JP6638398B2 - 新規な液晶配向剤、液晶配向膜、及び液晶表示素子 - Google Patents
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Description
一般に、基板の片側のみに電極を形成させ、基板と平行方向に電界を印加する横電界方式では、従来の上下基板に形成された電極に電圧を印加して液晶を駆動させる縦電界方式と比べ、広い視野角特性を有し、高品位な表示が可能な液晶表示素子として知られている。液晶を一定方向に配向させるための手法としては、基板上にポリイミド等の高分子膜を形成し、この表面を布で擦る、いわゆるラビング処理を行う方法があり、工業的にも広く用いられてきた。
また、液晶配向性、ラビング耐性、光透過率に優れ、広い温度範囲での残像低減に有効な液晶配向膜を形成する手段として、特許文献4には、特定ジアミンと芳香族テトラカルボン酸誘導体を含むことを特徴とする液晶配向剤が開示されている。
また、液晶配向性が高く傾斜配向角が低い液晶配向膜を得るための手段として、特許文献5には、特定ジアミンを含むポリイミド前駆体を含む液晶配向処理剤が開示されている。
本発明は、電圧保持率及びラビング耐性が高く、蓄積した電荷を速く緩和させることができ、特に横電界駆動方式で問題となる、ラビング方向と液晶の配向方向のずれを抑制することができる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。
1.下記式(1)の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成分を反応させて得られるポリイミド前駆体、及び該ポリイミド前駆体を閉環させて得られるポリイミドからなる群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。
(R1は水素、又は1価の有機基を表す。Q1は炭素数1乃至5のアルキレンを表す。Cyはアゼチジン、ピロリジン、ピペリジン又はヘキサメチレンイミンからなる脂肪族へテロ環を表す2価の基であり、これらの環部分に置換基が結合されていてもよい。R2及びR3は、それぞれ独立に1価の有機基である。q及びrは、それぞれ独立に0〜4の整数である。但し、qとrの合計が2以上の場合、複数のR2及びR3は、上記定義を有する。)
3.X1が、以下の式(X-1)〜(X-14)である、上記2に記載の液晶配向剤。
4.式(1)で表されるジアミンの割合は、全ジアミン成分1モルに対して、30〜100モル%である、上記1〜3のいずれかに記載の液晶配向剤。
(R1は水素原子、メチル基、又はtert−ブトキシカルボニル基である。R2は水素原子又はメチル基である。Q1は炭素数1〜5の直鎖アルキレンである。)
7.焼成後の膜厚が、5〜300nmである、上記6に記載の液晶配向膜。
8.上記6又は7に記載の液晶配向膜を有することを特徴とする液晶表示素子。
11.R1が、炭素数1乃至3の直鎖アルキル基、水素原子、又はtert−ブトキシカルボニル基であり、Cyがピロリジン又はピペリジン環である、上記10に記載のジアミン。
12.下記式(2)で表されるジアミン。
(R1、R2、Q1は上記5に定義した通りである。)
13.上記9〜12のいずれかに記載の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成分を反応させて得られるポリイミド前駆体、及び該ポリイミド前駆体を閉環させて得られるポリイミドからなる群から選ばれる少なくとも1種の重合体。
本発明の液晶配向剤は、本発明の新規なジアミンを原料とするポリイミド前駆体、及び該ポリイミド前駆体を閉環させて得られるポリイミドからなる群から選ばれる少なくとも1種の重合体を含有する。
本発明の液晶配向剤は、下記式(1)の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成分を反応させて得られるポリイミド前駆体、及び該ポリイミド前駆体を閉環させて得られるポリイミドからなる群から選ばれる少なくとも1種の重合体を含有する。
上記式(9)において、X1はテトラカルボン酸誘導体に由来する4価の有機基であり、Y1は式(1)のジアミンに由来する2価の有機基であり、R4は水素原子又は炭素数1〜5のアルキル基である。
R1は、水素又は1価の有機基を表し、好ましくは、水素原子、又は炭素数1〜3の直鎖アルキル基であり、より好ましくは水素原子、又はメチル基である。
また、R1は、熱により脱離反応を生じ、水素原子に置き換わる保護基であってもよい。液晶配向剤の保存安定性の点から、この保護基は、室温においては脱離せず、好ましくは、80℃以上、より好ましくは100℃以上、特に好ましくは150〜200℃で脱離し、水素原子になるのが好適である。例えば、1,1−ジメチル−2−クロロエトキシカルボニル基、1,1−ジメチル−2−シアノエトキシカルボニル基、tert−ブトキシカルボニル基等が挙げられ、好ましくはtert]−ブトキシカルボニル基である。
R2及びR3は、それぞれ独立に、1価の有機基であり、q、rは、それぞれ独立に0〜4の整数である。但し、qとrの合計が2以上の場合、複数のR2及びR3は、上記定義を有する。合成の簡便さから、好ましくは、R2及びR3は、メチル基である。
また、上記ジアミンを構成するベンゼン環におけるアミノ基の結合位置は限定されないが、アミノ基がそれぞれ、Cy上の窒素原子に対して3位、又は、4位、Q1とR1が結合する窒素原子に対して3位、又は、4位の位置にあることが好ましく、Cy上の窒素原子に対して4位、Q1とR1が結合する窒素原子に対して4位の位置にあることがより好ましい。
