JPWO2018062353A1 - 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
Description
下記Aグループの溶媒、Bグループの溶媒及びイソブチルケトンを含有する溶媒成分
とを含有することを特徴とする、液晶配向剤。
Aグループ: N−メチル−2−ピロリドン、N−エチル−2−ピロリドン、γ‐ブチロラクトンおよび1,3−ジメチルイミダゾリジノンからなる群から選ばれる少なくとも1種の溶媒
Bグループ: ブチルセロソルブ、1−ブトキシ−2−プロパノール、2−ブトキシ−1―プロパノール及びジプロピレングリコールジメチルエーテルからなる群から選ばれる少なくとも1種の溶媒。
本発明の液晶配向剤に含有される溶媒は、上記A、B及びCグループに属する溶媒を含有する。
Aグループに属する溶媒は、N−メチル−2−ピロリドン、N−エチル−2−ピロリドン、γ‐ブチロラクトンおよび1,3−ジメチルイミダゾリジノンからなる群から選ばれる少なくとも1種の溶媒である。これらの溶媒は、液晶配向剤中の重合体を溶解させるものである。
Bグループに属する溶媒は、ブチルセロソルブ、1−ブトキシ−2−プロパノール、2−ブトキシ−1―プロパノール、ジプロピレングリコールジメチルエーテルからなる群から選ばれる少なくとも1種の溶媒である。この溶媒は、液晶配向剤の塗布均一性の向上と低粘度化に寄与する溶媒である。
本発明の液晶配向剤に含有される重合体は、テトラカルボン酸誘導体成分とジアミン成分との反応物であるポリイミド前駆体及びそのイミド化物であるポリイミドからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、熱により水素原子に置き換わる保護基を含有する重合体である。
本発明の液晶配向剤に用いられるジアミン成分には、熱で脱離する保護基を構造中に含有するジアミン(以下、特定ジアミンとも称する)が含まれる。
本発明の液晶配向剤に用いられるジアミン成分には、上述したジアミンの他、本発明の効果を奏する限りにおいて、その他のジアミンを含有させることが出来る。その他のジアミンの構造は特に限定されず、例えば以下の式(2)で一般式化することが出来る
Y1の構造を例示すると、以下の通りである。
本発明をVA方式の液晶配向剤として用いる場合、垂直配向能を発現する特定側鎖構造を有するジアミンを用いて重合体を調製することが好ましい。この特定側鎖構造を有するジアミンは、下記式[S1]〜[S3]で表される群から選ばれる少なくとも1種の側鎖構造を有する。
VA方式の液晶配向剤として用いる場合、垂直配向性の特定側鎖構造を2つ有する二側鎖型のジアミンを用いて重合体を調製することもできる。
本実施形態において、ジアミン成分として含まれていてもよい二側鎖ジアミンは、例えば下記式[1]で表される
また、上記式[1]中、2つのYは、それぞれ独立して、下記式[1−1]の構造を表す。
また、本発明を垂直配向方式のPSAモードの液晶配向剤として用いる場合、液晶中に含まれる重合性化合物の反応性を高める目的で光反応性側鎖を有するジアミンを用いて重合体を調製することもできる。
本実施形態のジアミン成分は、その他のジアミンとして、光反応性側鎖を有するジアミンを含有してもよい。ジアミン成分が、光反応性側鎖を有するジアミンを含有することで、特定重合体やそれ以外の重合体に、光反応性側鎖を導入できるようになる。
本発明の液晶配向剤に含有される、上記式(1)の構造単位を有する重合体を作製するためのテトラカルボン酸誘導体成分としては、テトラカルボン酸二無水物だけでなく、そのテトラカルボン酸誘導体であるテトラカルボン酸、テトラカルボン酸ジハライド化合物、テトラカルボン酸ジアルキルエステル化合物またはテトラカルボン酸ジアルキルエステルジハライド化合物を用いることもできる。
本発明に用いられるポリイミド前駆体の一つであるポリアミック酸エステルは、以下に示す(1)、(2)又は(3)の方法で合成することができる。
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。
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から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
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を重縮合することにより合成することができる。
本発明に用いられるポリイミド前駆体であるポリアミック酸は、以下に示す方法により合成することができる。
