JP7322694B2 - 液晶配向剤、液晶配向膜及び液晶素子 - Google Patents

液晶配向剤、液晶配向膜及び液晶素子 Download PDF

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Description

本発明は、液晶配向剤、液晶配向膜及び液晶素子に関する。
近年、液晶素子は、パーソナルコンピュータや液晶テレビ、カーナビゲーションシステム、携帯電話、スマートフォン、インフォメーションディスプレイ等の表示装置に使用されるだけでなく、例えば光学補償フィルムや調光フィルム等といった多種の用途で使用されている。このような多用途化に伴い、液晶素子の更なる高品質化が求められており、駆動方式や素子構造の改良とともに、液晶素子の構成部材の一つである液晶配向膜の改良が進められている。
液晶素子の性能をさらに改善することを目的として、アミド基(-NH-CO-)等の含窒素構造を有するポリイミドを配向膜材料に用いることが提案されている(例えば特許文献1参照)。特許文献1には、1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物を含むテトラカルボン酸二無水物と、アミド基(-NH-CO-)を有するジアミンを含むジアミン化合物とを反応させて得られるポリアミック酸を液晶配向剤に含有させることが開示されている。
特開2009-294274号公報
アミド基は極性が高く、液晶配向剤の溶剤成分に対する溶解性がさほど良好でない。このため、アミド基等の含窒素構造を有する重合体を配合した液晶配向剤は、基板に対する塗布性に劣り、該液晶配向剤を用いて形成される配向膜の膜厚が均一でないことがある。
液晶配向膜は、一般に、カラーフィルタや透明導電膜が積層された基板上に、重合体成分と溶剤とを含有する液晶配向剤を塗布し、塗布膜から溶剤を除去することにより形成される。このとき、液晶配向剤中の溶剤成分が下層に染み込むことによって下層(例えば着色硬化膜)に含まれる低分子成分等が溶出し、液晶配向膜や液晶層に混入することがある。この場合、下層からの溶出物によって液晶素子の電気特性の低下を招くことが懸念される。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、塗布性に優れ、かつ電気特性が良好な液晶素子を得ることができる液晶配向剤を提供することを一つの目的とする。
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
<1>アミド基、保護されたアミド基、ウレア基及び保護されたウレア基よりなる群から選択される少なくとも1種を有する重合体[P]と、環状カーボネート化合物と、ジアルキレングリコールモノアルキルエーテルと、を含有する、液晶配向剤。
<2>さらに、ジアルキレングリコールジアルキルエーテルを含有する、上記<1>の液晶配向剤。
<3>上記<1>又は<2>の液晶配向剤を用いて形成された液晶配向膜。
<4>上記<3>の液晶配向膜を具備する液晶素子。
本発明の液晶配向剤は、塗布性に優れ、かつ電気特性が良好な液晶素子を得ることができる。
以下に、本開示の液晶配向剤に含まれる各成分、及び必要に応じて任意に配合されるその他の成分について説明する。液晶配向剤は、重合体成分と溶剤成分とを含有し、好ましくは、重合体成分が溶剤成分に溶解されてなる液状の重合体組成物である。
なお、本明細書において「炭化水素基」とは、鎖状炭化水素基、脂環式炭化水素基及び芳香族炭化水素基を含む意味である。「鎖状炭化水素基」とは、主鎖に環状構造を含まず、鎖状構造のみで構成された直鎖状炭化水素基及び分岐状炭化水素基を意味する。ただし、飽和でも不飽和でもよい。「脂環式炭化水素基」とは、環構造としては脂環式炭化水素の構造のみを含み、芳香環構造を含まない炭化水素基を意味する。ただし、脂環式炭化水素の構造のみで構成されている必要はなく、その一部に鎖状構造を有するものも含む。「芳香族炭化水素基」とは、環構造として芳香環構造を含む炭化水素基を意味する。ただし、芳香環構造のみで構成されている必要はなく、その一部に鎖状構造や脂環式炭化水素の構造を含んでいてもよい。
≪重合体成分≫
<重合体[P]>
本開示の液晶配向剤は、アミド基、保護されたアミド基、ウレア基及び保護されたウレア基よりなる群から選択される少なくとも1種の部分構造(以下「特定構造」ともいう)を有する重合体[P]を含有する。重合体[P]が有する特定構造は、例えば下記式(1)で表される。
Figure 0007322694000001
(式(1)中、R及びRは、それぞれ独立に水素原子又は1価の有機基である。mは0又は1である。「*」は、炭化水素基に結合する結合手であることを表す。)
上記式(1)において、R及びRの1価の有機基としては、炭素数1~20の1価の炭化水素基又は保護基が好ましい。1価の炭化水素基としては、1価の鎖状炭化水素基、脂環式炭化水素基及び芳香族炭化水素基が挙げられ、これらのうち、炭素数1~3のアルキル基、シクロヘキシル基又はフェニル基が好ましい。ここで、保護基は、上記式(1)で表される基を不活性な基にしておく官能基である。「保護されたアミド基」は、保護基が脱離することにより基「*-CO-NH-*」(ただし、*は炭化水素基との結合手を表す)を生成する基である。また、「保護されたウレア基」は、保護基が脱離することにより基「*-NH-CO-NH-*」(ただし*は炭化水素基との結合手を表す)を生成する基である。
上記式(1)中の保護基は、熱又は光により脱離する1価の基であることが好ましく、例えばカルバメート系保護基、アミド系保護基、イミド系保護基、スルホンアミド系保護基等が挙げられる。これらのうち、熱による脱離性が高い点で、カルバメート系保護基が好ましく、その具体例としては、tert-ブトキシカルボニル基、ベンジルオキシカルボニル基、1,1-ジメチル-2-ハロエチルオキシカルボニル基、アリルオキシカルボニル基、2-(トリメチルシリル)エトキシカルボニル基等が挙げられる。これらのうち、熱による脱離性に優れ、かつ脱保護した部分の膜中の残存量を少なくできる点で、tert-ブトキシカルボニル基が特に好ましい。