式(2)において、R1は、水素原子、メチル基、又はtert−ブトキシカルボニル基である。R2は、水素原子又はメチル基である。Q1は、炭素数1〜5の直鎖アルキレンである。
製法[1]
2当量以上のニトロ化合物(3−1)と、脂肪族アミン化合物(3−2)とを反応させることにより、ジニトロ体(3−3)を製造する。さらに必要に応じて、R1からなる1価の有機基を導入し、その後、ニトロ基を還元することで、目的のジアミンを得ることができる。なお、ニトロ化合物(3−1)及び脂肪族アミン化合物(3−2)は、容易に市販品として入手することが可能である。
XがF又はCl原子であり、かつ、NO2基がXに対して2位、又は4位にあれば、適当な塩基の存在下、ハロゲン化アリールと脂肪族アミン化合物とを反応させ、ジニトロ体(3−3)を得ることができる。
使用する塩基は、例えば、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、燐酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、炭酸セシウム等の無機塩基;トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリイソプロピルアミン、トリブチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、ピリジン、キノリン、コリジン等のアミン類;水素化ナトリウム、水素化カリウム等の塩基;を使用できる。
生成物は、再結晶、蒸留、シリカゲルカラムクロマトグラフィー等で精製しても良い。
XがBr又はI原子であれば、NO2基がXに対して2位でも、3位でも、4位でもよく、適当な金属触媒と配位子を含み、塩基存在下でC-Nクロスカップリング反応を用いることで、ジニトロ体を得ることができる。
配位子の例としては、トリフェニルホスフィン、トリ-o-トリルホスフィン、ジフェニルメチルホスフィン、フェニルジメチルホスフィン、1,2-ビス(ジフェニルホスフィノ)エタン、1,3-ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン、1,4-ビス(ジフェニルホスフィノ)ブタン、1,1’-ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン、トリメチルホスファイト、トリエチルホスファイト、トリフェニルホスファイト、トリ-tert-ブチルホスフィン等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
塩基の例としては、前述の塩基を用いることができる。
反応溶媒及び反応温度は、前記の記載に準ずる。
生成物は、再結晶、蒸留、シリカゲルカラムクロマトグラフィー等で精製しても良い。
R1を導入するにあたっては、アミン類と反応が可能な化合物であればよく、例えば、酸ハライド、酸無水物、イソシアネート類、エポキシ類、オキセタン類、ハロゲン化アリール類、ハロゲン化アルキル類が挙げられる。また、アルコールの水酸基を、Oms(メシル基)、OTf(トリフラート基)、OTs(トシル基)等の脱離基に置換したアルコール類等が利用できる。
例えば、適当な塩基存在下で、酸ハライドを反応させる方法が挙げられる。
酸ハライドの例としては、アセチルクロリド、プロピオン酸クロリド、クロロギ酸メチル、クロロギ酸エチル、クロロギ酸n‐プロピル、クロロギ酸i‐プロピル、クロロギ酸n‐ブチル、クロロギ酸i‐ブチル、クロロギ酸t‐ブチル、クロロギ酸ベンジル、又はクロロギ酸−9‐フルオレニルが挙げられる。
塩基の例としては、前述の塩基を用いることができる。
反応溶媒及び反応温度は、前記の記載に準ずる。
酸無水物の例としては、無水酢酸、無水プロピオン酸、二炭酸ジメチル、二炭酸ジエチル、二炭酸-ジ-ターシャリーブチル、二炭酸ジベンジル等が挙げられる。
反応を促進させるために触媒を入れてもよく、例えば、ピリジン、コリジン、N,N-ジメチル-4―アミノピリジン等を使用してもよい。触媒量は、ジニトロ体(3−3)の使用量(1モル)に対し、0.0001〜1モル、好ましくは0.0005〜0.2モルである。
反応溶媒及び反応温度は、前記の記載に準ずる。
NH基にイソシアネート類を反応させてR1を導入させてもよい。
イソシアネート類の例としては、メチルイソシアネート、エチルイソシアネート、n-プロピルイソシアネート、フェニルイソシアネート等が挙げられる。
反応溶媒及び反応温度は、前記の記載に準ずる。
NH基にエポキシ化合物類やオキセタン化合物類を反応させてR1を導入させてもよい。
エポキシ類やオキセタン類の例としては、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、1,2−ブチレンオキシド、トリメチレンオキシド等が挙げられる。
反応溶媒及び反応温度は、前記の記載に準ずる。
ハロゲン化アリールの例としては、ヨードベンゼン、ブロモベンゼン、クロロベンゼン等が挙げられる。
金属触媒の例としては、酢酸パラジウム、塩化パラジウム、塩化パラジウム-アセトニトリル錯体、パラジウム−活性炭、ビス(ジベンジリデンアセトン)パラジウム、トリス(ジベンジリデンアセトン)ジパラジウム、ビス(アセトニトリル)ジクロロパラジウム、ビス(ベンゾニトリル)ジクロロパラジウム、CuCl、CuBr、 CuI、 CuCN等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
