JPWO2018117240A1 - 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
本発明の液晶配向剤に含有される、特定重合体の重合に用いられるテトラカルボン酸誘導体成分には、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又はテトラカルボン酸ジアルキルエステルジハライド化合物を用いることができる。特定重合体の重合に用いられるテトラカルボン酸二無水物又はその誘導体は、下記式(1)で表されるテトラカルボン酸二無水物又はその誘導体から選ばれる少なくとも1種類と、下記式(2)で表されるテトラカルボン酸又はその誘導体から選ばれる少なくとも1種類と、を含有する。
本発明の液晶配向剤に含有される、特定重合体の重合に用いられるジアミン成分は、下記式(3)及び下記式(4)から選ばれる少なくとも1種を含有する。
本発明に用いられるポリイミド前駆体である、ポリアミック酸エステルは、以下の(1)〜(3)の何れか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1〜4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。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とを、塩基と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1〜4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。具体的には、テトラカルボン酸ジエステルとジアミンを縮合剤、塩基、及び有機溶媒の存在下で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。
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、以下の方法により合成することができる。具体的には、テトラカルボン酸二無水物とジアミンとを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時間反応させることによって合成できる。
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、イミド化の過程で重合体の分子量低下が起こりにくいので好ましい。
本発明に用いられる液晶配向剤は、重合体成分が有機溶媒中に溶解された溶液の形態を有する。重合体の分子量は、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。
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等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電極等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等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等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
GBL:γ−ブチロラクトン
BCS:ブチルセロソルブ
DA−1:1,2−ビス(4−アミノフェノキシ)エタン
DA−2:ビス(4−アミノフェノキシ)メタン
DA−3:N−tert−ブトキシカルボニル−N−(2−(4−アミノフェニル)エチル)−N−(4−アミノベンジル)アミン
DA−4:p−フェニレンジアミン
DA−5:下記式(DA−5)参照
DA−6:4,4’−ジアミノジフェニルアミン
DA−7:4,4’−ジアミノジフェニルメタン
DA−8:下記式(DA−8)参照
CA−1:下記式(CA−1)参照
CA−2:下記式(CA−2)参照
CA−3:下記式(CA−3)参照
CA−4:下記式(CA−4)参照
AD−1:下記式(AD−1)参照
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(Mnと重量平均分子量(Mw)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・H2O)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
ポリイミド粉末20mgをNMRサンプル管(NMRサンプリングチューブスタンダード,φ5(草野科学社製))に入れ、重水素化ジメチルスルホキシド(DMSO−d6,0.05%TMS(テトラメチルシラン)混合品)(0.53ml)を添加し、超音波をかけて完全に溶解させた。この溶液をNMR測定機(JNW−ECA500)(日本電子データム社製)にて500MHzのプロトンNMRを測定した。イミド化率は、イミド化前後で変化しない構造に由来するプロトンを基準プロトンとして決め、このプロトンのピーク積算値と、9.5ppm〜10.0ppm付近に現れるアミド酸のNH基に由来するプロトンピーク積算値とを用い以下の式によって求めた。
イミド化率(%)=(1−α・x/y)×100