及びRは、水素原子、炭素数1~3のアルキル基又は保護基が好ましく、水素原子、炭素数1~3のアルキル基又はtert-ブトキシカルボニル基が特に好ましい。
重合体[P]としては、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、ポリオルガノシロキサン、ポリエナミン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾオキサゾール前駆体、ポリベンゾオキサゾール、セルロース誘導体、ポリアセタール、重合性不飽和結合含有モノマーに由来する構造単位を有する重合体(以下「重合体Q」ともいう)等を主骨格とする重合体が挙げられる。液晶との親和性や機械的強度が高く、かつ信頼性の高い液晶配向膜を形成できる点で、重合体[P]は、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、ポリオルガノシロキサン、ポリアミド及び重合体Qよりなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、及びポリイミドよりなる群から選択される少なくとも1種を含むことが特に好ましい。
重合体[P]は、特定構造を主鎖中及び側鎖のいずれに有していてもよい。液晶素子の電気特性をより優れたものとする観点から、重合体[P]は、主鎖中に特定構造を有することが好ましい。なお、「主鎖中に特定構造を有する」とは、主鎖のみに特定構造を有する場合と、主鎖と側鎖とに特定構造を有する場合とを含む意味である。ここで、「主鎖」とは、重合体のうち最も長い原子の連鎖からなる「幹」の部分をいう。なお、この「幹」の部分が環構造を含むことは許容される。したがって、「主鎖中に特定構造を有する」とは、特定構造が主鎖の一部分を構成することをいう。「側鎖」とは、重合体の「幹」から分岐した部分をいう。
特定構造を有する重合体を得る方法としては、特定構造を有する単量体を用いて重合する方法が挙げられる。この場合、重合体[P]において、特定構造を有する単量体に由来する構造単位の含有量は、重合体[P]が有する単量体単位の全量に対して、5モル%以上であることが好ましく、10モル%以上であることがより好ましく、15モル%以上であることがさらに好ましく、20モル%以上であることが特に好ましい。また、特定構造を有する単量体に由来する構造単位の含有量は、重合体[P]が有する単量体単位の全量に対して、90モル%以下であることが好ましく、80モル%以下であることがより好ましく、70モル%以下であることがさらに好ましい。
・特定基A
重合体[P]は、重合性炭素-炭素不飽和結合を有する基、光開始剤基及び光配向性基よりなる群から選択される少なくとも1種の基(以下「特定基A」ともいう)をさらに有することが好ましい。こうした特定基Aを有することにより、より安定した液晶配向膜を形成でき、優れた電気特性を示す液晶素子を得ることができる液晶配向膜を形成できる点で好ましい。
特定基Aのうち、重合性炭素-炭素不飽和結合を有する基は、熱又は光によって重合可能な官能基であることが好ましい。重合性炭素-炭素不飽和結合を有する基の具体例としては、例えば(メタ)アクリロイル基、ビニル基、アリル基、ビニルフェニル基、マレイミド基、ビニルオキシ基、エチニル基等が挙げられる。これらのうち、熱による反応性が高い点で、(メタ)アクリロイル基、ビニル基、アリル基、エチニル基又はビニルフェニル基が好ましく、(メタ)アクリロイル基がより好ましい。
重合体[P]において、重合性炭素-炭素不飽和結合を有する基の含有量は、重合体[P]が有する単量体単位の全量に対して、1モル%以上が好ましく、5モル%以上がより好ましく、10モル以上がさらに好ましい。また、重合性炭素-炭素不飽和結合を有する基の含有量は、重合体[P]が有する単量体単位の全量に対して、60モル%以下が好ましく、50モル%以下がより好ましい。
光開始剤基は、光により重合開始能を生じる部位又は光増感作用を持つ部位であり、光開始剤から水素原子を1個又は複数個取り除いた構造を有する基である。ここで、光開始剤とは、可視光線、紫外線、遠紫外線、電子線、X線等の放射線の照射により重合性成分の重合を開始可能な化合物である。重合体[P]が有する光開始剤基は、光照射によってラジカルを発生可能なラジカル重合開始剤から水素原子を取り除いた構造を有する基が好ましく、具体的には、アセトフェノン構造、オキシムエステル構造、ジベンゾイル構造、ベンゾイン構造、ベンゾフェノン構造、アルキルフェノン構造又はアシルフォスフィンオキサイド構造を有する基が好ましい。光開始剤基は、これらの中でも、アルキルフェノン構造又はアセトフェノン構造を有する基であることが好ましい。
光開始剤基のさらなる具体例としては、例えば、2,2-ジメトキシ-1,2-ジフェニルエタン-1-オン、1-ヒドロキシ-シクロヘキシル-フェニル-ケトン、2-ヒドロキシ-2-メチル-1-フェニル-プロパン-1-オン、1-[4-(2-ヒドロキシエトキシ)-フェニル]-2-ヒドロキシ-2-メチル-1-プロパン-1-オン、フェニル2-(メタ)アクリロイルオキシ-2-プロピルケトン、4-イソプロピルフェニル2-(メタ)アクリロイルオキシ-2-プロピルケトン、4-(2-(メタ)アクリロイルオキシエトキシ)-ベンゾイン、4-(メタ)アクリロイルオキシフェニル2-(メタ)アクリロイルオキシ-2-プロピルケトン、4-(メタ)アクリロイルオキシベンゾフェノン等から水素原子を取り除いた構造を有する基が挙げられる。