配位子の例としては、トリフェニルホスフィン、トリ-o-トリルホスフィン、ジフェニルメチルホスフィン、フェニルジメチルホスフィン、1,2-ビス(ジフェニルホスフィノ)エタン、1,3-ビス(ジフェニルホスフィノ)プロパン、1,4-ビス(ジフェニルホスフィノ)ブタン、1,1’-ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセン、トリメチルホスファイト、トリエチルホスファイト、トリフェニルホスファイト、トリ-tert-ブチルホスフィン等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
塩基の例としては、前述の塩基を用いることができる。
反応溶媒及び反応温度は、前記の記載に準ずる。
アルコール類の例としては、メタノール、エタノール、1-プロパノール等が挙げられ、これらのアルコール類と、メタンスルホニルクロリド、トリフルオロメタンスルホニルクロリド、パラトルエンスルホン酸クロリド等とを反応させることで、OMs、OTf、OTs等の脱離基に置換されたアルコールを得ることができる。
塩基の例としては、前述の塩基を用いることができる。
反応溶媒及び反応温度は、前記の記載に準ずる。
ハロゲン化アルキル類の例としては、ヨウ化メチル、ヨウ化エチル、ヨウ化n-プロピル、臭化メチル、臭化エチル、臭化n-プロピル等が挙げられる。
塩基の例としては、前述の塩基に加え、カリウム-tert-ブトキシド、ナトリウム-tert-ブトキシド等の金属アルコキシド類を用いることができる。
反応溶媒及び反応温度は、前記の記載に準ずる。
また、Fe, Sn, Zn等の金属、もしくはこれらの金属塩をプロトン源と共に使用して、ニトロ基の還元を行ってもよい。さらに、前記金属と金属塩は、単体もしくは複数混合して使用しても良い。
プロトン源としては、塩酸等の酸、塩化アンモニウム等のアンモニウム塩、メタノール、エタノール等のプロトン性溶媒が使用できる。
これらの溶媒は、反応の起こり易さ等を考慮して適宜選択することができ、1種単独で又は2種以上混合して用いることができる。場合によっては、適当な脱水剤や乾燥剤を用いて溶媒を脱水乾燥して用いることもできる。
反応温度は−100℃から使用する溶媒の沸点までの範囲で任意の温度を選択することができるが、好ましくは−50〜150℃の範囲である。
反応時間は0.1〜1000時間の範囲で任意に選択することができるが、好ましくは0.1〜100時間である。
生成物は、再結晶、蒸留、シリカゲルカラムクロマトグラフィー、活性炭等で精製しても良い。
ニトロ化合物((3−1)、又は(6−1))と、保護基で保護された脂肪族アミン化合物(6−2)を反応させることにより、ニトロ化合物((6−3)、又は(6−4))を得る。その後、脱保護を行った後、ニトロ化合物((3−1)、又は(6−1))を反応させることで以下のジニトロ体((8−1)、又は(8−2))を得る。さらに必要に応じて、製法〔1〕と同様の方法により、NH基にR1で表される1価の有機基を導入し、その後、ニトロ基を還元することで、目的のジアミンを得ることができる。
ニトロ化合物(6−1)と、保護基で保護された脂肪族アミン化合物(6−2)は、容易に市販品として入手することが可能である。
Proは保護基を表し、アセチル基、トリフルオロアセチル基、ピバロイル基、tert-ブトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基、イソプロポキシカルボニル基、2,2,2-トリクロロエトキシカルボニル基、ベンジルオキシカルボニル基、トリメチルシリル基、トリエチルシリル基、ジメチルフェニルシリル基、tert-ブチルジメチルシリル基、tert]-ブチルジエチルシリル基、9-フルオレニルメチルオキシカルボニル基、フタロイル基、アリルオキシカルボニル基、p-トルエンスルホニル基、o-ニトロベンゼンスルホニル基等を表す。
ニトロ化合物((6−3)、又は(6−4))の合成法は、ニトロ化合物((3−1)、又は(6−1))を1当量以上使用して、製法[1]の反応式(3)と同様の方法で実施することが可能である。保護基は、塩基条件によって脱保護されないことが望ましく、反応後の脱保護の容易性と入手性の観点からは、tert-ブトキシカルボニル基が望ましい。
保護基の脱保護の方法としては、特に限定はされないが、酸又は塩基存在下、加水分解後に中和することによって、目的物を得ることが可能である。
使用する酸の例としては、塩酸、硫酸、硝酸、臭化水素酸等の無機酸や蟻酸、酢酸、蓚酸、トリフルオロ酢酸等の有機酸が挙げられる。
使用する塩基の例としては、水酸化ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、燐酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム、炭酸セシウム等の無機塩基、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリイソプロピルアミン、トリブチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、ピリジン、キノリン、コリジン等の有機アミン類等を使用してもよい。
また、塩化アルミニウムや、トリフルオロボランージエチルエーテル錯体等のルイス酸化合物を用いて脱保護を行っても良い。ただし、水素雰囲気下の脱ベンジル化反応は、芳香族ニトロ基のアミノ基への還元が生じるため好ましくない。
ルイス酸の使用等を考慮し、溶媒によっては、適当な脱水剤や乾燥剤を用いて脱水乾燥し、用いることもできる。
反応温度は−100℃から使用する溶媒の沸点までの範囲で任意の温度を選択することができるが、好ましくは−50〜150℃の範囲である。
