JP2009527548A - 垂直配向モード液晶表示素子の配向材料及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(a)4−アルキルビシクロ−4−オン化合物を1,3,5−トリブロモベンゼンと反応させて下記の化学式(2)で示される化合物を製造する工程;
(b)前記化学式(2)で示される化合物をパラトルエンスルホン酸1−ハイドレート存在下で脱水させて化学式(3)で示される化合物を製造する工程;
(c)前記化学式(3)で示される化合物をリチウムビス(トリメチルシリル)アミド、(ジベンジリデンアセトン)パラジウム、トリシクロヘキシルホスフィンと共に反応させて下記の化学式(4)で示される化合物を製造する工程:及び
(d)下記の化学式(4)で示される化合物をPd/C触媒存在下で水素還元させてトランス異性体化合物を分離する工程;
を含む化学式(1)に示されるジアミン化合物の製造方法を提供する:
(a)溶媒存在下に、前記化学式(1)で示される側鎖型ジアミン化合物と、下記の化学式(5)で示されるテトラカルボン酸無水物及び化学式(6)で示される側鎖基を有しないジアミン化合物を反応させてポリアミック酸系ブロック共重合体を製造する工程;及び
(b)前記ポリアミック酸系ブロック共重合体を熱処理して脱水閉環反応でポリイミドに変換させる工程;
を含む液晶表示装置の垂直配向剤用ポリイミド樹脂の製造方法を提供する:
また、本発明は、前記液晶配向膜を含む液晶表示素子を提供する。
本発明の液晶配向材料は液晶を均一で垂直に配向させ有機溶媒に対する可溶性及び透明性を顕著に改善することができるように側鎖を設計して前記化学式(1)のようにアルキル鎖族、及び脂肪環系側鎖を有する特徴がある。
窒素雰囲気下で1,3,5−トリブロモベンゼンをエーテルに溶かした溶液に−78℃を超えないように維持しながらn−BuLiを滴加して製造した反応溶液に、4−アルキルビシクロヘキシル−4−オン(A)を加えて撹拌し、化学式(2)で示される4−(3,5−ジブロモフェニル)−4−アルキルビシクロヘキシル−4−オル化合物を得ることができる。この時、化合物(A)と1,3,5−トリブロモベンゼンの含量は当量比で使用する。
前記化学式(2)で示される化合物をパラトルエンスルホン酸、1−ハイドレート存在下で脱水させて、化学式(3)で示される4−(3,5−ジブロモフェニル)−4−アルキルビシクロヘキシル−3−エンを得ることができる。
前記化学式(3)で示される化合物をリチウムビス(トリメチルシリル)アミド、(ジベンジリデンアセトン)パラジウム、トリシクロヘキシルホスフィンと共に反応させて、下記の化学式(4)で示されるジアミン化合物、5−(4−アルキルビシクロヘキシル−3−エン−4−イル)−ベンゼン−1,3−ジアミンを得ることができる。
前記化学式(4)で示される化合物をPd/C触媒存在下において水素還元させ異性体を分離して、化学式(1)で示される最終ジアミン化合物、5−(トランス−4−アルキルビシクロヘキシル−3−エン−4−イル)−ベンゼン−1,3−ジアミン化合物を得ることができる。
(a)溶媒存在下に、前記化学式(1)で示される側鎖型ジアミン化合物と、下記の化学式(5)で示されるテトラカルボン酸無水物及び化学式(6)で示される側鎖基を有しないジアミン化合物を反応させてポリアミック酸系ブロック共重合体を製造する工程;及び
(b)前記ポリアミック酸系ブロック共重合体を熱処理して脱水閉環反応でポリイミドに変換させる工程;
を含むことを特徴とする前記化学式(1)で示されるジアミン化合物を利用してポリイミド樹脂の製造方法及びポリイミド樹脂を提供する:
になるように調節する。また、側鎖基間の長さが液晶分子長軸の長さより1.5〜3.5倍になるように側鎖基がない2価有機基(C)の種類と使用量を決定するのが好ましい。さらに好ましくは、前記化学式(5)で示される化合物のモル数は前記化学式(1)で示される化合物と前記化学式(6)で示される化合物のモル数の合計と同じ量を使用し、前記化学式(1)で示される化合物と化学式(6)で示される化合物の使用量はモル比で1:1〜10であるのが良く、さらに好ましくは2〜4であるのが良い。このような方法で側鎖が優れた垂直配向性を示し溶解性と膜透過性において向上した特性を有することができる特定の構造のポリイミド樹脂を製作することができる。好ましくは、前記ポリイミド樹脂の重量平均分子量が1,000〜200,000であるのが良い。
反応式1によって化学式(1)で示されるジアミン化合物を合成した。各工程別合成方法は次の通りである。
(第1工程)
1,3,5−トリブロモベンゼン 63.0g(0.2mol)をエーテル1400mlに溶かして入れ窒素雰囲気を維持した。この溶液を−78℃で維持したまま2.5M n−ブチルリチウム 80ml(0.2mol)を徐々に滴加した。この反応溶液を−78℃で1時間30分間維持した後、4’−ペンチルビシクロヘキシル−4−オン 50g(0.2mmol)をエーテル50mlに溶かして徐々に滴加した。滴加が終わった後にも−78℃で30分間維持させた。そして室温に到達するまで放置した後、反応混合物を蒸溜水1Lに注ぎ有機層を分離した。水層はエーテルで抽出し有機層は飽和NaCl水溶液で洗い落とした後、残っている水分をMgSO4で乾燥した。溶媒を減圧蒸留して黄色の固体82g(0.149mol)を収率84%として得た。