重合体[P]において、光開始剤基の含有量は、重合体[P]が有する単量体単位の全量に対して、1モル%以上が好ましく、3モル%以上がより好ましく、5モル以上がさらに好ましい。また、光開始剤基の含有量は、重合体[P]が有する単量体単位の全量に対して、50モル%以下が好ましく、40モル%以下がより好ましい。
光配向性基は、光照射による光異性化反応や光二量化反応、光分解反応、光フリース転位反応によって膜に異方性を付与する官能基である。光配向性基の具体例としては、例えばアゾベンゼン又はその誘導体を基本骨格として含むアゾベンゼン含有基、桂皮酸又はその誘導体を基本骨格として含む桂皮酸構造含有基、カルコン又はその誘導体を基本骨格として含むカルコン含有基、ベンゾフェノン又はその誘導体を基本骨格として含むベンゾフェノン含有基、クマリン又はその誘導体を基本骨格として含むクマリン含有基、シクロブタン又はその誘導体を基本骨格として含むシクロブタン含有構造等が挙げられる。これらのうち、光に対する感度が高い点で、桂皮酸構造含有基が好ましく、例えば、下記式(6)で表される部分構造を有する基等が挙げられる。
Figure 0007322694000002
(式(6)中、R21及びR22は、それぞれ独立して水素原子、フッ素原子、シアノ基、炭素数1~3のアルキル基、又は炭素数1~3のフルオロアルキル基であり、R23は、炭素数1~10のアルキル基、アルコキシ基、フルオロアルキル基若しくはフルオロアルコキシ基、フッ素原子又はシアノ基である。kは0~4の整数である。kが2以上の場合、複数のR23は同一の基又は異なる基である。「*」は結合手であることを表す。)
上記式(6)で表される構造において、R21及びR22は、光反応性をより高くできる点で、共に水素原子であるか、又は一方が水素原子であって、他方(好ましくはR22)が炭素数1~3のアルキル基であることが好ましい。R23は、フッ素原子、シアノ基又は炭素数1~5のアルキル基であることが好ましく、フッ素原子、シアノ基又は炭素数1~3のアルキル基であることがより好ましい。kは、0~2が好ましく、0又は1がより好ましい。
得られる液晶素子のプレチルト角制御をより好適に行うことができる点で、上記式(6)中の2つの結合手「*」のうち一方は、炭素数3~20のアルキル基、アルコキシ基、フルオロアルキル基、フルオロアルコキシ基、シアノ基含有アルキル基若しくはシアノ基含有アルコキシ基、又は、ベンゼン環及びシクロヘキサン環の少なくとも一方を有する基に結合していることが好ましい。
重合体[P]において、光配向性基の含有量は、重合体[P]が有する単量体単位の全量に対して、1モル%以上が好ましく、5モル%以上がより好ましく、10モル以上がさらに好ましい。また、光配向性基の含有量は、重合体[P]が有する単量体単位の全量に対して、60モル%以下が好ましく、50モル%以下がより好ましい。
・特定基B
重合体[P]は、3級アミン構造、保護されたアミノ基及び窒素含有芳香族複素環基よりなる群から選択される少なくとも1種の基(以下「特定基B」ともいう)をさらに有することが好ましい。こうした特定基Bを有することにより、より優れた電気特性を示す液晶素子を得ることができる点で好ましい。
特定基Bのうち、3級アミン構造は、下記式(7)で表される部分構造であることが好ましい。
Figure 0007322694000003
(式(7)中、R51は2価の炭化水素基である。R52及びR53は、R52が2価の炭化水素基であってR53が1価の炭化水素基であるか、又はR52とR53とが互いに合わせられてR51及びR52が結合する窒素原子と共に構成される環構造を表す。「*」は結合手であることを示す。)
上記式(7)において、R51及びR52の2価の炭化水素基としては、アルカンジイル基、シクロへキシレン基、フェニレン基等が挙げられる。R53の1価の炭化水素基としては、アルキル基、シクロへキシル基、フェニル基等が挙げられる。R52とR53とが互いに合わせられてR52及びR53が結合する窒素原子と共に構成される環構造としては、ピペリジン構造、ピペラジン構造、ピロリジン構造、ヘキサメチレンイミン構造等が挙げられる。
保護されたアミノ基は、アミノ基が保護基によって保護されており、好ましくは熱により保護基が脱離して1級アミノ基又は2級アミノ基を生成する。なお、保護基の脱離により生成された1級アミノ基又は2級アミノ基は、炭化水素基に結合している。保護基は、熱により脱離する基であることが好ましく、例えばカルバメート系保護基、アミド系保護基、イミド系保護基、スルホンアミド系保護基等が挙げられる。これらのうち、熱による脱離性が高い点、及び脱保護した部分の膜中の残存量を少なくできる点で、tert-ブトキシカルボニル基が好ましい。
窒素含有芳香族複素環基は、窒素含有芳香族複素環の環部分からn個の水素原子を取り除いたn価の基である。該窒素含有芳香族複素環は、環骨格中に窒素原子を1個以上含む芳香環であればよい。また、ヘテロ原子として窒素原子のみを含んでいてもよいし、窒素原子と、窒素原子以外のヘテロ原子(酸素原子、硫黄原子等)とを含んでいてもよい。
窒素含有芳香族複素環基を構成する複素環の具体例としては、例えばピロール環、イミダゾール環、ピラゾール環、トリアゾール環、ピリジン環、ピリミジン環、ピリダジン環、ピラジン環、インドール環、ベンゾイミダゾール環、プリン環、キノリン環、イソキノリン環、ナフチリジン環、キノキサリン環、フタラジン環、トリアジン環、アゼピン環、ジアゼピン環、アクリジン環、フェナジン環、フェナントロリン環、オキサゾール環、チアゾール環、カルバゾール環、チアジアゾール環、ベンゾチアゾール環、フェノチアジン環、オキサジアゾール環等が挙げられる。窒素含有芳香族複素環基において、環部分には置換基が導入されていてもよい。該置換基としては、例えばハロゲン原子、アルキル基、アルコキシ基等が挙げられる。窒素含有芳香族複素環基は、これらの中でも、ピロール環、イミダゾール環、ピラゾール環、トリアゾール環、ピリジン環、ピリミジン環、ピリダジン環又はピラジン環の環部分から水素原子を取り除いた基が好ましい。