反応時間は0.1〜1000時間の範囲で任意に選択することができるが、好ましくは0.1〜100時間である。
生成物は、再結晶、蒸留、シリカゲルカラムクロマトグラフィー等で精製しても良い。
ジニトロ体の還元方法も、製法[1]の反応式(5)と同様の反応条件で実施すればよい。
本発明のポリイミド前駆体は、式(1)で表され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成分との反応によって得られるポリイミド前駆体である。ここで、ポリイミド前駆体は、ポリアミック酸又はポリアミック酸エステルである。
テトラカルボン酸誘導体は、酸二無水物や、ジカルボン酸ジエステル、ジエステルジカルボン酸クロリド等を挙げることができる。
ポリアミック酸は、ジアミン成分と酸二無水物を反応することによって得られ、ポリアミック酸エステルは、ジアミン成分とジカルボン酸ジエステル又はジエステルジカルボン酸クロリドとの反応によって得られる。
本発明のポリイミドは、これらポリイミド前駆体を閉環させて得られるポリイミドであり、共に液晶配向膜を得るための重合体として有用である。
上記(9)式において、X1はテトラカルボン酸誘導体に由来する4価の有機基であり、Y1は式(1)のジアミンに由来する2価の有機基であり、R4は水素原子又は炭素数1〜5のアルキル基である。加熱によるイミド化のしやすさの点から、R4は、水素原子、メチル基又はエチル基が好ましい。
X1の具体例を示すならば、下記式(X−1)〜(X−43)の構造が挙げられる。入手性の点から、(X−1)〜(X−14)がより好ましい。
炭素数1〜10の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等が挙げられる。
炭素数2〜10のアルキニル基としては、上記アルキル基に存在する1つ以上のCH2−CH2をC≡Cに置き換えたものが挙げられる。より具体的には、エチニル基、1−プロピニル基、2−プロピニル基等が挙げられる。
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。
上記ジアミンの割合は、全ジアミン成分1モルに対して、好ましくは40〜100モル%であり、より好ましくは60〜100モル%である。
本発明のポリイミド前駆体であるポリアミック酸は、本発明の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成分を反応させて得ることができる。
具体的には、テトラカルボン酸二無水物とジアミンを、有機溶媒の存在下で反応させることによって合成できる。
有機溶媒としては、生成したポリアミック酸が溶解するものであれば特に限定されない。具体例を挙げるならば、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、N−メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、γ−ブチロラクトン等である。また、ポリイミド前駆体の溶解性が高い場合は、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、4−ヒドロキシ−4−メチル−2−ペンタノン又は下記の式(D−1)〜式(D−3)で示される有機溶媒を用いることができる。
これらは単独で使用しても、混合して使用してもよい。さらには、単独ではポリアミック酸を溶解させない溶媒であっても、生成したポリアミック酸が析出しない範囲で、上記溶媒に混合して使用してもよい。また、有機溶媒中の水分は重合反応を阻害し、さらには生成したポリアミック酸を加水分解させる原因となるので、有機溶媒は、なるべく脱水乾燥させたものを用いることが好ましい。
ポリアミック酸の合成時の温度は、−20〜150℃の任意の温度を選択することができるが、好ましくは−5〜100℃の範囲であり、より好ましくは0〜80℃である。
また、反応時間はポリアミック酸の重合が安定する時間より長い範囲で、任意に選択することができるが、好ましくは30分〜24時間であり、より好ましくは1〜12時間である。
ポリアミック酸の合成反応において、ジアミン成分のモル数に対する、テトラカルボン酸二無水物のモル数の比は0.8〜1.2であることが好ましい。通常の重縮合反応と同様に、このモル比が1.0に近いほど、生成するポリアミック酸の分子量は大きくなる。
貧溶媒は、特に限定されないが、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール、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、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール等が好ましい。
本発明のポリイミド前駆体であるポリアミック酸エステルは、以下に示す[1]、[2]又は[3]の製法で製造することができる。
ポリアミック酸エステルは、前記のように製造されたポリアミック酸をエステル化することによって製造できる。
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製造することができる。
エステル化剤としては、精製によって容易に除去できるものが好ましく、N,N−ジメチルホルムアミドジメチルアセタール、N,N−ジメチルホルムアミドジエチルアセタール、N,N−ジメチルホルムアミドジプロピルアセタール、N,N−ジメチルホルムアミドジネオペンチルブチルアセタール、N,N−ジメチルホルムアミドジ−t−ブチルアセタール、1−メチル−3−p−トリルトリアゼン、1−エチル−3−p−トリルトリアゼン、1−プロピル−3−p−トリルトリアゼン、4−(4,6−ジメトキシ−1,3,5−トリアジンー2−イル)−4−メチルモルホリニウムクロリド等が挙げられる。エステル化剤の添加量は、ポリアミック酸の繰り返し単位1モルに対して、2〜6モル当量が好ましい。