フリンジフィールドスイッチング(Fringe Field Switching:FFS)モード液晶表示素子の構成を備えた液晶セルを作製する。始めに、電極付きの基板を準備した。基板は、30mm×50mmの大きさで、厚さが0.7mmのガラス基板である。基板上には第1層目として対向電極を構成する、ベタ状のパターンを備えたITO電極が形成されている。第1層目の対向電極の上には第2層目として、CVD法により成膜されたSiN(窒化珪素)膜が形成されている。第2層目のSiN膜の膜厚は500nmであり、層間絶縁膜として機能する。第2層目のSiN膜の上には、第3層目としてITO膜をパターニングして形成された櫛歯状の画素電極が配置され、第1画素及び第2画素の2つの画素を形成している。各画素のサイズは、縦10mmで横約5mmである。このとき、第1層目の対向電極と第3層目の画素電極とは、第2層目のSiN膜の作用により電気的に絶縁されている。
上記した残像評価に使用した液晶セルと同様の構造の液晶セルを準備した。この液晶セルを用い、60℃の恒温環境下、周波数60Hzで±5Vの交流電圧を120時間印加した。その後、液晶セルの画素電極と対向電極との間をショートさせた状態にし、そのまま室温に一日放置した。
鉛筆硬度評価のサンプルは、以下のように作製した。30mm×40mmのITO基板に、スピンコート法により塗布にて液晶配向剤を塗布した。80℃のホットプレート上で2分間乾燥させた後、230℃の熱風循環式オーブンで14分間焼成を行い、膜厚100nmの塗膜を形成させた。この塗膜面にラビングや偏光紫外線照射等の配向処理を施し、液晶配向膜付き基板を得た。この基板を、水及び有機溶媒から選ばれる少なくとも1種類の溶媒に3分間浸漬させ、次いで純水に1分間浸漬させ、150℃〜300℃のホットプレート上で14分間加熱し、液晶配向膜付き基板を得た。この基板を鉛筆硬度試験法(JIS K5400)で測定した。
密着性評価のサンプルは、以下のように作製した。30mm×40mmのITO基板に、スピンコート法により液晶配向剤を塗布した。80℃のホットプレート上で2分間乾燥させた後、230℃の熱風循環式オーブンで14分間焼成を行い、膜厚100nmの塗膜を形成させた。この塗膜面にラビングや偏光紫外線照射等の配向処理を施し、液晶配向膜付き基板を得た。この基板を、水及び有機溶媒から選ばれる少なくとも1種類の溶媒に3分間浸漬させ、次いで純水に1分間浸漬させ、150℃〜300℃のホットプレート上で14分間加熱し、液晶配向膜付き基板を得た。
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの100ml四つ口フラスコに、DA−1を2.78g(11.4mmol)、DA−2を3.50g(15.2mmol)、DA−3を3.89g(11.4mmol)を取り、NMPを46.3g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CA−1を6.64g(29.6mmol)、CA−2を1.42g(5.70mmol)添加し、更に固形分濃度が18質量%になるようにNMPを36.8g加え、40℃で24時間撹拌してポリアミック酸溶液(A)(粘度:850mPa・s)を得た。ポリアミック酸の分子量は、Mn=15500、Mw=36500であった。
下記表1に示す、ジアミン成分、テトラカルボン酸成分、及びNMPを使用し、それぞれ、反応温度、固形分濃度、合成例1と同様に実施することにより、下記表1に示すポリアミック酸溶液(B)〜(L)を得た。また、得られたポリアミック酸の粘度、及び分子量は、下記表1に示す。
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの100ml四つ口フラスコに得られたポリアミック酸溶液(A)を30g取り、NMPを15.0g加え、30分撹拌した。得られたポリアミック酸溶液に、無水酢酸を3.32g、ピリジンを0.43g加えて、55℃で3時間加熱し、化学イミド化を行った。得られた反応液を213mlのメタノールに撹拌しながら投入し、析出した沈殿物をろ取し、続いて、213mlのメタノールで3回洗浄した。得られた樹脂粉末を60℃で12時間乾燥することで、ポリイミド樹脂粉末(A)を得た。このポリイミド樹脂粉末のイミド化率は65%であり、Mn=6800、Mw=12000であった。
下記表2に示す、ポリアミック酸溶液、NMP、無水酢酸、ピリジン、及びメタノールを使用した以外は、合成例13と同様に実施することにより、下記表2に示すポリイミド樹脂粉末(B)〜(K)を得た。
下記表1−2に示す、ジアミン成分、テトラカルボン酸成分、及びNMPを使用し、それぞれ、反応温度、固形分濃度、合成例1と同様に実施することにより、下記表1−2に示すポリアミック酸溶液(M)〜(Q)を得た。また、得られたポリアミック酸の粘度、及び分子量は、下記表1−2に示す。
表2に示す、ポリアミック酸溶液、NMP、無水酢酸、ピリジン、及びメタノールを使用した以外は、合成例13と同様に実施することにより、下記表2−2に示すポリイミド樹脂粉末(M)〜(Q)を得た。
合成例1で得られた18質量%のポリアミック酸溶液(A)10.00gを100ml三角フラスコに取り、NMP14.00g、BCS6.00gを加え、25℃にて8時間混合して、液晶配向剤(1)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出等の異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