重合体[P]において、特性基Bの含有量は、重合体[P]が有する単量体単位の全量に対して、1モル%以上が好ましく、5モル%以上がより好ましく、10モル以上がさらに好ましい。また、光配向性基の含有量は、重合体[P]が有する単量体単位の全量に対して、60モル%以下が好ましく、50モル%以下がより好ましい。なお、重合体[P]が有する特性基Bは、1種のみでもよく、2種以上でもよい。
次に、重合体[P]の好ましい例について詳しく説明する。
<ポリアミック酸>
重合体[P]がポリアミック酸である場合、該ポリアミック酸(以下「ポリアミック酸[P]」ともいう)は、テトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物とを反応させることにより得ることができる。特定構造を有する重合体を得る方法としては、(1)特定構造を有するテトラカルボン酸無水物を用いて重合する方法、(2)特定構造を有するジアミン(以下「特定ジアミン」ともいう)を用いて重合する方法、等が挙げられる。これらのうち、単量体の選択の自由度が高い点で、(2)の方法が好ましい。
(テトラカルボン酸二無水物)
ポリアミック酸[P]の合成に使用するテトラカルボン酸二無水物としては、例えば脂肪族テトラカルボン酸二無水物、脂環式テトラカルボン酸二無水物、芳香族テトラカルボン酸二無水物などを挙げることができる。これらの具体例としては、脂肪族テトラカルボン酸二無水物として、1,2,3,4-ブタンテトラカルボン酸二無水物等を;
脂環式テトラカルボン酸二無水物として、1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、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、2,3,5-トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物、5-(2,5-ジオキソテトラヒドロフラン-3-イル)-3a,4,5,9b-テトラヒドロナフト[1,2-c]フラン-1,3-ジオン、5-(2,5-ジオキソテトラヒドロフラン-3-イル)-8-メチル-3a,4,5,9b-テトラヒドロナフト[1,2-c]フラン-1,3-ジオン、2,4,6,8-テトラカルボキシビシクロ[3.3.0]オクタン-2:4,6:8-二無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物等を;芳香族テトラカルボン酸二無水物として、ピロメリット酸二無水物、4,4’-(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物、エチレングリコールビスアンヒドロトリメート、4,4’-(ヘキサフルオロイソプロピリデン)ジフタル酸無水物、4,4’-カルボニルジフタル酸無水物等を;それぞれ挙げることができるほか、特開2010-97188号公報に記載のテトラカルボン酸二無水物を用いることができる。テトラカルボン酸二無水物としては、1種を単独で又は2種以上組み合わせて使用できる。
ポリアミック酸[P]の合成に使用するテトラカルボン酸二無水物としては、溶剤への溶解性がより高い重合体[P]を得ることができる点で、脂肪族テトラカルボン酸二無水物及び脂環式テトラカルボン酸二無水物よりなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物を含むことが好ましく、脂環式テトラカルボン酸二無水物を含むことがより好ましく、シクロブタン環、シクロペンタン環及びシクロヘキサン環よりなる群から選択される少なくとも1種の環構造を有する脂環式テトラカルボン酸二無水物を含むことがさらに好ましい。脂肪族テトラカルボン酸二無水物及び脂環式テトラカルボン酸二無水物の使用割合(2種以上含む場合には合計量)は、ポリアミック酸[P]の合成に使用するテトラカルボン酸二無水物の全量に対して、20モル%以上とすることが好ましく、40モル%以上とすることがより好ましく、50モル%以上とすることがさらに好ましい。
(ジアミン化合物)
・特定ジアミン
ポリアミック酸の合成に使用するジアミン化合物としては、例えば脂肪族ジアミン、脂環式ジアミン、芳香族ジアミン、ジアミノオルガノシロキサン等を挙げることができる。特定ジアミンは、芳香族ジアミンが好ましく、具体的には下記式(5A)で表される化合物及び下記式(5B)で表される化合物が挙げられる。
Figure 0007322694000004
(式(5A)中、R10、R11及びR12は、それぞれ独立して、単結合、炭素数1~20の2価の炭化水素基、又は炭素-炭素結合間に-O-を有する炭素数2~20の2価の基である。jは1~3の整数である。ただし、j=2又は3の場合、R11は単結合にはならない。R13及びR14は、それぞれ独立して炭素数1~5の1価の有機基である。p1及びp2は、それぞれ独立して0~2の整数である。R、R及びmは、上記式(1)と同義である。)
Figure 0007322694000005
(式(5B)中、Lは単結合又は2価の連結基であり、R17は炭素数1~40の1価の有機基である。m1及びm2は、それぞれ独立して0又は1である。ただし、m1及びm2は同時に0にならない。R及びRは、上記式(1)と同義である。)
上記式(5A)において、R10、R11及びR12の2価の炭化水素基は、液晶素子の電気特性をより良好にする観点から、2価の鎖状炭化水素基又は脂環式炭化水素基であることが好ましく、2価の鎖状炭化水素基がより好ましく、アルカンジイル基がさらに好ましい。R10、R11及びR12の2価の炭化水素基がアルカンジイル基である場合、R10、R11及びR12の炭素数は、1~10が好ましく、1~6がより好ましい。R10、R11及びR12が、炭素-炭素結合間に-O-を有する炭素数2~20の2価の基である場合、該2価の基は、-R15-(O-R16)r-(ただし、R15及びR16は、それぞれ独立してアルカンジイル基であり、rは1~3の整数である。)であることが好ましい。