溶媒は単独で使用しても、混合して使用してもよい。さらに、ポリイミド前駆体を溶解させない溶媒であっても、生成したポリイミド前駆体が析出しない範囲で、前記溶媒に混合して使用してもよい。また、溶媒中の水分は、重合反応を阻害し、さらには生成したポリイミド前駆体を加水分解させる原因となるので、溶媒は脱水乾燥させたものを用いることが好ましい。
上記の反応に用いる溶媒は、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。製造時の濃度は、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点から、1〜30質量%が好ましく、5〜20質量%がより好ましい。
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本発明のジアミンを含有するジアミン成分から製造することができる。
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製造することができる。
塩基としては、ピリジン、トリエチルアミン、4−ジメチルアミノピリジン等が使用できるが、反応が穏和に進行するためにピリジンが好ましい。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点から、テトラカルボン酸ジエステルジクロリドに対して、2〜4倍モルであることが好ましく、2〜3倍モルがより好ましい。
製造時のポリマー濃度は、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点から、1〜30質量%が好ましく、5〜20質量%がより好ましい。
また、テトラカルボン酸ジエステルジクロリドの加水分解を防ぐため、ポリアミック酸エステルの製造に用いる溶媒は、できるだけ脱水されていることが好ましく、窒素雰囲気中で、外気の混入を防ぐのが好ましい。
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本発明のジアミンを含有するジアミン成分を、重縮合することにより製造することができる。
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、及び有機溶剤の存在下で、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製造することができる。
縮合剤としては、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等が使用できる。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倍モルが好ましく、2〜2.5倍モルがより好ましい。
また、上記反応において、ルイス酸を添加剤として加えることで反応が効率的に進行する。ルイス酸としては、塩化リチウム、臭化リチウム等のハロゲン化リチウムが好ましい。ルイス酸の添加量は、ジアミン成分に対して0〜1.0倍モルが好ましく、0〜0.7倍モルがより好ましい。
上記のようにして得られるポリアミック酸エステルの溶液は、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ることができる。析出を数回行い、貧溶媒で洗浄した後、常温あるいは加熱乾燥して、精製されたポリアミック酸エステル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。
本発明に用いられるポリイミドは、前記ポリイミド前駆体をイミド化することにより製造することができる。
本発明のポリイミドにおいて、アミック酸基、又はアミック酸エステル基の閉環率(イミド化率)は、必ずしも100%である必要はなく、用途や目的に応じて任意に調整すればよい。
ポリイミド前駆体を閉環させる方法としては、触媒を使用せずにポリイミド前駆体を加熱する熱イミド化、触媒を使用する触媒イミド化が挙げられる。
ポリイミド前駆体を熱イミド化させる場合は、ポリイミド前駆体の溶液を、100〜400℃、好ましくは120〜250℃に加熱し、イミド化反応により生成する水又はアルコールを系外に除きながら行う方が好ましい。
塩基性触媒としては、ピリジン、トリエチルアミン、トリメチルアミン、トリブチルアミン、トリオクチルアミン等を挙げることができ、中でも、ピリジンは反応を進行させるのに適度な塩基性を持つので好ましい。
酸無水物としては、無水酢酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸等を挙げることができ、中でも、無水酢酸を用いると、反応終了後の精製が容易となるので好ましい。触媒イミド化によるイミド化率は、触媒量と反応温度、反応時間を調節することにより制御することができる。
液晶配向剤は、液晶配向膜を作製するための塗布液であり、その主成分が、樹脂被膜を形成するための樹脂成分と、この樹脂成分を溶解させる有機溶媒とを含有する組成物である。本発明の液晶配向剤は、樹脂成分として、上記したポリイミド前駆体、及び該ポリイミド前駆体を閉環させて得られるポリイミドからなる群から選ばれる少なくとも1種の重合体が使用される。