本発明に用いられるポリイミドは、前記ポリアミック酸エステル又はポリアミック酸をイミド化することにより製造することができる。ポリアミック酸エステルからポリイミドを製造する場合、前記ポリアミック酸エステル溶液、又はポリアミック酸エステル樹脂粉末を有機溶媒に溶解させて得られるポリアミック酸溶液に塩基性触媒を添加する化学的イミド化が簡便である。化学的イミド化は、比較的低温でイミド化反応が進行し、イミド化の課程で重合体の分子量低下が起こりにくいので好ましい。
前記貧溶媒は、特に限定されないが、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、ベンゼン等が挙げられる。
本発明に用いられる液晶配向剤は、特定構造の重合体が有機溶媒中に溶解された溶液の形態を有する。本発明に記載のポリイミド前駆体及びポリイミドの分子量は、重量平均分子量で2,000〜500,000が好ましく、より好ましくは5,000〜300,000であり、さらに好ましくは、10,000〜100,000である。また、数平均分子量は、好ましくは、1,000〜250,000であり、より好ましくは、2,500〜150,000であり、さらに好ましくは、5,000〜50,000である。
本発明の液晶配向剤には、本発明の効果を損なわない限りにおいて、上記A、B及びCグループに属する溶媒以外の溶媒(以下、その他の溶媒とも称する)として、本発明に記載のポリイミド前駆体及びポリイミドを溶解させる溶媒(良溶媒ともいう)や、液晶配向剤を塗布した際の液晶配向膜の塗膜性や表面平滑性を向上させる溶媒(貧溶媒ともいう)を含有させても良い。
良溶媒としては、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、ジメチルスルホキシド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、3−メトキシーN,N−ジメチルプロパンアミド(IPMA又は4−ヒドロキシ−4−メチル−2−ペンタノンなどを挙げることができる。
ヒドロキシル基又はアルコキシル基を有するベンゼン又はフェノール性化合物としては、例えば、1,3,5−トリス(メトキシメチル)ベンゼン、1,2,4−トリス(イソプロポキシメチル)ベンゼン、1,4−ビス(sec−ブトキシメチル)ベンゼン又は2,6−ジヒドロキシメチル−p−tert−ブチルフェノールが挙げられる。
本発明の液晶配向剤における、架橋性化合物の含有量は、全ての重合体成分100質量部に対して、0.1〜150質量部が好ましい。なかでも、架橋反応が進行し目的の効果を発現させるためには、の重合体成分100質量部に対して、0.1〜100質量部が好ましい。より好ましいのは、1〜50質量部である。
液晶配向膜の膜厚の均一性や表面平滑性を向上させる化合物としては、フッ素系界面活性剤、シリコーン系界面活性剤、ノ二オン系界面活性剤などが挙げられる。
液晶配向膜は、上記の液晶配向剤を基板に塗布し、乾燥、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、ガラス基板、窒化珪素基板とともに、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等を用いることもできる。その際、液晶を駆動させるためのITO電極などが形成された基板を用いると、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エハーなどの不透明な物でも使用でき、この場合の電極にはアルミニウムなどの光を反射する材料も使用できる。
NMP:N−メチル−2−ピロリドン
NEP:N−エチル−2−ピロリドン
GBL:γ−ブチロラクトン
BCS:ブチルセロソルブ
PB:1−ブトキシ−2−プロパノール
DPM:ジプロピレングリコールモノメチルエーテル
DIBK:ジイソブチルケトン
DC−1:1,3−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
DC−2:1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物
DC−3: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
DC−4:ピロメリット酸無水物
DC−5:3,3,4,4―ビフェニルテトラカルボン酸二無水物
DA−1:p−フェニレンジアミン
DA−2:ビス(4−アミノフェノキシ)エタン
DA−3:1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)プロパン
DA−4:N−メチル−2−(4−アミノフェニル)エチルアミン
DA−5:下記式(DA−5)で表される化合物
DA−6:下記式(DA−6)で表される化合物
DA−7:下記式(DA−7)で表される化合物
DA−8:下記式(DA−8)で表される化合物
DA−9:3,5−ジアミノ安息香酸
DA−10:下記式(DA−10)で表される化合物
DA−11:下記式(DA−11)で表される化合物
