JPWO2017094898A1 - 液晶配向剤、液晶配向膜及びそれを用いた液晶表示素子 - Google Patents

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Abstract

良好な液晶配向性、電圧保持率、エージング耐性等を有する液晶配向膜が得られる液晶配向剤を提供する。
下記の成分(A)及び成分(B)を含有することを特徴とする液晶配向剤。
成分(A):下記式(1)で表される構造単位と下記式(2)で表される構造単位とを有する共重合体。
[化1]
Figure 2017094898

(X、X2は、独立して4価の有機基であり、Y、Yは、独立して、2価の有機基であり、Rは、炭素数1〜5のアルキル基であり、A及びAは、それぞれ独立して、水素原子、又は置換基を有してもよい、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数2〜10のアルケニル基若しくは炭素数2〜10のアルキニル基である。)
成分(B):架橋性官能基を2つ以上有する化合物。

Description

本発明は、ポリアミック酸エステル−ポリアミック酸共重合体を含有する液晶配向剤、液晶配向膜及びそれを用いた液晶表示素子に関する。
液晶テレビ、液晶ディスプレイなどに用いられる液晶表示素子は、通常、液晶の配列状態を制御するための液晶配向膜が素子内に設けられている。液晶配向膜は、液晶表示素子や重合性液晶を用いた位相差板等において、液晶分子の配向を一定方向に制御するための膜である。例えば、液晶表示素子は、液晶層をなす液晶分子が、一対の基板のそれぞれの表面に形成された液晶配向膜で挟まれた構造を有する。そして、液晶表示素子では、液晶分子が、液晶配向膜によってプレチルト角を伴って一定方向に配向し、基板と液晶配向膜との間に設けられた電極への電圧印加により応答をする。その結果、液晶表示素子は、液晶分子の応答による配向変化を利用して所望とする画像の表示を行う。
液晶配向膜としては、これまで、ポリアミック酸(ポリアミド酸)などのポリイミド前駆体や可溶性ポリイミドの溶液を主成分とする液晶配向剤をガラス基板等に塗布し焼成したポリイミド系の液晶配向膜が主として用いられている。
液晶表示素子の高機能化に伴い、液晶配向膜においては、優れた液晶配向性や安定したプレチルト角の発現に加えて、高い電圧保持率、直流電圧を印加した際の少ない残留電荷、及び/又は直流電圧による蓄積した残留電荷の早い緩和といった特性が重要であるが、近年では液晶表示素子の省電力化に向け、高い電圧保持率の材料がとりわけ求められている。
ポリイミド系の液晶配向膜においては、上記のような要求にこたえるために、種々の提案がなされてきている。例えば、ポリアミド酸やイミド基含有ポリアミド酸に加えて、特定構造の3級アミンを含有する液晶配向剤を使用したもの(特許文献1参照)、イソシアネート構造を有する添加剤を使用したもの(特許文献2参照)などが提案されている。
一方、液晶配向剤を構成するポリマー成分として、ポリアミック酸エステルを用いた液晶配向剤は、これをイミド化するときの加熱処理により、分子量低下を起こさないために、ポリアミック酸を用いた液晶配向剤と比較して、液晶の配向安定性・電圧保持特性に優れることが報告されている(特許文献3参照)。
日本国特開平9−316200号公報 WO2014/178406号公報 日本国特開2003−26918号公報
しかし、ポリアミド酸に各種の架橋剤を加えた液晶配向剤を用いると、電圧保持特性に優れる液晶表示素子は得られるものの、液晶配向性を損ねることがある。
また、ポリアミック酸エステルを用いた液晶配向剤は、上述の通り、ポリアミック酸を用いた液晶配向剤と比較して電圧保持特性に優れる液晶表示素子が得られるため、これに架橋剤を加えると更なる電圧保持特性の向上が見込まれたが、予想に反してその効果は得られなかった。
本発明は、良好な液晶配向性、電圧保持率(Voltage Holding Ratio:以下、VHRともいう)、及びエージング耐性を兼ね備えた液晶配向膜が得られる液晶配向剤を提供することを目的とする。
本発明者は、鋭意研究を進めたところ、ポリアミック酸エステルとポリアミック酸との共重合体(以下、PAE-PAA共重合体とも言う)と、特定構造の架橋剤とを併用することにより、上記課題を解決出来ることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち本発明は、上記の知見に基づくものであり、下記を要旨とするものである。
1.下記の成分(A)及び成分(B)を含有することを特徴とする液晶配向剤。
成分(A):下記式(1)で表される構造単位と下記式(2)で表される構造単位とを有する共重合体。
Figure 2017094898
上記式(1)、式(2)中、X及びX2は、それぞれ独立して4価の有機基であり、Y及びYは、それぞれ独立して、2価の有機基であり、Rは、炭素数1〜5のアルキル基であり、A及びAは、それぞれ独立して、水素原子、又は置換基を有してもよい、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数2〜10のアルケニル基若しくは炭素数2〜10のアルキニル基である。
成分(B):架橋性官能基を2つ以上有する化合物。
本発明の液晶配向剤によれば、良好な液晶配向性、電圧保持率、及びエージング耐性などの特性を兼ね備えた液晶配向膜を形成することができる。これは、本発明の液晶配向剤から形成される液晶配向膜においては、その表面における微細な凹凸が低減できることが要因と思われる。
<成分(A): PAE-PAA共重合体>
本発明に用いられるPAE-PAA共重合体は、ポリイミドを得るためのポリイミド前駆体であり、加熱することによって下記に示すイミド化反応が可能な部位を有するポリマーである。
Figure 2017094898
(Rは、水素原子又は炭素数1〜5のアルキル基である。)
本発明の液晶配向剤に含有されるPAE-PAA共重合体は、下記式(1)で表される構造単位と、下記式(2)で表される構造単位とを有する。