液晶配向剤中の樹脂成分は、全てが本発明の重合体であってもよく、また、本発明の重合体以外の他の重合体が混合されていてもよい。かかる他の重合体としては、ジアミン成分として、式(1)で表される以外のジアミンを使用して得られるポリイミド前駆体又はポリイミドが挙げられる。
上記溶媒は、樹脂の溶解性が低い貧溶媒となる。これらの溶媒は、液晶配向処理剤に含有される有機溶媒の5〜60質量%であることが好ましく、より好ましくは10〜50質量%である。
官能性シラン含有化合物やエポキシ基含有化合物などの架橋性化合物を含有させる場合、その量は、いずれも樹脂成分100質量部に対して0.1〜30質量部であることが好ましく、より好ましくは1〜20質量部であり、特に好ましくは1〜10質量部である。
液晶配向膜は、上記液晶配向剤を基板に塗布し、乾燥し、焼成して得られる膜である。
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る。特に、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観点から好ましい。
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。
液晶配向剤を塗布した後の乾燥、焼成工程は、任意の温度と時間を選択することができる。通常は、含有される有機溶媒を十分に除去するために、50〜120℃、好ましくは50〜80℃で、1〜10分、好ましくは3〜5分で乾燥させ、その後、150〜300℃、好ましくは200〜240℃で、5〜120分、好ましくは10〜40分で焼成する。
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。
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。
放射線の照射量は、1〜10,000mJ/cm2が好ましく、100〜5,000mJ/cm2が特に好ましい。上記のようにして作製した液晶配向膜は、液晶分子を一定の方向に安定して配向させることができる。
接触処理に使用する溶媒としては、光照射によって生成した分解物を溶解する溶媒であれば、特に限定されるものではない。具体例としては、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール、アセトン、メチルエチルケトン、1−メトキシ−2−プロパノール、1−メトキシ−2−プロパノールアセテート、ブチルセロソルブ、乳酸エチル、乳酸メチル、ジアセトンアルコール、3−メトキシプロピオン酸メチル、3−エトキシプロピオン酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸シクロヘキシル等が挙げられる。これらの溶媒は、2種以上を併用してもよい。
汎用性や安全性の観点から、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。1−メトキシ−2−プロパノール又は乳酸エチルが特に好ましい。
上記接触処理の後に、使用した溶液中の有機溶媒を除去する目的で、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール、アセトン、メチルエチルケトン等の低沸点溶媒による、すすぎ(リンス)や乾燥のいずれか、又は両方を行ってよい。
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、短すぎると本発明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、1〜10分がより好ましい。
液晶表示素子は、本発明の液晶配向剤から得られる液晶配向膜付きの基板を得た後、既知の方法で液晶セルを作製し、該液晶セルを使用して液晶表示素子としたものである。
液晶セルの作製方法の一例として、パッシブマトリクス構造の液晶表示素子を例にとり説明する。尚、画像表示を構成する各画素部分にTFT(Thin Film Transistor)等のスイッチング素子が設けられた、アクティブマトリクス構造の液晶表示素子であってもよい。
次に、各基板の上に、本発明の液晶配向膜を形成する。次に、一方の基板に他方の基板を、互いの配向膜面が対向するようにして重ね合わせ、周辺をシール材で接着する。シール材には、基板間隙を制御するために、通常、スペーサを混入しておく。また、シール材を設けない面内部分にも、基板間隙制御用のスペーサを散布しておくことが好ましい。シール材の一部には、外部から液晶を充填可能な開口部を設けておく。
液晶材料としては、ポジ型液晶材料及びネガ型液晶材料のいずれを用いてもよい。特に、電圧保持率がポジ型液晶材料よりも低いネガ型液晶材料を用いた場合においても、本発明の液晶配向膜を用いれば、残像特性に優れたものとなる。
(DA−1)の合成
HPLC測定;島津製作所社製 Prominence Series、
NMR測定;
装置:Varian NMR System 400 NB (400 MHz)
基準物質:テトラメチルシラン(TMS)(δ=0.0 ppm)
以降の合成で得られた化合物についても、化合物(11)と同様に、1H−NMR分析により構造を確認した。
1H−NMR(DMSO):
δ=8.05-7.98(m,4H), 7.41(t,1H J=6.8), 7.02(d,2H, J=9.6), 6.68(d,2H, J=9.2), 4.09(d,2H, J=13.6), 3.10(t,2H, J=6.0), 2.98(t,2H, J=12.0), 1.91−1.89(m,1H), 1.89−1.83(m,2H), 1.29−1.19(m,2H).
