JPWO2019142927A1 - 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
Description
上記のような光配向法は、ラビングレス配向処理方法として、工業的にも簡便な製造プロセスで生産できるだけでなく、IPS駆動方式やフリンジフィールドスイッチング(以下、FFS)駆動方式の液晶表示素子においては、ラビング処理法で得られる液晶配向膜に比べて、液晶表示素子のコントラストや視野角特性の向上が期待できるため、有望な液晶配向処理方法として注目されている。
従って、本発明は、膜硬度が高く、IPS駆動方式やFFS駆動方式の液晶表示素子で発生する長期交流駆動による残像が抑制出来、且つ、液晶表示素子のコントラストが良好な液晶表示素子を得るための液晶配向剤、該液晶配向剤から得られる液晶配向膜、該液晶配向膜を有する液晶表示素子を提供することを目的とする。
1.下記(A)成分、(B)成分、および有機溶剤を含有することを特徴とする液晶配向剤。
(A)成分:下記式(1)の構造単位を有するポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体のイミド化重合体からなる群から選ばれる少なくとも1種類の重合体
(B)成分:下記式(2)の構造を2つ以上有する化合物
(A)成分:下記式(1)の構造単位を有するポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体のイミド化重合体からなる群から選ばれる少なくとも1種類の重合体
(B)成分:下記式(2)の構造を2個以上有する化合物
以下、それぞれの成分について詳述する。
本発明の液晶配向剤に含まれる(A)成分は、下記式(1)の構造単位を有するポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体のイミド化重合体からなる群から選ばれる少なくとも1種類の重合体である。ポリイミド前駆体としては、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステルなどの加熱又は触媒による化学イミド化によって、イミド環を形成するポリイミド前駆体であれば、特に限定されない。加熱、又は化学イミド化が進行しやすいという観点から、ポリイミド前駆体としては、ポリアミック酸、またはポリアミック酸エステルがより好ましい。
R1におけ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、i−プロピル基、n−ブチル基、i−ブチル基、s−ブチル基、t−ブチル基、n−ペンチル基などが挙げられる。加熱によるイミド化のしやすさの観点から、R1は、水素原子、又はメチル基が好ましい。
A1及びA2はそれぞれ独立して水素原子、又は炭素数1〜10のアルキル基、置換基を有してもよい炭素数2〜10のアルケニル基、置換基を有してもよい炭素数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、上記の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、より具体的には、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、前記のアルキル基に存在する1つ以上のCH2−CH2構造をC≡C構造に置き換えたものが挙げられ、より具体的には、エチニル基、1−プロピニル基、2−プロピニル基などが挙げられる。
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、A1及びA2としては、水素原子、又は炭素数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。
以下、重合体をなす原料となる各成分について詳述する。
本発明の液晶配向剤に用いられるジアミン成分は、特にその構造は限定されない。
上記式(1)の構造を持つ重合体の重合に用いられるジアミンは以下の式(3)で一般式化出来る。Y1の構造を例示すると、以下の(Y−1)〜(Y−184)の通りである。
ポリマーの溶解性が向上するという観点で、Y1の構造中に、下記式(6)で表される構造を含むことが好ましい。
上記式(6)の構造を含むジアミンの含有量は、全ジアミン成分1モルに対して、0〜50モル%が好ましく、5〜30モル%がより好ましい。
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。
<(B)成分>
本発明の液晶配向剤に含有される(B)成分は、下記式(2)の構造を2つ以上有する化合物である。
(B)成分は、下記式(2)で表される構造を2つ以上含めば、その構造は、特に、限定されない。分子量が高すぎると、液晶配向性の影響を与えるため、分子量2,000以下が好ましく、1,000以下がより好ましい。
Z2は、水素原子、又は、炭素数1〜4のアルキル基、炭素数2〜6のアルケニル基、又は、炭素数2〜6のアルキニル基である。架橋反応性の観点から、水素原子がより好ましい。「*」は結合手を示す。
(B)成分としては、上記式(2)で表される構造を2つ以上有する化合物が好ましく、3つ以上有する化合物がより好ましい。
また、(B)成分としては、下記式(B1−1)で表される構造を2つ以上有する化合物であることが好ましい。
<ポリアミック酸エステル、ポリアミック酸及びポリイミドの製造方法>
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、ポリアミック酸及びポリイミドは、例えば、国際公開公報WO2013/157586に記載されるような公知の方法で合成出来る。