13及びR14は、炭素数1~5のアルキル基が好ましく、メチル基又はエチル基がより好ましい。p1及びp2は、0又は1が好ましい。jは1又は2が好ましい。
上記式(5B)において、Lの2価の連結基は、炭素数1~5のアルカンジイル基が好ましく、炭素数1~3のアルカンジイル基がより好ましい。R17の1価の有機基としては、炭素数1~40の1価の炭化水素基、該炭化水素基の炭素-炭素結合間にヘテロ原子を含む基、複素環基を有する基等が挙げられる。これらのうち、R17は、炭素数6~20の1価の芳香族炭化水素基又は窒素含有芳香族複素環を有する1価の基であることが好ましい。
特定ジアミンの具体例としては、上記式(5A)で表される化合物として、下記式(5-1)~式(5-17)のそれぞれで表される化合物等を;上記式(5B)で表される化合物として、下記式(5-18)~式(5-31)のそれぞれで表される化合物等を挙げることができる。なお、下記式(5-18)~式(5-22)、式(5-28)、式(5-29)及び式(5-31)のそれぞれで表される化合物を用いることにより、特定基Bとして窒素含有芳香族複素環基を有する重合体[P]を得ることができる。
Figure 0007322694000006
Figure 0007322694000007
(式中、「TMS」はトリメトキシシリル基を表す。)
Figure 0007322694000008
・その他のジアミン
ポリアミック酸[P]の合成に使用されるジアミン化合物は、特定ジアミンのみであってもよいが、特定ジアミンとともに、特定ジアミンとは異なるジアミン(以下「その他のジアミン」ともいう)を使用してもよい。その他のジアミンとしては、脂肪族ジアミン、脂環式ジアミン、芳香族ジアミン、ジアミノオルガノシロキサン等が挙げられる。
その他のジアミンの具体例としては、p-フェニレンジアミン、4,4’-ジアミノジフェニルメタン、4-アミノフェニル-4-アミノベンゾエート、4,4’-ジアミノアゾベンゼン、3,5-ジアミノ安息香酸、1,5-ビス(4-アミノフェノキシ)ペンタン、1,2-ビス(4-アミノフェノキシ)エタン、1,3-ビス(4-アミノフェノキシ)プロパン、1,6-ビス(4-アミノフェノキシ)ヘキサン、ビス[2-(4-アミノフェニル)エチル]ヘキサン二酸、4,4’-ジアミノジフェニルエーテル、2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]プロパン、2,2-ビス(4-アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、1,4-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン、4,4’-ビス(4-アミノフェノキシ)ビフェニル、4,4’-ジアミノジフェニルアミン、1,5-ビス(4-アミノフェニル)ペンタン、2,2’-ジメチル-4,4’-ジアミノビフェニル、2,2’-ビス(トリフルオロメチル)-4,4’-ジアミノビフェニル、4,4’-(フェニレンジイソプロピリデン)ビスアニリン、1,3-ビス(3-アミノプロピル)-テトラメチルジシロキサン、m-キシリレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、4,4’-メチレンビス(シクロヘキシルアミン)等の主鎖型ジアミン;
ドデカノキシ-2,4-ジアミノベンゼン、ペンタデカノキシ-2,4-ジアミノベンゼン、ヘキサデカノキシ-2,4-ジアミノベンゼン、オクタデカノキシ-2,4-ジアミノベンゼン、ペンタデカノキシ-2,5-ジアミノベンゼン、オクタデカノキシ-2,5-ジアミノベンゼン、コレスタニルオキシ-3,5-ジアミノベンゼン、コレステニルオキシ-3,5-ジアミノベンゼン、コレスタニルオキシ-2,4-ジアミノベンゼン、コレステニルオキシ-2,4-ジアミノベンゼン、3,5-ジアミノ安息香酸コレスタニル、3,5-ジアミノ安息香酸コレステニル、3,5-ジアミノ安息香酸ラノスタニル、3,6-ビス(4-アミノベンゾイルオキシ)コレスタン、3,6-ビス(4-アミノフェノキシ)コレスタン、4-(4’-トリフルオロメトキシベンゾイロキシ)シクロヘキシル-3,5-ジアミノベンゾエート、1,1-ビス(4-((アミノフェニル)メチル)フェニル)-4-ブチルシクロヘキサン、3,5-ジアミノ安息香酸=5ξ-コレスタン-3-イル、下記式(E-1)
Figure 0007322694000009
(式(E-1)中、XI及びXIIは、それぞれ独立して、単結合、-O-、*-COO-又は*-OCO-(ただし、「*」はXとの結合手を示す。)であり、Rは炭素数1~3のアルカンジイル基であり、RIIは単結合又は炭素数1~3のアルカンジイル基であり、aは0又は1であり、bは0~2の整数であり、cは1~20の整数であり、dは0又は1である。但し、a及びbが同時に0になることはない。)
で表される化合物等の側鎖型ジアミン等が挙げられる。上記式(E-1)で表される化合物としては、例えば下記式(E-1-1)~式(E-1-4)のそれぞれで表される化合物等が挙げられる。
Figure 0007322694000010