Mass: 486(M+), 468, 439, 315, 301, 291, 278, 263, 249, 235, 219, 206, 193, 171, 151, 139, 128, 111, 97, 81, 69, 55
4−(3,5−ジブロモフェニル)−4’−ペンチルビシクロヘキシル−4−オル 70g(0.14mol)とパラトルエンスルホン酸一水和物 2.7g(0.014mol)を入れ、トルエンを600ml入れた。この溶液を12時間還流して反応させた。反応終了をTLCプレートで確認した後、飽和NaCl水溶液とエーテルで洗い落として抽出した。残っている水分をMgSO4で乾燥させ減圧蒸留して茶色の液体を得た。ヘキサンを展開液としてカラムクロマトグラフィーをして純粋な無色の液体61g(0.13mol)を収率90%で得た。
Mass: 468(M+), 439, 412, 397, 383, 355, 342, 327, 315, 301, 288, 273, 262, 249, 234, 221, 207, 192, 178, 165, 151, 137, 128, 115, 97, 81, 67, 55
4−(3,5−ジブロモフェニル)−4’−ペンチルビシクロヘキシル−3−エン(4- 100g(0.21mol)、リチウムビス(トリメチルシリル)アミド 85.6g(0.51mol)、トリシクロヘキシルホスフィン 3.0g(0.011mol)、ビス(ジベンジリデンアセトン)パラジウム 6.1g(0.011mol)を入れ、400mlのトルエンを入れた。反応容器内を窒素雰囲気で90℃に維持して12時間反応させた。反応進行をGC/Massで確認した。エーテルを200mlほど入れて反応混合物を薄め、1N塩酸を300mlほど入れて反応を終結した。有機層と水層を1N水酸化ナトリウムとエーテルを利用して洗い抽出して得られた有機層はMgSO4を入れて乾燥後にろ過した。溶媒を減圧蒸留して除去し得られた混合物をメチレンクロライドで再結晶して白い固体39.0g(0.115mol)を収率54%で得た。
Mass: 340(M+), 325, 312, 283, 269, 227, 214, 207, 200, 187, 173, 159, 145, 135, 122, 109, 99, 91, 81, 67, 55
5−(4’−ペンチルビシクロヘキシル−3−エン−4−イル)−ベンゼン−1,3−ジアミン 39g(0.115mol)をベンゼンとエタノールで溶かした後、パラジウム(10質量% on activated carbon)を1.95g入れ4kg/cm2の圧力下で5時間撹拌した。反応終結を確認した後、セルライトを利用してろ過し溶媒を減圧蒸留して薄い茶色の固体を得た。この固体をEAとエタノールで再結晶して、トランス異性体である5−(トランス−4−ペンチルビシクロヘキシル−4−イル)−ベンゼン−1,3−ジアミン 16g(0.047mol)を収率40%で得た。
Mass: 342(M+), 327, 313, 299, 285, 271, 260, 229, 216, 202, 189, 173, 163, 149, 142, 135, 122, 109, 100, 93, 81, 67, 55
1H NMR (CDCl3): 6.00(s, 2H) 5.86(s, 1H) 3.50(s, broad, 4H) 2.25(t, 1H) 1.80(m, 4H) 1.5~1.0(m, 23H) 0.90(m, 3H)
5−(トランス−4−ペンチルビシクロヘキシル−4−イル)−ベンゼン−1,3−ジアミン 17.1g(0.05mol)と4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(ODA) 20.0g(0.1mol)を窒素雰囲気下でN−メチル−2−ピロリドン237.4gに溶かした反応溶液を5℃に維持しながら、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物(BTDA)48.3g(0.15mol)をN−メチル−2−ピロリドン237.4gに溶かした反応溶液で2時間徐々に滴下し、4時間反応させた。この反応溶液を過量の脱イオン水に沈殿させてポリアミック酸を得た。前記ポリアミック酸固体を数回にかけて脱イオン水でミキサーを利用して洗った。以後、50℃の真空オーブンで二日間乾燥してポリアミック酸固形分を収得し、収得された重合体の物性を次の表1に示した。
前記実施例2で利用した4,4’−ジアミノジフェニルエーテルを4,4’−メチレンビス(シクロヘキシルアミン)(PACM)に代替したことを除いては、実施例2と同様な方法でポリアミック酸固形分を収得し、収得された重合体の物性を表1に示した。
前記実施例2で利用した3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物(BTDA)をシス−1,2,3,4−シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物(CPDA)に代替したことを除いては、実施例2と同様な方法でポリアミック酸固形分を収得し、収得された重合体の物性を次の表1に示した。