合成例13で得られたポリイミド樹脂粉末(A)1.80gを100ml三角フラスコに取り、固形分濃度が15%になるようにNMPを10.2g加え、70℃で24時間撹拌し溶解させてポリイミド溶液(K)を得た。このポリイミド溶液にAD−1を0.09g、NMPを2.90g、GBLを9.00g、BCSを6.00g添加し、室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(2)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出等の異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
ポリイミド樹脂粉末(A)の代わりに、ポリイミド樹脂粉末(B)〜(D)を用いた以外は、実施例2と同様に実施することで、液晶配向剤(3)〜(5)を得た。
実施例5で得られた15質量%のポリイミド溶液(D)5.50gと15質量%のポリアミック酸溶液(E)5.50gを100ml三角フラスコに取り、AD−1を0.83g、NMPを4.82g、GBLを7.35g、BCSを6.00g添加して室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(6)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出等の異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
ポリイミド樹脂粉末(A)の代わりに、ポリイミド樹脂粉末(E)〜(F)を用いた以外は、実施例2と同様に実施することで、液晶配向剤(7)〜(8)を得た。
ポリアミック酸溶液(A)の代わりに、ポリアミック酸溶液(H)を用いた以外は、実施例1と同様に実施することで、液晶配向剤(9)を得た。
ポリイミド樹脂粉末(A)の代わりに、ポリイミド樹脂粉末(G)〜(K)を用いた以外は、実施例2と同様に実施することで、液晶配向剤(10)〜(14)を得た。
実施例1で得られた液晶配向剤(1)を1.0μmのフィルターで濾過した後、準備された上記電極付き基板と裏面にITO膜が成膜されている高さ4μmの柱状スペーサーを有するガラス基板に、スピンコート法により塗布した。80℃のホットプレート上で5分間乾燥させた後、230℃の熱風循環式オーブンで20分間焼成を行い、膜厚100nmの塗膜を形成させた。この塗膜面に偏光板を介して消光比26:1の直線偏光した波長254nmの紫外線を0.25J/cm2照射した。この基板を、純水:2−プロパノール=1/1の混合溶液に3分間浸漬させ、次いで純水に1分間浸漬させ、230℃のホットプレート上で14分間乾燥させて、液晶配向膜付き基板を得た。
液晶配向剤(1)の代わりに、それぞれ、表3に示した液晶配向剤を用い、また、紫外線の照射量、及び浸漬溶液を表3に示したものにした以外は、実施例9と同様の方法でFFS駆動液晶セルを作製し、長期交流駆動による残像評価を実施した。それぞれにおける長期交流駆動後におけるこの液晶セルの角度Δの値を、表3に示す。
上記の液晶配向剤(1)を1.0μmのフィルターで濾過した後、準備された上記電極付き基板と裏面にITO膜が成膜されている高さ4μmの柱状スペーサーを有するガラス基板に、スピンコート法により塗布した。80℃のホットプレート上で5分間乾燥させた後、230℃の熱風循環式オーブンで20分間焼成を行い、膜厚100nmの塗膜を形成させた。この塗膜面に偏光板を介して消光比26:1の直線偏光した波長254nmの紫外線を0.25J/cm2照射した後、純水:2−プロパノール=1/1の混合溶液に5分間浸漬させ、次いで純水に1分間浸漬させた230℃のホットプレート上で14分間加熱して、液晶配向膜付き基板を得た。この基板を鉛筆硬度試験法(JIS K5400)で測定した結果、3Hであった。
液晶配向剤(1)の代わりに、それぞれ、表4に示した液晶配向剤を用い、また、紫外線の照射量、及び浸漬溶液を表4に示したものにした以外は、実施例17と同様にして鉛筆硬度試験用のサンプルをそれぞれ作製した。それぞれの鉛筆硬度試験の評価を行った結果を、表4に示す。
実施例1で得られた液晶配向剤(1)を1.0μmのフィルターで濾過した後、30mm×40mmのITO基板に、スピンコート法により塗布した。80℃のホットプレート上で2分間乾燥させた後、230℃の熱風循環式オーブンで14分間焼成を行い、膜厚100nmの塗膜を形成させた。この塗膜面にロール径120mmのラビング装置を用いて、ロール回転数300rpm、ロール進行速度20mm/sec、押し込み量0.1mmの条件で、レーヨン布でラビング処理して、純水に1分間浸漬させて超音波洗浄し、80℃の熱循環オーブンで乾燥させ、液晶配向膜付き基板を得た。
液晶配向剤(1)の代わりに、それぞれ、表5に示した液晶配向剤を用い、また、紫外線の照射量、及び浸漬溶液を表5に示したものにした以外は、実施例26と同様の方法で密着性評価用のサンプルを作製した。密着性の評価を行った結果を、表5に示す。