その他のジアミンとして特定基Aを有するジアミンを用いることにより、特定基Aを有するポリアミック酸[P]を製造することができ、特定基Bを有するジアミンを用いることにより、特定基Bを有するポリアミック酸[P]を製造することができる。特定基Aを有するジアミンの具体例としては、下記式(a-1)~式(a-11)のそれぞれで表される化合物等が挙げられる。特定基Bを有するジアミンの具体例としては、2,6-ジアミノピリジン、3,4-ジアミノピリジン、2,4-ジアミノピリミジン、3,6-ジアミノカルバゾール、N-メチル-3,6-ジアミノカルバゾール、N-エチル-3,6-ジアミノカルバゾール、N-フェニル-3,6-ジアミノカルバゾール、3,6-ジアミノアクリジン、上記式(5-18)~式(5-22)、式(5-28)、式(5-29)及び式(5-31)のそれぞれで表される化合物、下記式(b-1)~式(b-18)のそれぞれで表される化合物等が挙げられる。
Figure 0007322694000011
(式中、Lは2価の連結基である。)
Figure 0007322694000012
(式中、R40は炭素数1~20のアルキル基である。Lは2価の連結基である。)
Figure 0007322694000013
Figure 0007322694000014
ポリアミック酸[P]の合成に際し、特定ジアミンの使用割合は、液晶配向剤の塗布性と、液晶素子の電気特性とをバランスよく改善できる点で、ポリアミック酸[P]の合成に使用するジアミン化合物の全量に対して、5モル%以上であることが好ましく、10モル%以上であることがより好ましく、15モル%以上であることがさらに好ましく、20モル%以上であることが特に好ましい。また、特定ジアミンの使用割合は、その他のジアミンの併用による性能改善の効果を得る観点から、90モル%以下であることが好ましく、80モル%以下であることがより好ましく、70モル%以下であることがさらに好ましい。特定ジアミンとしては、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
(ポリアミック酸の合成)
ポリアミック酸[P]は、上記のテトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物とを、必要に応じて分子量調整剤とともに反応させることにより得ることができる。ポリアミック酸[P]の合成反応において、テトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物との使用割合は、ジアミン化合物のアミノ基1当量に対して、テトラカルボン酸二無水物の酸無水物基が0.2~2当量となる割合が好ましい。分子量調整剤としては、例えば無水マレイン酸、無水フタル酸、無水イタコン酸などの酸一無水物、アニリン、シクロヘキシルアミン、n-ブチルアミンなどのモノアミン化合物、フェニルイソシアネート、ナフチルイソシアネートなどのモノイソシアネート化合物等を挙げることができる。分子量調整剤の使用割合は、使用するテトラカルボン酸二無水物及びジアミン化合物の合計100質量部に対して、20質量部以下とすることが好ましい。
ポリアミック酸[P]の合成反応は、好ましくは有機溶媒中で行われる。このときの反応温度は-20℃~150℃が好ましく、反応時間は0.1~24時間が好ましい。反応に使用する有機溶媒としては、例えば非プロトン性極性溶媒、フェノール系溶媒、アルコール、ケトン、エステル、エーテル、ハロゲン化炭化水素、炭化水素等を挙げることができる。具体例としては、N-メチル-2-ピロリドン、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、γ-ブチロラクトン、テトラメチル尿素、ヘキサメチルホスホルトリアミド、m-クレゾール、キシレノール及びハロゲン化フェノールよりなる群から選択される1種以上を反応溶媒として使用するか、あるいはこれらの1種以上と、他の有機溶媒(例えばブチルセロソルブ、ジエチレングリコールジエチルエーテルなど)との混合物を使用することが好ましい。有機溶媒の使用量(a)は、テトラカルボン酸二無水物及びジアミンの合計量(b)が、反応溶液の全量(a+b)に対して、0.1~50質量%になる量とすることが好ましい。
以上のようにして、ポリアミック酸[P]を溶解してなる重合体溶液が得られる。この重合体溶液は、そのまま液晶配向剤の調製に供してもよく、重合体溶液中に含まれるポリアミック酸[P]を単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。
<ポリアミック酸エステル>
重合体[P]がポリアミック酸エステルである場合、該ポリアミック酸エステル(以下「ポリアミック酸エステル[P]」ともいう)は、例えば、[I]ポリアミック酸[P]とエステル化剤とを反応させる方法、[II]テトラカルボン酸ジエステルとジアミン化合物とを反応させる方法、[III]テトラカルボン酸ジエステルジハロゲン化物とジアミン化合物とを反応させる方法、等によって得ることができる。ポリアミック酸エステル[P]は、アミック酸エステル構造のみを有していてもよく、アミック酸構造とアミック酸エステル構造とが併存する部分エステル化物であってもよい。上記[II]及び[III]では、テトラカルボン酸誘導体と、特定ジアミンを含むジアミン化合物とを反応させることが好ましい。ポリアミック酸エステル[P]を溶解してなる反応溶液は、そのまま液晶配向剤の調製に供してもよく、反応溶液中に含まれるポリアミック酸エステル[P]を単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。
<ポリイミド>
重合体[P]がポリイミドである場合、該ポリイミド(以下「ポリイミド[P]」ともいう)は、例えば上記の如くして合成されたポリアミック酸[P]を脱水閉環してイミド化することにより得ることができる。ポリイミド[P]は、その前駆体であるポリアミック酸[P]が有していたアミック酸構造のすべてを脱水閉環した完全イミド化物であってもよく、アミック酸構造の一部のみを脱水閉環し、アミック酸構造とイミド環構造とが併存する部分イミド化物であってもよい。ポリイミド[P]は、イミド化率が20~99%であることが好ましく、30~90%であることがより好ましい。なお、イミド化率は、ポリイミドのアミック酸構造の数とイミド環構造の数との合計に対するイミド環構造の数の占める割合を百分率で表したものである。ここで、イミド環の一部がイソイミド環であってもよい。