本発明に用いられる液晶配向剤は、前記した(A)成分であるポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体のイミド化重合体からなる群から選ばれる少なくとも1種類の重合体(以下、特定構造の重合体とする)及び(B)成分の化合物が有機溶媒中に溶解された溶液の形態を有する。特定構造重合体の分子量は、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>
<液晶配向膜の製造方法>
本発明の液晶配向膜は、上記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、アクリル基板、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ができ、液晶駆動のためのITO電極等が形成された基板を用いることがプロセスの簡素化の点から好ましい。また、反射型の液晶表示素子では片側の基板のみにならばシリコンウ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ニウム等の光を反射する材料も使用できる。
ラビング処理は既存のラビング装置を利用して行うことができる。この際のラビング布の材質としては、コットン、ナイロン、レーヨンなどが挙げられる。ラビング処理の条件としては一般に、回転速度300〜2,000rpm、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。
汎用性や安全性の点から、水、2−プロパノール、1−メトキシ−2−プロパノール及び乳酸エチルからなる群から選ばれる少なくとも1種がより好ましい。水、2−プロパノール、及び水と2−プロパノールの混合溶媒が特に好ましい。
さらに、上記で溶媒による接触処理をした膜は、溶媒の乾燥及び膜中の分子鎖の再配向を目的に150℃以上で加熱してもよい。
加熱の温度としては、150〜300℃が好ましい。温度が高いほど、分子鎖の再配向が促進されるが、温度が高すぎると分子鎖の分解を伴う恐れがある。そのため、加熱温度としては、180〜250℃がより好ましく、200〜230℃が特に好ましい。
加熱する時間は、短すぎると分子鎖の再配向の効果が得られない可能性があり、長すぎると分子鎖が分解してしまう可能性があるため、10秒〜30分が好ましく、1分〜10分がより好ましい。
本発明の液晶表示素子は、前記液晶配向膜の製造方法によって得られた液晶配向膜を具備することを特徴とする。
本発明の液晶表示素子は、本発明の液晶配向剤から前記液晶配向膜の製造方法によって液晶配向膜付きの基板を得た後、公知の方法で液晶セルを作製し、それを使用して液晶表示素子としたものである。
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: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−3:p−フェニレンジアミン
DA−4:下記式(DA−4)参照
DA−5:4,4’ジアミノジフェニルアミン
DA−6:4,4’ジアミノジフェニルメタン
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
AD−1:下記式(AD−1)参照
AD−2:下記式(AD−2)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。
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。
上記式において、xはアミド酸の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はポリアミド酸(イミド化率が0%)の場合におけるアミド酸のNH基プロトン1個に対する基準プロトンの個数割合である。
フリンジフィールドスィッチング(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。
上記した液晶セルを偏光軸が直交するように配置された2枚の偏光板の間に設置し、電圧無印加の状態でバックライトを点灯させておき、透過光の輝度が最も小さくなるように液晶セルの配置角度を調整した。その後、電圧無印加の状態での透過光の輝度(黒輝度)を輝度計(TOPCON製SR−UL2)を用いて測定した。
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、塗膜面に偏光板を介して消光比10:1以上の直線偏光した波長254nmの紫外線を照射した後、230℃の熱風循環式オーブンで20分間焼成を行い、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。
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3.91g(16.0mmol)、DA−2を2.19g(6.41mmol)、DA−3を0.519g(4.80mmol)、DA−4を1.54g(4.81mmol)を取り、NMPを46.2g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5.70g(25.4mmol)、CA−2を1.20g(4.80mmol)添加し、更に固形分濃度が15質量%になるようにNMPを39.1g加え、40℃で24時間撹拌してポリアミック酸溶液(A)(粘度:450mPa・s)を得た。ポリアミック酸の分子量は、Mn=11200、Mw=26900であった。