Figure 2017094898
Figure 2017094898
上記式(1)において、R1は、炭素数1〜5のアルキル基であり、ガラス基板に対する塗れ易さの観点から、メチル基又はエチル基であることが好ましい。
上記式(1)及び(2)において、A及びAは、それぞれ独立して、水素原子、又は置換基を有してもよい、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数2〜10のアルケニル基、若しくは炭素数2〜10のアルキニル基である。上記アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、t−ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ビシクロヘキシル基などが挙げられる。アルケニル基としては、アルキル基に存在する1つ以上のCH−CH構造を、C=C構造に置き換えたものが挙げられ、具体的には、ビニル基、アリル基、1−プロペニル基、イソプロペニル基、2−ブテニル基、1,3−ブタジエニル基、2−ペンテニル基、2−ヘキセニル基、シクロプロペニル基、シクロペンテニル基、シクロヘキセニル基などが挙げられる。アルキニル基としては、アルキル基に存在する1つ以上のCH−CH構造をC≡C構造に置き換えたものが挙げられ、具体的には、エチニル基、1−プロピニル基、2−プロピニル基等が挙げられる。
上記のアルキル基、アルケニル基、及びアルキニル基は置換基を有していてもよく、さらには置換基によって環構造を形成してもよい。尚、置換基によって環構造を形成するとは、置換基同士又は置換基と母骨格の一部とが結合して環構造となることを意味する。
この置換基の例としては、ハロゲン基、水酸基、チオール基、ニトロ基、アリール基、オルガノオキシ基、オルガノチオ基、オルガノシリル基、アシル基、エステル基、チオエステル基、リン酸エステル基、アミド基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基等を挙げることができる。
置換基であるハロゲン基としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。
置換基であるアリール基としては、フェニル基が挙げられる。このアリール基には前述した他の置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるオルガノオキシ基としては、O−Rで表される構造を示すことができる。このRは同一でも異なってもよく、前述したアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基などを例示することができる。これらのRには前述した置換基がさらに置換していてもよい。オルガノオキシ基の具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、プロピルオキシ基、ブトキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基、ヘプチルオキシ基、オクチルオキシ基等が挙げられる。
置換基であるオルガノチオ基としては、−S−Rで表される構造を示すことができる。このRとしては、前述したアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基等を例示することができる。これらのRには前述した置換基がさらに置換していてもよい。オルガノチオ基の具体例としては、メチルチオ基、エチルチオ基、プロピルチオ基、ブチルチオ基、ペンチルチオ基、ヘキシルチオ基、ヘプチルチオ基、オクチルチオ基等が挙げられる。
置換基であるオルガノシリル基としては、−Si−(R)で表される構造を示すことができる。このRは同一でも異なってもよく、前述したアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基等を例示することができる。これらのRには前述した置換基がさらに置換していてもよい。オルガノシリル基の具体例としては、トリメチルシリル基、トリエチルシリル基、トリプロピルシリル基、トリブチルシリル基、トリペンチルシリル基、トリヘキシルシリル基、ペンチルジメチルシリル基、ヘキシルジメチルシリル基等が挙げられる。
置換基であるアシル基としては、−C(O)−Rで表される構造を示すことができる。このRとしては、前述したアルキル基、アルケニル基、アリール基等を例示することができる。これらのRには前述した置換基がさらに置換していてもよい。アシル基の具体例としては、ホルミル基、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、イソブチリル基、バレリル基、イソバレリル基、ベンゾイル基等が挙げられる。
置換基であるエステル基としては、−C(O)O−R、又はOC(O)−Rで表される構造を示すことができる。このRとしては、前述したアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基等を例示することができる。これらのRには前述した置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるチオエステル基としては、−C(S)O−R、又はOC(S)−Rで表される構造を示すことができる。このRとしては、前述したアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基などを例示することができる。これらのRには前述した置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるリン酸エステル基としては、−OP(O)−(OR)で表される構造を示すことができる。このRは同一でも異なってもよく、前述したアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基等を例示することができる。