(DA−2)の合成
(DA−4)の合成
実施例又は比較例において、ポリアミック酸溶液の粘度は、E型粘度計TVE−22H(東機産業社製)を用い、サンプル量は1.1mL、コーンロータはTE−1(1°34’、R24)、温度25℃で測定した。
撹拌装置及び窒素導入管付きの50mLの四つ口フラスコに、DA−1を1.98g(5.00mmol)量り取り、NMPを20.8g加え、窒素を送りながら、撹拌して溶解させた。このジアミン溶液を撹拌しながら、酸二無水物(A)を1.03g(4.75mmol)添加し、更にNMPを5.20g加え、窒素雰囲気下、23℃で3時間撹拌して、ポリアミック酸溶液(PAA−1)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、134mPa・sであった。
撹拌装置及び窒素導入管付きの50mLの四つ口フラスコに、DA−2を2.17g(7.00mmol)量り取り、NMPを24.7g加え、窒素を送りながら、撹拌して溶解させた。このジアミン溶液を撹拌しながら、酸二無水物(A)を1.26g(5.77mmol)添加し、更にNMPを6.19g加え、窒素雰囲気下、23℃で3時間撹拌して、ポリアミック酸溶液(PAA−2)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、150mPa・s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、DA−3を5.16g(20.0mmol)量り取り、NMPを52.2g加え、窒素を送りながら、撹拌して溶解させた。このジアミン溶液を撹拌しながら、酸二無水物(A)を4.17g(19.1mmol)添加し、更にNMPを31.8g加え、窒素雰囲気下、23℃で3時間撹拌して、ポリアミック酸溶液(PAA−3)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、140mPa・s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DA−4を1.42g(5.00mmol)量り取り、NMPを16.7g加え、窒素を送りながら、撹拌して溶解させた。このジアミン溶液を撹拌しながら、酸二無水物(A)を0.948g(4.30mmol)添加し、更にNMPを4.18g加え、窒素雰囲気下、23℃で3時間撹拌して、ポリアミック酸溶液(PAA−4)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、110mPa・sであった。
[液晶セルIの作製]
FFS方式の液晶表示素子の構成を備えた液晶セルを作製する。初めに、電極付きの基板を準備した。基板は、30mm×35mm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、IZO電極が全面に形成されている。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、IZO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、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。
各画素の第1領域と第2領域とを比較すると、それらを構成する画素電極の電極要素の形成方向が異なるものとなっている。すなわち、後述する液晶配向膜のラビング方向を基準とした場合、画素の第1領域では、画素電極の電極要素が+10°の角度(時計回り)をなすように形成され、画素の第2領域では、画素電極の電極要素が−10°の角度(時計回り)をなすように形成されている。すなわち、各画素の第1領域と第2領域とでは、画素電極と対向電極との間の電圧印加によって誘起される液晶の、基板面内での回転動作(インプレーン・スイッチング)の方向が、互いに逆方向となるように構成されている。
初めに、電極付きの基板を準備した。基板は、30mm×40mmの大きさで、厚さが1.1mmのガラス基板である。基板上には、膜厚35nmのITO電極が形成されており、電極は縦40mm、横10mmのストライプパターンである。
次に、液晶配向剤を、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に、スピンコート塗布にて塗布した。次いで、50℃のホットプレート上で5分間乾燥させた。その後、230℃のIR式オーブンで20分間焼成を行い、膜厚100nmの塗膜を形成させて、液晶配向膜付き基板を得た。この液晶配向膜を、レーヨン布でラビング(ローラー直径:120mm、ローラー回転数:1000rpm、移動速度:20mm/sec、押し込み長:0.4mm)した後、純水中にて1分間超音波照射をして洗浄を行い、エアブローにて水滴を除去した。その後、80℃で15分間乾燥して、ラビング処理が施された液晶配向膜付き基板を得た。この液晶配向膜付き基板を2枚用意し、その1枚の液晶配向膜面上に、直径4μmのスペーサー(日揮触媒化成社製)を散布した。その後、その上からシール剤を印刷し、もう1枚の基板を、ラビング方向が逆方向、かつ膜面が向き合うようにして張り合わせた。その後、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ZLI−4792(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、23℃で一晩放置してから各評価に用いた。