ポリアミック酸[P]の脱水閉環は、好ましくはポリアミック酸[P]を有機溶媒に溶解し、この溶液中に脱水剤及び脱水閉環触媒を添加し必要に応じて加熱する方法により行われる。この方法において、脱水剤としては、例えば無水酢酸、無水プロピオン酸、無水トリフルオロ酢酸などの酸無水物を用いることができる。脱水剤の使用量は、ポリアミック酸[P]のアミック酸構造の1モルに対して0.01~20モルとすることが好ましい。脱水閉環触媒としては、例えばピリジン、コリジン、ルチジン、トリエチルアミン等の3級アミンを用いることができる。脱水閉環触媒の使用量は、使用する脱水剤1モルに対して0.01~10モルとすることが好ましい。脱水閉環反応に用いられる有機溶媒としては、ポリアミック酸[P]の合成に用いられるものとして例示した有機溶媒を挙げることができる。脱水閉環反応の反応温度は、好ましくは0~180℃である。反応時間は、好ましくは1.0~120時間である。なお、ポリイミド[P]を含有する反応溶液は、そのまま液晶配向剤の調製に供してもよく、ポリイミド[P]を単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。
液晶配向剤の調製に使用する重合体[P]の溶液粘度は、濃度10質量%の溶液としたときに10~800mPa・sの溶液粘度を持つものであることが好ましく、15~500mPa・sの溶液粘度を持つものであることがより好ましい。なお、溶液粘度(mPa・s)は、重合体[P]の良溶媒(例えばγ-ブチロラクトン、N-メチル-2-ピロリドン等)を用いて調製した濃度10質量%の重合体溶液につき、E型回転粘度計を用いて25℃において測定した値である。
重合体[P]のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定したポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは1,000~500,000であり、より好ましくは2,000~300,000である。また、Mwと、GPCにより測定したポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)との比で表される分子量分布(Mw/Mn)は、好ましくは7以下であり、より好ましくは5以下である。なお、液晶配向剤の調製に際し、重合体[P]は1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
本開示の液晶配向剤は、重合体成分として、重合体[P]以外の重合体(以下「その他の重合体」ともいう)を含有していてもよい。その他の重合体は、特定構造を有さない重合体であればよく、主骨格は特に限定されない。その他の重合体としては、例えば、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、ポリオルガノシロキサン、ポリエステル、ポリエナミン、ポリウレア、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾオキサゾール前駆体、ポリベンゾオキサゾール、セルロース誘導体、ポリアセタール、重合性不飽和結合含有モノマーに由来する構造単位を有する重合体等を主骨格とする重合体が挙げられる。
例えば、重合体[P]がポリアミック酸、ポリアミック酸エステル及びポリイミドよりなる群から選択される少なくとも1種である場合、その他の重合体としてポリオルガノシロキサンを配合してもよい。この場合、ポリオルガノシロキサンの側鎖に、光配向性基やプレチルト角付与基等の機能性官能基を導入して重合体[P]と共に液晶配向剤に含有させることにより、ポリオルガノシロキサンが有する機能性官能基により所望の特性を液晶配向膜に付与することが可能となる。その他の重合体を液晶配向剤に含有させる場合、その他の重合体の含有量は、重合体[P]とその他の重合体との合計量に対して、30質量%以下が好ましく、20質量%以下がより好ましい。その他の重合体は、1種が単独で使用されてもよく、2種以上が組み合わされて使用されてもよい。
≪溶剤成分≫
本開示の液晶配向剤は、環状カーボネート化合物と、ジアルキレングリコールモノアルキルエーテルとを含有する。上記重合体[P]を含有する液晶配向剤の溶剤成分として、環状カーボネート化合物とジアルキレングリコールモノアルキルエーテルとを組み合わせて使用することにより、良好な塗布性を示す液晶配向剤を得ることができ、また、電圧保持率が十分に高い液晶素子を得ることができる。
<環状カーボネート化合物>
環状カーボネート化合物は、カーボネート構造(-O-CO-O-)を環骨格に有する化合物であればよく、環員数や置換基の有無等は特に限定されない。環状カーボネート化合物としては、下記式(2)で表される化合物を好ましく使用できる。
Figure 0007322694000015
(式(2)中、R~Rは、それぞれ独立に水素原子又は炭素数1~5の1価の炭化水素基である。nは1~5の整数である。nが2以上の場合、式中の複数のR及び複数のRは、それぞれ独立して上記定義を有する。)
上記式(2)において、R~Rの炭素数1~5の1価の炭化水素基は、炭素数1~5の1価の直鎖状又は分岐状の鎖状炭化水素基であることが好ましい。その具体例としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、tert-ブチル基、n-ペンチル基等の炭素数1~5のアルキル基;ビニル基、アリル基等の炭素数2~5のアルケニル基;エチニル基、プロパ-2-イン-1-イル基等の炭素数2~5のアルキニル基が挙げられる。