これらのRには前述した置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるアミド基としては、−C(O)NH、−C(O)NHR、−NHC(O)R、−C(O)N(R)、又は−NRC(O)Rで表される構造を示すことができる。このRは同一でも異なってもよく、前述したアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基などを例示することができる。これらのRには前述した置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるアリール基としては、前述したアリール基と同じものを挙げることができる。このアリール基には前述した他の置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるアルキル基としては、前述したアルキル基と同じものを挙げることができる。このアルキル基には前述した他の置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるアルケニル基としては、前述したアルケニル基と同じものを挙げることができる。このアルケニル基には前述した他の置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるアルキニル基としては、前述したアルキニル基と同じものを挙げることができる。このアルキニル基には前述した他の置換基がさらに置換していてもよい。
上記A及びAとしては、一般に、嵩高い構造を導入すると、アミノ基の反応性や液晶配向性を低下させる可能性があるため、水素原子、又は置換基を有してもよい炭素数1〜5のアルキル基がより好ましく、水素原子、メチル基又はエチル基が特に好ましい。
上記式(1)及び式(2)において、X及びXは、4価の有機基であれば、その構造は特に限定されるものではなく、2種類以上が混在していてもよい。X及びXの具体例を示すならば、以下に示すX−1〜X−47が挙げられる。なかでも、モノマーの入手性及び光照射感度ならびにラビング耐性強度等の観点から、X1、ともに、X−1、X−2、X−3、X−4、X−5、X−6、X−8、X−16、X−19、X−21、X−25、X−26、X−27、X−28、X−32又はX−47が好ましい。
Figure 2017094898
Figure 2017094898
Figure 2017094898
Figure 2017094898
また、式(1)及び式(2)において、Y及びYは、2価の有機基であり、特に限定されるものではない。Y及びYは、同一でも、又は異なっていてもよい。
及びYの具体例を示すと、下記のY−1〜Y−99が挙げられる。なかでも、モノマーの入手容易性の点から、Y−7、Y−8、Y−20、Y−21、Y−22、Y−28、Y−29、Y−30、Y−31、Y−41、Y−43、Y−64、Y−65、Y−66、Y−68、Y−71、Y−72、Y−98又はY−99が好ましく、Y−22、Y−28、Y−30、Y−31、Y−72、Y−98、Y−99、Y−100、Y−101、Y−102、Y−103又はY−104がより好ましい。
Figure 2017094898
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Figure 2017094898
Figure 2017094898
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上記PAE-PAA共重合体において、式(1)で表される構造単位の(含有)割合は、全構造単位に対して、50〜95モル%が好ましく、70〜90モル%がより好ましい。また、上記PAE-PAA共重合体において、式(2)で表される構造単位の(含有)割合は、全構造単位に対して、5〜50モル%が好ましく、10〜30モル%がより好ましい。
<PAE-PAA共重合体の製造方法>
本発明のPAE-PAA共重合体は、以下の方法により製造される。
上記式(1)で表される構造単位においてXを形成するテトラカルボン酸ジエステルと、上記(1)及び式(2)においてY及びYを形成するジアミンとを、縮合剤、塩基、及び有機溶媒の存在下で−20℃〜150℃、好ましくは0℃〜50℃において、30分〜24時間、好ましくは1〜12時間重縮合反応させた後、塩基を中和する目的でリン酸ジフェニルを添加し、上記式(2)で表される構造単位においてX2を形成するテトラカルボン酸若しくはその二無水物を添加し、0℃〜50℃の温度下で、30分〜24時間、好ましくは1〜12時間さらに反応させることによって製造される。
上記の反応に用いる有機溶媒は、モノマー及び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。ポリマーの濃度は、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。
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。
上記のようにして得られたPAE-PAA共重合体は、反応溶液を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て回収することができる。また、析出を数回行い、貧溶媒で洗浄後、常温あるいは加熱乾燥することで精製されたPAE-PAA共重合体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。
PAE-PAA共重合体の重量平均分子量は、好ましくは10,000〜305,000であり、より好ましくは、10,000〜210,000である。また、数平均分子量は、好ましくは、5,000〜152,500であり、より好ましくは、10,000〜105,000である。
<成分(B):架橋性官能基を2つ以上含有する化合物>
本発明の液晶配向剤に含有される成分(B)は、架橋性官能基を2つ以上含有する化合物である。
