルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環であり、このアルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環の1つまたは複数の水素原子は、フッ素原子もしくは有機基で置き換えられていてもよい。また、Rは、次に挙げるいずれかの基が互いに隣り合わない場合において、−CH−がこれらの基に置き換えられていてもよい;−O−、−NHCO−、−CONH−、−COO−、−OCO−、−NH−、−NHCONH−、−CO−。Rは、−CH−、−O−、−CONH−、−NHCO−、−COO−、−OCO−、−NH−、−CO−、単結合のいずれかを表す。Rはシンナモイル基を表す。Rは単結合、または、炭素数1から炭素数30で形成されるアルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環であり、このアルキレン基、二価の炭素環もしくは複素環の1つまたは複数の水素原子は、フッ素原子もしくは有機基で置き換えられていてもよい。また、Rは、次に挙げるいずれかの基が互いに隣り合わない場合において、−CH−がこれらの基に置き換えられていてもよい;−O−、−NHCO−、−CONH−、−COO−、−OCO−、−NH−、−NHCONH−、−CO−。Rはアクリル基、メタクリル基のいずれかから選ばれる光重合性基を表す。)
  2. 式[1]で表されるジアミン化合物が、ジアミン成分中の10モル%〜90モル%であることを特徴とする請求項1に記載の液晶配向剤。
  3. 液晶を垂直に配向させる側鎖を有するジアミン化合物が、ジアミン成分中の10モル%〜70モル%であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の液晶配向剤。
  4. 重合性化合物が、以下の式で表される重合性化合物であることを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の液晶配向剤
    Figure 2014208609
    Figure 2014208609
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の液晶配向剤から得られることを特徴とする液晶配向膜。
  6. 請求項5に記載の液晶配向膜を具備することを特徴とする液晶表示素子。
  7. 下記式[DA−4]で表されることを特徴とするジアミン化合物。
    Figure 2014208609
  8. 下記式[DA−10]で表されることを特徴とするジアミン化合物。
    Figure 2014208609
  9. 下記式[DA−11]で表されることを特徴とするジアミン化合物。
    Figure 2014208609
  10. 下記式[DA−13]で表されることを特徴とするジアミン化合物。
    Figure 2014208609
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