前記実施例2で利用した3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物(BTDA)をシス−1,2,3,4−シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物(CPDA)に代替し、4,4’−ジアミノジフェニルエーテルを4,4’−メチレンビス(シクロヘキシルアミン)(PACM)に代替したことを除いては、実施例2と同様な方法でポリアミック酸固形分を収得し、収得された重合体の物性を次の表1に示した。
前記実施例2で利用した脂肪環系側鎖ジアミンを4’−(4−ペンチルシクロヘキシル)ビフェニル−3,5−ジアミンに代替したことを除いては、実施例2と同様な方法でポリアミック酸固形分を収得し、収得された重合体の物性を表1に示した。
2枚の基板を一定の間隙(セルギャップ)を置いて対向配置し、2枚の基板周辺部を密封剤を使用して接合し、基板表面及び密封剤によって区画されたセルギャップ内に液晶を注入充填し、注入孔を封止して液晶セルを製作した。このように製作した液晶セルの特性を次の表3に示した。
(1)重合体の重量平均分子量
重合体の重量平均分子量を算出するためにゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)を測定した。60℃でジメチルアセトアミド(Dimethyl acetamide、DMAc)を移動相として高分子物質が充填されたコラムの滞留時間を測定し、スチレン高分子の平均分子量と滞留時間を補正した結果からポリアミック酸固体の平均分子量を計算した。液晶配向剤を構成する重合体は2,000〜1,500,000g/mol程度の重量平均分子量の値を有することが良い。
UV−vis分光器で液体セル内にポリアミック酸溶液を満たしUV−vis領域で透過度に関するグラフを得た。透過度に関するグラフからカットオフ波長を算出した。
文献(D. K. Owens. J. Appl., Pol., Sci. vol13. 1741-1747(1969))に記載されている方法によって液晶配向膜上での測定した純粋な水の接触角とヨード化メチレンの接触角から液晶配向膜の表面自由エネルギー(表面張力)と接触角の関係から得た。接触角はKRSS DSA100を利用して測定し、水及びヨード化メチレンを膜上に滴加し、10秒間の接触角の平均を測定して求めた。
ポリイミド配向膜をガラス基板上にスピナー法で形成させた後、それぞれの有機溶媒に室温で30秒間浸した時の配向膜の溶解性を測定した。それぞれの配向膜はイミド化が100%進められた温度条件で焼成させた。塗布された配向膜が何の変化がない場合‘−’、表面が若干剥離された場合を‘+’、完全に剥離された場合を‘++’と判断した。
文献(T. J. Schffer, et. al., J., Appl., Phys., vol.19, 2013(1980))に記載された方法によってHe−Neレーザー光を使用して結晶回転法によって測定した。
液晶表示素子に電圧をオン、オフさせた時の液晶セル中の異常ドメインの有無を顕微鏡で観察し、異常ドメインがない場合を‘良好’と判断した。
液晶表示素子に5Vの電圧を60マイクロメーター秒間印加した後、印加解除から16.67ミリ秒後の電圧維持率を測定した。
Claims (8)
- (a)4−アルキルビシクロ−4−オン化合物を1,3,5−トリブロモベンゼンと反応させて下記の化学式(2)で示される化合物を製造する工程;
(b)前記化学式(2)で示される化合物をパラトルエンスルホン酸1−ハイドレート存在下で脱水させて化学式(3)で示される化合物を製造する工程;
(c)前記化学式(3)で示される化合物をリチウムビス(トリメチルシリル)アミド、(ジベンジリデンアセトン)パラジウム、トリシクロヘキシルホスフィンと共に反応させて下記の化学式(4)で示される化合物を製造する工程;及び
(d)下記の化学式(4)で示される化合物をPd/C触媒存在下で水素還元させてトランス異性体化合物を分離する工程;
を含む化学式(1)で示されるジアミン化合物の製造方法:
- 溶媒が、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ヘキサメチルホスホアミド、テトラメチレンスルホン、p−クロロフェノール、p−ブロモフェノール、2−クロロ−4−ヒドロキシトルエン、ジオキサン、テトラヒドロフラン(THF)、及びシクロヘキサノンからなる群より選択される1種以上の非活性溶媒である請求項3に記載の液晶表示装置の垂直配向剤用ポリイミド樹脂の製造方法。
- 請求項3記載の製造方法で製造された、重量平均分子量が1,000〜200,000である液晶表示装置の垂直配向剤用ポリイミド樹脂。
- ポリイミド樹脂の側鎖の長さが液晶分子長軸の長さの0.8〜1.5倍であり、側鎖間の長さが液晶分子長軸の長さの1.5〜3.5倍である請求項5に記載の液晶表示装置の垂直配向剤用ポリイミド樹脂。
- 請求項5記載の液晶表示装置の垂直配向剤用ポリイミド樹脂を利用して製造されることを特徴とする液晶配向膜。
- 請求項7記載の液晶配向膜を含むことを特徴とする液晶表示素子。
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