架橋性官能基としては、ヒドロキシル基、ヒドロキシアルキルアミド基、(メタ)アクリレート基、ブロックイソシアネート基、オキセタン基、及びエポキシ基から群から選ばれる少なくとも1種が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
なかでも、入手性及び電圧保持率改善効果の観点から、ヒドロキシル基、ブロックイソシアネート基、又はエポキシ基が好ましく、ヒドロキシル基、又はエポキシ基がより好ましい。
なお、成分(B)の化合物は、その構造中に同じ架橋性官能基を2つ以上有していても良いし、異なる2種以上の架橋性官能基を2つ以上有していても良い。
ヒドロキシル基を2つ以上含有する化合物としては、例えば、下記式(3)で示される化合物が挙げられる。
Figure 2017094898
上記式(3)中、Xは、炭素数1〜20の脂肪族炭化水素基、又は芳香族炭化水素基を含むn価の有機基である。なかでも、炭素数1〜20、好ましくは炭素数1〜10、より好ましくは炭素数1〜5の脂肪族炭化水素基が好ましい。R及びRは、それぞれ独立に、水素原子、又は置換基を有してもよい炭素数1〜4のアルキル基、炭素数2〜4のアルケニル基、又は炭素数2〜4のアルキニル基であり、R及びRのうち少なくとも1つは下記式(4)で表されるものであるが、R及びRのいずれもが下記式(4)で表されるものが好ましい。nは2〜6の整数、特に2が好ましい。
Figure 2017094898
上記式(4)中、R〜Rは、それぞれ独立に、水素原子、炭化水素基、又は、ヒドロキシ基で置換された炭化水素基であり、水素原子が好ましい。
は、脂肪族炭化水素基であることが、上記と同じく液晶配向性及び溶解性の観点から好ましく、炭素数1〜10ことがより好ましい。nは2〜6の整数を表すが、溶解性の観点からnは2〜4が好ましい。
ヒドロキシル基を2つ以上含有する化合物としては、具体的には以下の化合物が例示される。
Figure 2017094898
ブロックイソシアネート基を2つ以上含有する化合物としては、下記式(5)で表される化合物が例示される。
Figure 2017094898
式(5)中、Zは、それぞれ独立して、炭素数1〜3のアルキル基、水酸基又は下記式(6)で表される有機基であり、Zの少なくとも1つは、下記式(6)で表される有機基である。
Figure 2017094898
ブロックイソシアネート基を2つ以上含有する化合物としては、具体的には、以下の化合物が例示される。
Figure 2017094898
上記式(7)以外のブロックイソシアネート基を2つ以上含有する化合物としては、以下の化合物が例示される。
Figure 2017094898
エポキシ基を2つ以上含有する化合物としては、具体的には、以下の化合物が例示される。
Figure 2017094898
Figure 2017094898
(メタ)アクリレート基を2つ以上含有する化合物としては、具体的には、以下の化合物が例示される。
Figure 2017094898
架橋性官能性を2つ以上有する化合物としては、その他、以下の化合物も例示される。
Figure 2017094898
成分(B)の化合物は、本発明の液晶配向剤中の(A)成分に対して1〜30重量%含有されることが好ましく、より好ましくは3〜15重量%である。
<液晶配向剤>
本発明の液晶配向剤は、上記のPAE-PAA共重合体、及び架橋性官能基を2つ以上含有する化合物が有機溶媒中に溶解した溶液の形態である。各成分を有機溶媒中で合成した場合には、得られる反応溶液そのものであってもよく、また、この反応溶液を適宜の溶媒で希釈したものであってもよい。また、各成分を粉末として得た場合は、これを有機溶媒に溶解させて溶液としたものであってもよい。
本発明の液晶配向剤における、PAE-PAA共重合体を含むポリマー成分の含有量(濃度)は、形成させようとするポリイミド膜の厚みの設定によっても適宜変更できるが、均一で欠陥のない塗膜を形成させるという点から、有機溶媒に対して、ポリマー成分の含有量は、0.5質量%以上が好ましく、溶液の保存安定性の点からは15質量%以下が好ましく、より好ましくは、1〜10質量%である。
この場合、予め、ポリマーの濃厚溶液を作製し、かかる濃厚溶液から液晶配向剤とする場合に希釈してもよい。かかるポリマー成分の濃厚溶液の濃度は10〜30質量%が好ましく、10〜15質量%がより好ましい。また、ポリマー成分の粉末を有機溶媒に溶解して溶液を作製する際に加熱してもよい。加熱温度は、20〜150℃が好ましく、20〜80℃が特に好ましい。
本発明の液晶配向剤に含有される上記有機溶媒は、ポリマー成分が均一に溶解するものであれば特に限定されない。その具体例を挙げるならば、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、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、N−メチルカプロラクタム、2−ピロリドン、N−ビニル−2−ピロリドン、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、γ−ブチロラクトン、1,3−ジメチル−イミダゾリジノン、3−メトキシ−N,N−ジメチルプロパンアミド等を挙げることができる。これらは1種又は2種以上を混合して用いてもよい。また、単独ではポリマー成分を均一に溶解できない溶媒であっても、ポリマーが析出しない範囲であれば、上記の有機溶媒に混合してもよい。
本発明の液晶配向剤は、ポリマー成分を溶解させるための有機溶媒の他に、液晶配向剤を基板へ塗布する際の塗膜均一性を向上させるための溶媒を含有してもよい。かかる溶媒は、一般的に上記有機溶媒よりも低表面張力の溶媒が用いられる。その具体例を挙げるならば、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、ブチルセロソルブアセテート、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、エチレングリコール、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等が挙げられる。これらの溶媒は2種類上を併用してもよい。