DA−12:下記式(DA−12)で表される化合物
DA−13:下記式(DA−13)で表される化合物
DA−14:下記式(DA−14)で表される化合物
DA−15:下記式(DA−15)で表される化合物
DA−16:下記式(DA−16)で表される化合物
DA−17:下記式(DA−17)で表される化合物
DA−18:下記式(DA−18)で表される化合物
DA−19:下記式(DA−19)で表される化合物
DA−20:下記式(DA−20)で表される化合物
DA−21:下記式(DA−21)で表される化合物
3AMP:3−ピコリルアミン
ポリアミック酸エステル、ポリアミック酸溶液及びポリイミド溶液の粘度は、E型粘度計TVE−22H(東機産業社製)を用い、サンプル量1.1mL(ミリリットル)、コーンロータTE−1(1°34’、R24)、温度25℃で測定した。
ポリアミック酸エステル及びポリアミック酸の分子量は、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。
カラム:Shodex社製(KD803、及び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・H2O)が30mmol/L(リットル)、リン酸・無水結晶(o−リン酸)が30mmol/L、テトラヒドロフラン(THF)が10ml/L)
流速:1.0ml/分
<合成例1>
このポリアミック酸溶液の温度25℃における粘度は502mPa・sであった。また、このポリアミック酸の分子量はMn=16,715、Mw=43,662であった。
<合成例2>
このポリアミック酸溶液の温度25℃における粘度は768mPa・sであった。また、このポリアミック酸の分子量はMn=11,658、Mw=28,328であった。
このポリアミック酸溶液の温度25℃における粘度は393mPa・sであった。また、このポリアミック酸の分子量はMn=14,654、Mw=39,268であった。
撹拌装置及び窒素導入管付きの3L四つ口フラスコに、ジアミンDA−1を17.30g(159.98mmol)、ジアミンDA−2を58.63g(240.0mmol)、ジアミンDA−15を76.89g(240.0mmol)及びジアミンDA−7を54.63g(159.99mmol)量り取り、NMPを2458.13g加えて、窒素を送りながら撹拌し溶解させた。このジアミン溶液を撹拌しながら、テトラカルボン酸二無水物DC−1を171.27g(764.02mmol)添加し、更に、固形分濃度が12質量%になるようにNMPを加え、40℃で20時間撹拌して、ポリアミック酸(PAA−4)の溶液を得た。
このポリアミック酸溶液の温度25℃における粘度は426mPa・sであった。また、このポリアミック酸の分子量はMn=12,380、Mw=33,250であった。
このポリイミド溶液の温度25℃における粘度は137mPa・sであった。また、このポリイミドの分子量はMn=11,035、Mw=27,887であった。
撹拌装置及び窒素導入管付きの3L四つ口フラスコに、ジアミンDA−21を130.71g(656.0mmol)及びジアミンDA−9を24.95g(163.98mmol)量り取り、NMPを171.60g加えて、窒素を送りながら撹拌し溶解させた。このジアミン溶液を撹拌しながら、テトラカルボン酸二無水物DC−5を226.78g(770.8mmol)添加し、更に、固形分濃度が12質量%になるようにNMPを加え、室温で4時間撹拌して、ポリアミック酸溶液(PAA−4)の溶液を得た。
このポリアミック酸溶液の温度25℃における粘度は234mPa・sであった。また、このポリアミック酸の分子量はMn=9,657、Mw=22,975であった。
撹拌装置及び窒素導入管付きの200mLの四つ口フラスコにジアミンDA−2を4.03g(16.5mmol)、ジアミンDA−6を3.59g(9.0mmol)、及びジアミンDA−18を2.50g(4.5mmol)加えた後、NMPを102.1g加え、窒素を送りながら撹拌し溶解させた。この溶液を撹拌しながらテトラカルボン酸二無水物DC−1を4.37g(19.5mmol)、及びNMPを12.8g加え、40℃条件下にて3時間攪拌した。その後、25℃条件下にてテトラカルボン酸二無水物DC−2を1.71g(8.7mmol)、及びNMPを12.8g加えた後、さらに12時間攪拌することで樹脂固形分濃度15質量%のポリアミック酸溶液を得た。
このポリアミック酸溶液の粘度は820mPa・sであった。また、このポリアミック酸の分子量はMn=13,250、Mw=35,459であった。
このポリイミド溶液の温度25℃における粘度は74.0mPa・sであった。また、このポリイミドの分子量はMn=9,848、Mw=23,058であった。