合成例29で得られたポリイミド樹脂粉末(M)1.80gを100ml三角フラスコに取り、固形分濃度が15%になるようにNMPを10.2g加え、70℃で24時間撹拌し溶解させてポリイミド溶液(M)を得た。このポリイミド溶液にAD−1を0.09g、NMPを2.90g、GBLを9.00g、BCSを6.00g添加し、室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(15)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出等の異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
実施例34と同様にして得られた15質量%のポリイミド溶液(M)6.00gと合成例25で得られた15質量%のポリアミック酸溶液(N)6.00gを100ml三角フラスコに取り、AD−1を0.09g、NMPを2.90g、GBLを9.00g、BCSを6.00g添加して室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(16)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出等の異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
合成例30で得られたポリイミド樹脂粉末(O)1.80gを100ml三角フラスコに取り、固形分濃度が15%になるようにNMPを10.2g加え、70℃で24時間撹拌し溶解させてポリイミド溶液(O)を得た。このポリイミド溶液にAD−1を0.09g、NMPを2.90g、GBLを9.00g、BCSを6.00g添加し、室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(17)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出等の異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
実施例36と同様にして得られた15質量%のポリイミド溶液(O)6.00gと合成例5で得られた15質量%のポリアミック酸溶液(E)6.00gを100ml三角フラスコに取り、AD−1を0.09g、NMPを2.90g、GBLを9.00g、BCSを6.00g添加して室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(18)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出等の異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
ポリイミド樹脂粉末(M)の代わりに、ポリイミド樹脂粉末(Q)〜(P)を用いた以外は、実施例34と同様に実施することで、液晶配向剤(19)〜(20)を得た。
液晶配向剤(1)の代わりに、それぞれ、表3−2に示した液晶配向剤を用い、また、紫外線の照射量、及び浸漬溶液を表3−2に示したもの以外は、実施例9と同様の方法でFFS駆動液晶セルを作製し、長期交流駆動による残像評価を実施した。それぞれにおける長期交流駆動後におけるこの液晶セルの角度Δの値を、表3−2に示す。
液晶配向剤(1)の代わりに、それぞれ、表4−2に示した液晶配向剤を用い、また、紫外線の照射量、及び浸漬溶液を表4−2に示したものにした以外は、実施例17と同様にして鉛筆硬度試験用のサンプルをそれぞれ作製した。それぞれの鉛筆硬度試験の評価を行った結果を、表4−2に示す。
液晶配向剤(1)の代わりに、それぞれ、表5−2に示した液晶配向剤を用い、また、紫外線の照射量、及び浸漬溶液を表5−2に示したものにした以外は、実施例26と同様の方法で密着性評価用のサンプルを作製した。密着性の評価を行った結果を、表5−2に示す。
Claims (9)
- 下記式(1)で表されるテトラカルボン酸二無水物及びその誘導体から選ばれる少なくとも1種類と、下記式(2)で表されるテトラカルボン酸二無水物及びその誘導体から選ばれる少なくとも1種類と、を含有するテトラカルボン酸誘導体成分と、下記式(3)及び(4)から選ばれる少なくとも1種類のジアミンを含有するジアミン成分と、から得られ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選ばれる少なくとも1種の重合体を含有することを特徴とする液晶配向剤。
- 前記式(2)で表されるテトラカルボン酸二無水物又はその誘導体の割合が、全テトラカルボン誘導体成分1モルに対して1〜30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。
- X1の構造が前記式(X1−12)であることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載の液晶配向剤。
- X2の構造が前記式(X2−1)で表されることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか1項に記載の液晶配向剤。
- 請求項1から請求項6の何れか1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。
- 請求項7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。
- 前記液晶表示素子が、横電界で液晶を駆動するものであることを特徴とする請求項8に記載の液晶表示素子。
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