本発明の液晶配向剤は、上記の他、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、シランカップリング剤や架橋剤などの各種添加剤を含有してもよい。
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等が挙げられる。
より具体的には、例えば、エフトップ(トーケムプロダクツ社商品名、EF301、EF303、EF352)、メガファック(大日本インキ社商品名、F171、F173、R−30、フロラード(住友スリーエム社商品名、FC430、FC431、アサヒガード(旭硝子社商品名、AG710、サーフロン(旭硝子社商品名、S−382、SC101、SC102、SC103、SC104、SC105、SC106等が挙げられる。
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0.01〜2質量部、より好ましくは0.01〜1質量部である。
シランカップリング剤は、液晶配向剤が塗布される基板と、そこに形成される液晶配向膜との密着性を向上させる目的で添加されるものである。例えば、以下の各種のシランカップリング剤が具体例として挙げられるが、これらに限定されるものではない。
3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−フェニルアミノプロピルトリメトキシシラン、3−トリエトキシシリル−N−(1,3−ジメチル−ブチリデン)プロピルアミン、3−アミノプロピルジエトキシメチルシランなどのアミン系;ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリス(2−メトキシエトキシ)シラン、ビニルメチルジメトキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、ビニルトリイソプロポキシシラン、アリルトリメトキシシラン、p−スチリルトリメトキシシランなどのビニル系;3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシランなどのエポキシ系;3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシランなどのメタクリル系;3−アクリロキシプロピルトリメトキシシランなどのアクリル系;3−ウレイドプロピルトリエトキシシランなどのウレイド系;ビス(3−(トリエトキシシリル)プロピル)ジスルフィド、ビス(3−(トリエトキシシリル)プロピル)テトラスルフィドなどのスルフィド系;3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−オクタノイルチオ−1−プロピルトリエトキシシランなどのメルカプト系;3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、3−イソシアネートプロピルトリメトキシシランなどのイソシアネート系;トリエトキシシリルブチルアルデヒドなどのアルデヒド系;トリエトキシシリルプロピルメチルカルバメート、(3−トリエトキシシリルプロピル)−t−ブチルカルバメートなどのカルバメート系。
シランカップリング剤の添加量は、多すぎると未反応のものが液晶配向性に悪影響を及ぼすことがあり、少なすぎると密着性への効果が現れないため、ポリマーの固形分に対して0.01〜5.0重量%が好ましく、0.1〜1.0重量%がより好ましい。
本発明の液晶配向膜には、塗膜を焼成する際にPAE-PAA共重合体又はポリアミック酸エステルのイミド化を効率よく進行させるために、イミド化促進剤を添加してもよい。
<液晶配向膜>
本発明の液晶配向膜は、本発明の液晶配向剤を基板に塗布し、必要に応じて乾燥した後、焼成して得られる膜である。本発明の液晶配向剤を塗布する基板としては透明性の高い基板であれば特に限定されず、例えば、ガラス基板の他、アクリル基板やポリカーボネート基板等のプラスチック基板を用いることができる。液晶表示素子の製造において本発明の液晶配向剤を用いる場合、液晶駆動のためのITO(Indium Tin Oxide)電極等が形成された基板を用い、液晶配向膜を形成することが好ましい。また、反射型の液晶表示素子を製造する場合は、片側の基板のみにならばシリコンウエハ等の不透明な基板でも使用でき、この場合の電極はアルミニウム等の光を反射する材料を使用することもできる。
本発明の液晶配向剤を基板上に塗布する方法としては、例えば、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が挙げられる。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等があり、目的に応じてこれらを用いてもよい。
塗布膜は、通常、含有される有機溶媒を十分に除去するために50〜120℃で1〜10分乾燥させ、その後150〜300℃で5分〜120分焼成される。焼成後の塗膜の厚みは、特に限定されないが、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、5〜300nm、好ましくは10〜200nmである。
得られた液晶配向膜を配向処理する方法としては、ラビング法、光配向処理法などが挙げられる。
基板上に形成された塗膜面のラビング処理は、既存のラビング装置を使用することができる。この際のラビング布の材質としては、コットン、レーヨン、ナイロン等が挙げられる。ラビング処理の条件としては、一般的に、回転速度300〜2000rpm、送り速度5〜100mm/s、押し込み量0.1〜1.0mmという条件が用いられる。その後、純水やアルコールなどを用いて超音波洗浄によりラビングにより生じた残渣が除去される。