液晶セルI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、画素電極と対向電極とを短絡して同電位にした状態で、2枚の偏光板の下から、LEDバックライトを照射しておき、2枚の偏光板の上で測定する、LEDバックライト透過光の輝度が最小となるように、液晶セルの角度を調節した。
次に、この液晶セルに、周波数30Hzの矩形波を印加しながら、23℃の温度下でのV−T特性(電圧−透過率特性)を測定し、相対透過率が23%となる交流電圧を算出した。この交流電圧は、電圧に対する輝度の変化が大きい領域に相当するため、蓄積電荷を、輝度を介して評価するのに都合がよい。
蓄積した電荷の緩和が速いほど、直流電圧を重畳したときの液晶セルへの電荷蓄積も速いことから、蓄積電荷の緩和特性は、直流電圧を重畳した直後の相対透過率が、30%以上の状態から23%に低下するまでに要した時間で評価した。この時間が短いほど、蓄積電荷の緩和特性が良好である。
液晶セルIIに、85℃の温度下で、1Vの電圧を60μsec印加し、50msec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評価した。
オプトメトリクス社製のAxoScanミュラーマトリクスポーラリメーターを用い、液晶セルII内のツイスト角を評価した。本来、ラビング方向と液晶の配向方向が一致するのであれば、液晶セルIIにおいてツイスト角は発生しない。ツイスト角があるということは、ラビング方向と液晶の配向方向が一致していないことを意味する。
液晶配向剤を、全面にITO電極が付いたガラス基板のITO面にスピンコートし、50℃のホットプレート上で、5分間乾燥させた。その後、230℃のIR式オーブンで20分間焼成を行い、膜厚100nmの塗膜を形成させて、液晶配向膜付き基板を得た。この液晶配向膜を、レーヨン布でラビング(ローラー直径:120mm、ローラー回転数:1000rpm、移動速度:20mm/sec、押し込み長:0.4mm)した。本基板を顕微鏡にて観察を行ない、膜面にラビングによるスジがみられなかったものを「良好」、スジがみられたものを「不良」として評価した。
実施例3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、上記のように処理を行い、液晶セルIを作製した。この液晶セルIについて、蓄積電荷の緩和特性を評価した結果、相対透過率が23%に低下するまでに要した時間は2分であり、良好であった。
次に、実施例3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、上記のように処理を行い、液晶セルIIを作製した。この液晶セルIIの評価結果は、電圧保持率は91%、ツイスト角は0.1度であった。
次に、実施例3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、ラビング耐性の評価を行なったところ、スジはみられず良好であった。
実施例4で得られた液晶配向剤(A−2)を用いた以外は、実施例5と同様の方法で液晶セルIを作製した。この液晶セルIについて、蓄積電荷の緩和特性を評価した結果、相対透過率が23%に低下するまでに要した時間は4分であり、良好であった。
次に、実施例4で得られた液晶配向剤(A−2)を用いた以外は、実施例5と同様の方法での液晶セルIIを作製した。この液晶セルIIの評価結果は、電圧保持率は92%、ツイスト角は0.1度であった。
次に、実施例4で得られた液晶配向剤(A−2)を用いた以外は、実施例5と同様にラビング耐性の評価を行なったところ、スジはみられず良好であった。
比較例2で得られた液晶配向剤(B−1)を用いた以外は、実施例5と同様の方法で液晶セルIを作製した。この液晶セルIについて、蓄積電荷の緩和特性を評価した結果、30分経過しても相対透過率は23%に低下せず、不良であった。
次に、比較例2で得られた液晶配向剤(B−1)を用いた以外は、実施例5と同様の方法で液晶セIIを作製した。この液晶セルIIの評価結果は、電圧保持率は40%で、ツイスト角は1.1度であった。
比較例3で得られた液晶配向剤(B−2)を用いた以外は、実施例5と同様にラビング耐性の評価を行なった結果、スジが多くみられ不良であった。
なお、2014年2月13日に出願された日本特許出願2014−025438号の明細書、特許請求の範囲、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 (7)
- 式(2)で表されるジアミンの割合は、全ジアミン成分1モルに対して、30〜100モル%である、請求項1〜3のいずれかに記載の液晶配向剤。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の液晶配向剤から得られる液晶配向膜。
- 膜厚が、5〜300nmである、請求項5に記載の液晶配向膜。
- 請求項5又は6に記載の液晶配向膜を有することを特徴とする液晶表示素子。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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