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−5を5.10g(25.6mmol)、DA−6を1.27g(6.41mmol)を取り、NMPを36.1g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−2を4.00g(16.0mmol)、CA−3を4.42g(15.0mmol)添加し、更に固形分濃度が15質量%になるようにNMPを47.7g加え、50℃で24時間撹拌してポリアミック酸溶液(B)(粘度:904mPa・s)を得た。ポリアミック酸の分子量は、Mn=14600、Mw=37500であった。
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4.89g、ピリジンを1.51g加えて、50℃で2時間30分加熱し、化学イミド化を行った。得られた反応液を154mL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、154mL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64%であり、Mn=9900、Mw=20000であった。
合成例3で得られたポリイミド樹脂粉末(A)3.00gを100mL三角フラスコに取り、固形分濃度が12%になるようにNMPを22.0g加え、70℃で24時間撹拌し溶解させてポリイミド溶液(A)を得た。
合成例4で得られたポリイミド溶液(A)3.80gと合成例2で得られたポリアミック酸溶液(B)4.56gを100mL三角フラスコに取り、AD−1を0.114g、NMPを1.64g、GBLを6.00g、BCSを4.00g添加して室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(1)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出などの異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
合成例4で得られたポリイミド溶液(A)3.80gと合成例2で得られたポリアミック酸溶液(B)4.56gを100mL三角フラスコに取り、NMPを1.64g、GBLを6.00g、BCSを4.00g添加して室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(2)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出などの異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
合成例4で得られたポリイミド溶液(A)3.80gと合成例2で得られたポリアミック酸溶液(B)4.56gを100mL三角フラスコに取り、AD−2を0.114g、NMPを1.64g、GBLを6.00g、BCSを4.00g添加して室温で3時間撹拌し、液晶配向剤(1)を得た。この液晶配向剤に、濁りや析出などの異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
<実施例2>
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2分間乾燥させ、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、230℃の熱風循環式オーブンで20分間焼成を行い、膜厚100nmの液晶配向膜付き基板を得た。
得られた上記2枚の基板を一組とし、基板上にシール剤を印刷し、もう1枚の基板を、液晶配向膜面が向き合い配向方向が0°にな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MLC−3019(メルク社製)を注入し、注入口を封止して、液晶セルを得た。その後、得られた液晶セルを110℃で1時間加熱し、一晩放置してから黒輝度の評価を実施した。この液晶セルの電圧無印加状態での透過光の輝度は27cd/m2であった。
液晶配向剤(1)の代わりに、それぞれ、表1に示した液晶配向剤を用いた以外は、実施例2と同様の方法で液晶セルを作製し、黒輝度の評価を実施した。それぞれ得られた液晶セルの電圧無印加状態での透過光の輝度を、表1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、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2分間乾燥させ、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、230℃の熱風循環式オーブンで20分間焼成を行い、膜厚100nmの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2に示した液晶配向剤を用いた以外は、実施例3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2に示す。
Claims (12)
- 下記(A)成分、(B)成分、および有機溶剤を含有する液晶配向剤。
(A)成分:下記式(1)の構造単位を有するポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体のイミド化重合体からなる群から選ばれる少なくとも1種類の重合体
(B)成分:下記式(2)の構造を2個以上有する化合物
- (B)成分が、前記重合体に対して0.1〜20質量%含有される請求項1に記載の液晶配向剤。
- 請求項1から請求項9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。
- 請求項10に記載の液晶配向膜を具備する液晶表示素子。
- 請求項10に記載の液晶配向膜を具備する横電界駆動型液晶表示素子。
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