光配向処理法としては、前記塗膜表面に、一定方向に偏向した放射線を照射し、場合によってはさらに150〜250℃の温度で加熱処理を行い、液晶配向能を付与する方法が挙げられる。放射線としては、100〜800nmの波長を有する紫外線及び可視光線を用いることができる。このうち、100〜400nmの波長を有する紫外線が好ましく、200〜400nmの波長を有するものが特に好ましい。また、液晶配向性を改善するために、塗膜基板を50〜250℃で加熱しつつ、放射線を照射してもよい。前記放射線の照射量は、1〜10,000mJ/cmが好ましく、100〜5,000mJ/cmが特に好ましい。
<液晶表示素子>
本発明の液晶表示素子は、上記した手法により本発明の液晶配向剤から液晶配向膜付き基板を得た後、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。
液晶表示素子の作製方法の一例は、以下の通りである。まず、液晶配向膜の形成された1対の基板を用意し、それらを、好ましくは1〜30μm、より好ましくは2〜10μmのスペーサーを挟んで、ラビング方向が0°〜270°の任意の角度となるように設置して周囲をシール剤で固定する。次いで、基板間に液晶を注入して封止する。液晶封入の方法については特に制限されず、作製した液晶セル内を減圧にした後に液晶を注入する真空法、液晶を滴下した後に封止を行う滴下法等が例示できる。
以下に実施例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定して解釈されるものではない。以後で使用する化合物の略号、及び各特性の測定方法は、次のとおりである。
<モノマー>
1,3DMCBDE−Cl:ジメチル1,3−ビス(クロロカルボニル)−1,3−ジメチルシクロブタンー2,4−ジカルボキシレート
1,3DMCBDA:1,3−ジメチル1,2,3,4シクロブタンテトラカルボン酸二無水物
PMDA:ピロメリット酸二無水物
PMDE-me:2,5−ビス(メトキシカルボニル)ベンゼン−1,4ジカルボン酸
CBDE:2,4−ビス(メトキシカルボニル)シクロブタン1,3−ジカルボン酸
CBDA:1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物
DADPA:4,4’−ジアミノジフェニルアミン
p−PDA:p−フェニレンジアミン
DBOP:ジフェニル(2,3―ジヒドロ―2―チオキソ―3−ベンゾオキサゾリル)ホスホナート
Figure 2017094898
<溶剤>
NMP:N−メチル−2−ピロリドン
BCS:ブチルセロソルブ
GBL:γ−ブチロラクトン
<粘度>
重合体溶液の粘度は、E型粘度計TVE−22H(東機産業社製)を用い、サンプル量1.1mL、コーンロータTE−1(1°34’、R24)、温度25℃で測定した。
<分子量>
重合体の分子量はGPC(常温ゲル浸透クロマトグラフィー)装置によって測定し、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド換算値として数平均分子量(以下、Mnとも言う。)と重量平均分子量(以下、Mwとも言う。)を算出した。
GPC装置:Shodex社製(GPC−101)
カラム:Shodex社製(KD803、KD805の直列)
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)を30mmol/L、リン酸・無水結晶(o−リン酸)を30mmol/L、テトラヒドロフラン(THF)を10ml/L含有する)
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(重量平均分子量(Mw) 約900,000、150,000、100,000、30,000)、及び、ポリマーラボラトリー社製 ポリエチレングリコール(ピークトップ分子量(Mp)約12,000、4,000、1,000)。測定は、ピークが重なるのを避けるため、900,000、100,000、12,000、1,000の4種類を混合したサンプル、及び150,000、30,000、4,000の3種類を混合したサンプルの2サンプルを別々に測定した。
(合成例1)
撹拌装置及び窒素導入管付きの2Lの四つ口フラスコに、p−PDAを1.30g(12.02mmol)及びDA−Aを1.76g(7.21mmol)、DA−Bを1.64g(4.81mmol)取り、NMPを46.10gとGBLを106.9g及びピリジン3.58g(0.44mol)を加えて、溶解させた。次に、この溶液を撹拌しながら1,3DMCBDAを1.07g(4.81mmol)を添加し、水冷下で5時間反応させた。これにより得られた溶液に対し、1,3DMCBDE−Clを6.02g(18.5mmol)を添加し、水冷下でさらに14時間反応させた。
得られたポリアミド酸エステル-ポリアミド酸コポリマー溶液にアクリロイルクロリドを2.39g(2.64mmol)添加し、さらに4時間反応させた後、この溶液を1061mlのイソプロパノールに撹拌しながら投入し、析出した白色沈殿をろ取した。続いて2655mlのイソプロパノールを5回に分けて使って洗浄し、乾燥することで白色のポリアミド酸エステル−ポリアミド酸コポリマー樹脂粉末(PWD−1)を得た。このポリアミド酸エステル−ポリアミド酸コポリマーの分子量はMn=13,493であり、Mw=27,207であった。
上記で得られたポリアミド酸エステルーポリアミド酸コポリマー樹脂粉末(PWD−1)をGBLに溶解させ、固形分濃度12質量%のポリアミド酸エステル−ポリアミド酸コポリマー溶液(Copolymer−1)を得た。
(合成例2)
撹拌装置及び窒素導入管付きの200mLの四つ口フラスコに、CBDEを8.40g(3.23mmol)及びDA−Aを5.57g(2.28mmol)、DADPAを3.03g(1.52mmol)取り、NMPを106.57g及びトリエチルアミン6.92g(6.84mmol)を加えて、溶解させた。次に、この溶液を撹拌しながらDBOPを24.77g(6.46mmol)添加し、水冷下で5時間反応させた。この後、さらに溶液を撹拌しながら、リン酸ジフェニルを1.90g(0.76mmol)、PMDAを1.08g(0.49mmol)、NMPを22.84g追加し、水冷下でさらに5時間反応させた。