撹拌装置及び窒素導入管付きの100mLの四つ口フラスコにジアミンDA−20を1.12g(4.5mmol)、ジアミンDA−19を0.59g(3.0mmol)、及びジアミンDA−21を1.49g(7.5mmol)を加えた後、NMP:GBL=1:1の混合溶媒31.0gを加え、窒素を送りながら撹拌し溶解させた。この溶液を撹拌しながら、テトラカルボン酸二無水物DC−2を1.15g(5.9mmol)、及びNMP:GBL=1:1の混合溶媒を10.0g加えた後、25℃条件下にて1時間攪拌した。その後、テトラカルボン酸二無水物DC−5を2.60g(8.8mmol)加え、NMP:GBL=1:1の混合溶媒を10.0g加えた後、さらに50℃条件下にて12時間攪拌することで樹脂固形分濃度12質量%のポリアミック酸溶液(PAA−5)を得た。
このポリアミック酸溶液の温度25℃における粘度は200mPa・sであった。また、このポリアミック酸の分子量はMn=8,026、Mw=18,458であった。
撹拌装置及び窒素導入管付きの500mLフラスコに、ジアミンDA−16を25.20g(0.088mol)、及びジアミンDA−17を8.72g(0.022mol)投入した後、NMPを334.28g加えて撹拌して溶解させた。この溶液を水冷下で撹拌しながら、テトラカルボン酸二無水物DC−4を23.06g(0.11mol)添加し、更にNMPを83.57g加え、50℃で12時間撹拌してポリアミック酸溶液(PAA−6)を得た。
このポリアミック酸溶液の粘度は545mPa・sであった。また、このポリアミック酸の分子量はMn=17,344、Mw=43,383であった。
撹拌装置及び窒素導入管付きの500mLフラスコに、ジアミンDA−21を23.91g(0.12mol)、及びジアミンDA−9を4.56g(0.03mol)投入した後、NMPを241.76g加えて撹拌して溶解させた。この溶液を水冷下で撹拌しながら、テトラカルボン酸二無水物DC−2を13.71g(0.070mol)添加し、更にNMPを69.07g加えた後、2時間撹拌させた。その後テトラカルボン酸二無水物DC−3を18.77g(0.075mol)投入した後、NMPを34.54g加えて、50℃で12時間撹拌してポリアミック酸溶液(PAA−7)を得た。
このポリアミック酸溶液の粘度は300mPa・sであった。また、このポリアミック酸の分子量はMn=11,333、Mw=24,081であった。
(実施例1)
撹拌子を入れた40mlサンプル管に、合成例1で得られたポリアミック酸溶液(PAA−1)を4.00g、合成例2で得られたポリアミック酸溶液(PAA−2)を4.80g量り取り、NMPを23.20g、PBを6.80g及びDIBKを1.20g量り取り、室温で3時間攪拌し、液晶配向剤A1を得た。
上記で調整した液晶配向剤A1を、インクジェット塗布装置(株式会社日立プラントテクノロジー製)を用いて、クロムが表面に蒸着されたガラス基板上に塗布した。塗布条件は、吐出ピッチ40μm、塗布速度100mm/sec、射出電圧13.0V、塗布面積36×80mmで行った。塗膜の膜厚は、80℃のホットプレート上で2分仮乾燥を行った後、230℃30分の条件で、IRオーブンで焼成した際に、100nmとなる条件で塗布した。
上記で調整した液晶配向剤A1について、インクジェット塗布装置(株式会社日立プラントテクノロジー製)を用いて、上記で準備した疎水性ガラス基板上に塗布した。塗布条件は、吐出ピッチ500μm、塗布速度100mm/sec、射出電圧13.0V、塗布面積36×80mmで行った。液晶配向剤A1を上記条件で塗布した後、80℃のホットプレート上で2分仮乾燥を行った後、230℃30分の条件で、IRオーブンで焼成した。
80℃で仮乾燥し、230℃で焼成したドット状の塗膜について、顕微鏡を用いてドットの直径を測定した。一般にドット径は大きいほど、良好な塗膜性を有する材料であるとされる。ドット径が160μm以上を良好とし、それ以下を不良とした。
合成例1〜3、5、7〜9で得られたポリアミック酸溶液および合成例4、6で得られたポリイミド溶液を下記表1で示した所定のブレンド比率、固形分濃度、溶媒比率となるように各種溶剤による希釈を行い、液晶配向剤A2〜A6及び液晶配向剤B1〜B5、C1、D1、E1、F1、G1、H1、およびI1を得た。ポリアミック酸溶液、ポリイミド溶液及び溶剤の組成比を実施例1と共に表1に示す。
テトラカルボン酸二無水物DC−3(12.51g、 50.0mmol)、ジアミンDA−7(13.66g、40.0mmol)、ジアミンDA−11(6.61g、20.0mmol)、ジアミンDA−13(17.39g、40.0mmol)をNMP(179.3g)中で溶解し、60℃で5時間反応させたのち、テトラカルボン酸二無水物DC−2(9.61g、49.0mmol)とNMP(59.8g)を加え、40℃で10時間反応させポリアミック酸溶液を得た。