得られたポリアミド酸エステル−ポリアミド酸コポリマー溶液を2000mlのイソプロパノールに撹拌しながら投入し、析出した白色沈殿をろ取し、続いて407.83mlのメタノールを4回に分けて使って洗浄し、乾燥することで白色のポリアミド酸エステル−ポリアミド酸コポリマー樹脂粉末(PWD−2)を得た。
上記で得られたポリアミド酸エステルーポリアミド酸コポリマー樹脂粉末(PWD−2)をNMPに溶解させ、固形分濃度12質量%のポリアミド酸エステル−ポリアミド酸コポリマー溶液(Copolymer−2)を得た。
(比較合成例1)
撹拌装置及び窒素導入管付きの2Lの四つ口フラスコに、p−PDAを10.00g(92.4mmol)及びDA−Aを13.60g(55.5mmol)、DA−Bを12.60g(37.0mmol)取り、NMPを379.00gとGBLを1023.00g及びピリジン34.60g(0.43mol)を加えて、溶解させた。次に、この溶液を撹拌しながら1,3DMCBDE−Clを58.30g(179.4mmol)を添加し、水冷下で14時間反応させた。
得られたポリアミド酸溶液にアクリロイルクロリドを2.41g(26.6mmol)添加し、さらに4時間反応させた後、この溶液を8653mlのイソプロパノールに撹拌しながら投入し、析出した白色沈殿をろ取した。続いて21635mlのイソプロパノールを5回に分けて使って洗浄し、乾燥することで白色のポリアミド酸エステル樹脂粉末(PWD−3)を得た。このポリアミド酸エステルの分子量はMn=24,366であり、Mw=54,808であった。
上記で得られたポリアミド酸エステル樹脂粉末(PWD−3)をGBLに溶解させ、固形分濃度12質量%のポリアミド酸エステル溶液(PAE−1)を得た。
(比較合成例2)
撹拌装置及び窒素導入管付きの15Lの四つ口フラスコに、p−PDAを761.05g(1.75mol)及びDA−Aを256.50g(1.05mol)、DA−Bを258.56g(0.7mol)取り、NMPを9671.41g加えて、溶解させた。次に、この溶液を撹拌しながら1,3DMCBDAを761.05g(3.39mol)を添加し、溶液の固形分濃度が12%になるようにNMPで希釈した。この溶液を水冷下で14時間反応させ、ポリアミド酸溶液(PAA−1)を得た。このポリアミド酸の分子量はMn=14,366であり、Mw=28,508であった。
(実施例1)
撹拌子を入れた20mlサンプル管に、合成例1で得られたポリアミド酸エステル−ポリアミド酸コポリマー溶液(Copolymer−1)を5.50g取り、AD−AのNMP(10質量%希釈)溶液を0.28g、さらにNMPで1.0質量%に希釈した3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン溶液を0.55g、NMPを1.70g加えた。その後、BCSを2.00g加えてマグネチックスターラーで30分間撹拌し、液晶配向剤(A−1)を得た。A−1の粘度は35mPa・Sであった。液晶配向剤(A−1)を−20℃で1週間保管しても固形物の析出が見られず、均一な溶液であった。
(実施例2)
撹拌子を入れた20mlサンプル管に、合成例2で得られたポリアミド酸エステル−ポリアミド酸コポリマー溶液(Copolymer−2)を7.50g取り、AD−AのNMP(10質量%希釈)溶液を0.45g、さらにNMPで1.0質量%に希釈した3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン溶液を0.9g、NMPを3.12g加えた。その後、BCSを3.00g加えてマグネチックスターラーで30分間撹拌し、液晶配向剤(A−2)を得た。A−2の粘度は37mPa・Sであった。液晶配向剤A−2を−20℃で1週間保管したところ、固形物の析出が見られず、均一な溶液であった。
(比較例1)
撹拌子を入れた20mlサンプル管に、比較合成例1で得られたポリアミド酸エステル溶液(PAE−1)を7.50g取り、AD−AのNMP(10質量%希釈)溶液を0.45g、さらにNMPで1.0質量%に希釈した3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン溶液を0.90g、NMPを2.48g加えた。その後、BCSを3.00g加えてマグネチックスターラーで30分間撹拌し、液晶配向剤(B−1)を得た。B−1の粘度は32mPa・Sであった。液晶配向剤B−1を−20℃で1週間保管したところ、固形物の析出が見られず、均一な溶液であった。
(比較例2)
撹拌子を入れた20mlサンプル管に、比較合成例2で得られたポリアミド酸溶液(PAA−1)を8.21g取り、AD−AのNMP(10質量%希釈)溶液を0.45g、さらにNMPで1.0質量%に希釈した3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン溶液を0.90g、NMPを3.12g加えた。その後、BCSを3.00g加えてマグネチックスターラーで30分間撹拌し、液晶配向剤(B−2)を得た。B−2の粘度は35mPa・Sであった。液晶配向剤B−2を−20℃で1週間保管したところ、固形物の析出が見られず、均一な溶液であった。
(実施例3)
実施例1で得られた液晶配向剤(A−1)を1.0μmのフィルターで濾過した後、透明電極付きガラス基板上にスピンコートし、温度80℃のホットプレート上で5分間の乾燥させた。その後、温度230℃の熱風循環式オーブンで10分間の焼成を経て、膜厚100nmのイミド化した膜を得た。焼成膜に対して、偏光板を介した254nmの紫外線を250mJ/cm照射を行った。これにより、液晶配向膜付き基板を得た。
液晶セルの電気特性を評価するために、上記液晶配向膜付き基板を2枚用意し、その1枚の液晶配向膜上に6μmのスペーサーを散布した。その上からシール剤を印刷し、もう1枚の基板を液晶配向膜面が向き合い光配向方向が直行するようにして張り合わせた後、シール剤を硬化させて空セルを作製した。この空セルに減圧注入法によって、液晶ML−7026−100(メルク・ジャパン製)を注入し、注入口を封止し、IPS液晶セルを得た。この液晶セルを120℃30分熱処理をして、その後室温まで除冷してセルの観察を行ったところ配向性は良好であった。
<電圧保持率の測定>
上記液晶セルに60℃の温度下で1Vの電圧を60μs間印加し、500ms後の電圧を測定して、電圧がどのくらい保持できているかを電圧保持率として計算した。
この結果、配向剤A−1からなる配向膜1の60℃における電圧保持率は85.4%であった。
(実施例4)
合成例2で得られた本発明の液晶配向剤を用いて、実施例3と同様の評価を行った。ただし、配向処理レーヨン布でのラビング処理(ロール径120mm、回転数1000rpm、移動速度20mm/sec、押込み長0.3mm)にて行った。この結果は後述の表1に記載する。
(比較例3)
比較例1で得られた本発明の液晶配向剤を用いて、実施例3と同様の評価を行った。この結果は後述の表1に記載する。
(比較例4)
比較例1で得られた本発明の液晶配向剤を用いて、実施例3と同様の評価を行った。ただし、光照射は偏光板を介して、254nmの紫外線を500mJ/cm照射して行った。
上記実施例3、4及び比較例3、4の結果は後述の表1に記載する。
Figure 2017094898
本発明の液晶配向剤を用いて形成される液晶配向膜は、液晶配向性が向上するだけでなく、電圧保持率、直流電圧の残留などの電気的特性も改善される。その結果、TN素子、STN素子、TFT液晶素子、更には、垂直配向型の液晶表示素子などに広く有用である。
なお、2015年12月3日に出願された日本特許出願2015−236340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 (12)

  1. 下記の成分(A)及び成分(B)を含有することを特徴とする液晶配向剤。
    成分(A):下記式(1)で表される構造単位と下記式(2)で表される構造単位とを有する共重合体。
    Figure 2017094898
    (X及びX2は、それぞれ独立して4価の有機基である。Y及びYは、それぞれ独立して、2価の有機基である。Rは、炭素数1〜5のアルキル基である。A及びAは、それぞれ独立して、水素原子、又は置換基を有してもよい、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数2〜10のアルケニル基若しくは炭素数2〜10のアルキニル基である。)
    成分(B):架橋性官能基を2つ以上有する化合物。
  2. 前記成分(B)が、ヒドロキシル基、ヒドロキシアルキルアミド基、(メタ)アクリレート基、ブロックイソシアネート基、オキセタン基、及びエポキシ基から選ばれる少なくとも1種の官能基を2つ以上含有する化合物である請求項1に記載の液晶配向剤。
  3. 前記成分(B)が、下記式(3)で表される化合物である請求項1に記載の液晶配向剤。
    Figure 2017094898
    (Xは、炭素数1〜20の脂肪族炭化水素基、又は芳香族炭化水素基を含むn価の有機基である。R及びRは、それぞれ独立に、水素原子、又は置換基を有してもよい、炭素数1〜4のアルキル基、炭素数2〜4のアルケニル基若しくは炭素数2〜4のアルキニル基であり、R及びRのうち少なくとも1つは下記式(4)で表される。nは2〜6の整数である。)
    Figure 2017094898
    (R〜Rは、それぞれ独立に、水素原子、炭化水素基、又はヒドロキシ基で置換された炭化水素基である。)
  4. 前記成分(A)の共重合体が、その有する全構造単位に対して、式(1)で表される構造単位を50〜95モル%有し、かつ式(2)で表される構造単位を5〜50モル%有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  5. 前記成分(B)の含有量が、成分(A)に対して1〜30重量%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. さらに、有機溶媒を含有し、前記成分(A)及び前記成分(B)の合計含有量が、該有機溶媒に対して0.5〜15質量%である請求項1〜5のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  7. 前記式(1)及び式(2)における、X及びXが、それぞれ独立して、下記式で表される構造からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1〜6のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
    Figure 2017094898
  8. 前記式(1)及び式(2)における、Y及びYが、それぞれ独立して、下記式で表される構造からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1〜7のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
    Figure 2017094898
  9. 前記ブロックイソシアネート基が、下記の式(6)で表される有機基である、請求項2〜8のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
    Figure 2017094898
  10. 前記式(3)で表される化合物が、下記の化合物である、請求項3〜9のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
    Figure 2017094898
  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。
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