テトラカルボン酸二無水物DC−3(12.51g、 50.0mmol)、ジアミンDA−8(11.87g、50.0mmol)、ジアミンDA−11(9.91g、30.0mmol)、ジアミンDA−14(15.14g、20.0mmol)をNMP(177.1g)中で溶解し、60℃で5時間反応させたのち、テトラカルボン酸二無水物DC−2(9.61g、49.0mmol)とNMP(59.0g)を加え、40℃で10時間反応させポリアミック酸溶液を得た。
テトラカルボン酸二無水物DC−3(12.51g、 50.0mmol)、ジアミンDA−9(6.10g、40.0mmol)、ジアミンDA−11(6.61g、20.0mmol)、ジアミンDA−13(17.39g、40.0mmol)をNMP(156.6g)中で溶解し、60℃で5時間反応させたのち、テトラカルボン酸二無水物DC−2(9.61g、49.0mmol)とNMP(52.2g)を加え、40℃で10時間反応させポリアミック酸溶液を得た。
テトラカルボン酸二無水物DC−3(12.51g、 50.0mmol)、ジアミンDA−9(7.61g、50.0mmol)、ジアミンDA−11(9.91g、30.0mmol)、ジアミンDA−14(15.14g、20.0mmol)をNMP(164.4g)中で溶解し、60℃で5時間反応させたのち、テトラカルボン酸二無水物DC−2(9.61g、49.0mmol)とNMP(54.8g)を加え、40℃で10時間反応させポリアミック酸溶液を得た。
テトラカルボン酸二無水物DC−3(5.00g、 20.0mmol)、ジアミンDA−9(6.09g、40.0mmol)、ジアミンDA−10(7.27g、30.0mmol)、ジアミンDA−12(11.42g、30.0mmol)をNMP(137.1g)中で溶解し、60℃で5時間反応させたのち、テトラカルボン酸二無水物DC−4(4.36g、20.0mmol)、テトラカルボン酸二無水物DC−2(11.57g、59.0mmol)とNMP(45.7g)を加え、40℃で10時間反応させポリアミック酸溶液を得た。
さらに、合成例10〜14で得られたポリイミド粉末(J〜N)を用いて、前記した合成例3〜7と同様の操作によって、下記の表4に示す溶媒組成の液晶配向剤を調製した。
合成例16と合成例20で得られた液晶配向剤J2とN3について、それぞれに含まれる樹脂組成物の重量比が3:7となるように室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(JN1)を調製した。
実施例10と同様の操作で各液晶配向剤を配合し、下記表5に示す各種の液晶配向剤を調製した。調製した液晶配向剤の配合比率および、溶媒組成は表5の通りであった。
Claims (10)
- ポリイミド前駆体及びそのイミド化物であるポリイミドからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、熱により脱離する保護基を含有する重合体と、
下記Aグループの溶媒、Bグループの溶媒及びイソブチルケトンを含有する溶媒成分
とを含有することを特徴とする、液晶配向剤。
Aグループ:N−メチル−2−ピロリドン、N−エチル−2−ピロリドン、γ‐ブチロラクトンおよび1,3−ジメチルイミダゾリジノンからなる群から選ばれる少なくとも1種の溶媒
Bグループ:ブチルセロソルブ、1−ブトキシ−2−プロパノール、2−ブトキシ−1―プロパノール、ジプロピレングリコールジメチルエーテルからなる群から選ばれる少なくとも1種の溶媒。 - 前記Aグループに属する溶媒が含まれる量が、液晶配向剤の全質量に対し、20質量%〜90質量%以下である、請求項1に記載の液晶配向剤。
- 前記Bグループに属する溶媒が含まれる量が、液晶配向剤の全質量に対し、1質量%〜50質量%以下である、請求項1または2に記載の液晶配向剤。
- 前記ジイソブチルケトンが含まれる量が、液晶配向剤の全質量に対し、1質量%〜20質量%以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の液晶配向剤。
- 前記重合体が、上記式(a)の構造を含有するジアミンを含有するジアミン成分と、テトラカルボン酸誘導体との反応物であるポリイミド前駆体及びそのイミド化物からなる群から選ばれる少なくとも1種の重合体である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の液晶配向剤。
- 上記式(a)の構造を含有するジアミンが、全ジアミン成分中の10モル%〜50モル%である、請求項6または7に記載の液晶配向剤。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の液晶配向剤から得られる、液晶配向膜。
- 請求項9の液晶配向膜を具備する、液晶表示素子。
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