~Rは、好ましくは水素原子又は炭素数1~3の鎖状炭化水素基であり、より好ましくは水素原子又は炭素数1若しくは2の鎖状炭化水素基であり、さらに好ましくは水素原子、メチル基、エチル基又はビニル基である。
nは、1~4が好ましく、1~3がより好ましく、1又は2がさらに好ましい。
上記式(2)で表される化合物において、環部分の置換基の数(すなわち、R~Rのうち炭素数1~5の1価の炭化水素基である基の数)は、0~3個が好ましく、0~2個がより好ましい。
環状カーボネート化合物の具体例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、1,2-ブチレンカーボネート、2,3-ブチレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、4-プロピル-1,3-ジオキソラン-2-オン、1,3-ジオキサン-2-オン、4-メチル-1,3-ジオキサン-2-オン、4-エチル-1,3-ジオキサン-2-オン、4,6-ジメチル-1,3-ジオキサン-2-オン等が挙げられる。環状カーボネート化合物としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。環状カーボネート化合物としては、これらのうち、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、1,2-ブチレンカーボネート、2,3-ブチレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート及び1,3-ジオキサン-2-オンよりなる群から選択される少なくとも1種が好ましい。
液晶配向剤において、環状カーボネート化合物の含有割合は、液晶配向剤の塗布性と液晶素子の電気特性とをバランスよく改善する観点から、液晶配向剤に含有される溶剤の全量に対して、0.5質量%以上であることが好ましい。環状カーボネート化合物の含有割合は、より好ましくは2質量%以上であり、さらに好ましくは3質量%以上であり、特に好ましくは5質量%以上である。また、環状カーボネート化合物の含有割合は、上記の観点から、50質量%以下が好ましく、40質量%以下がより好ましく、30質量%以下がさらに好ましく、20質量%以下が特に好ましい。
<ジアルキレングリコールモノアルキルエーテル>
ジアルキレングリコールモノアルキルエーテルは、下記式(3)で表すことができる。
Figure 0007322694000016
(式(3)中、Rは、炭素数1~4のアルキル基である。a1及びa2は、それぞれ独立して1~4の整数である。)
上記式(3)において、Rは、直鎖状が好ましく、炭素数1~3の直鎖状アルキル基が特に好ましい。a1及びa2は、1~3が好ましく、2又は3がより好ましい。
ジアルキレングリコールモノアルキルエーテルの具体例としては、ジメチレングリコールモノメチルエーテル、ジメチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノプロピルエーテル、ジプロピレングリコールモノn-ブチルエーテル等が挙げられる。なお、ジアルキレングリコールモノアルキルエーテルとしては、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
液晶配向剤において、ジアルキレングリコールモノアルキルエーテルの含有割合は、液晶配向剤の塗布性と液晶素子の電気特性とをバランスよく改善する観点から、液晶配向剤に含有される溶剤の全量に対して、1質量%以上であることが好ましい。ジアルキレングリコールモノアルキルエーテルの含有割合は、より好ましくは5質量%以上であり、さらに好ましくは10質量%以上であり、特に好ましくは15質量%以上である。また、ジアルキレングリコールモノアルキルエーテルの含有割合は、上記の観点から、70質量%以下が好ましく、60質量%以下がより好ましく、50質量%以下がさらに好ましく、40質量%以下が特に好ましい。
<ジアルキレングリコールジアルキルエーテル>
本開示の液晶配向剤は、環状カーボネート化合物及びジアルキレングリコールモノアルキルエーテルとともに、ジアルキレングリコールジアルキルエーテルを含有することが好ましい。ジアルキレングリコールジアルキルエーテルを併用することにより、液晶配向剤の塗布性(印刷性)をより優れたものとすることができ、また液晶配向膜の下層とのインターミキシングを抑制する効果が高く、得られる液晶素子の電気特性を優れたものとすることができる点で好適である。ジアルキレングリコールジアルキルエーテルは、下記式(4)で表すことができる。
Figure 0007322694000017
(式(4)中、R及びRは、それぞれ独立して、炭素数1~4のアルキル基である。b1及びb2は、それぞれ独立して1~4の整数である。)
上記式(4)において、R及びRは、直鎖状が好ましく、炭素数1~3の直鎖状アルキル基がより好ましく、メチル基又はエチル基が特に好ましい。b1及びb2は、1~3が好ましく、2又は3がより好ましい。
ジアルキレングリコールジアルキルエーテルの具体例としては、ジメチレングリコールジメチルエーテル、ジメチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエチルエーテル、ジプロピレングリコールジエチルエーテル、ジプロピレングリコールジプロピルエーテル、ジプロピレングリコールジn-ブチルエーテル等が挙げられる。なお、ジアルキレングリコールジアルキルエーテルとしては、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
ジアルキレングリコールジアルキルエーテルの含有割合は、液晶配向剤の塗布性と液晶素子の電気特性とをバランスよく改善する観点から、液晶配向剤に含有される溶剤の全量に対して、1質量%以上であることが好ましい。ジアルキレングリコールジアルキルエーテルの含有割合は、より好ましくは5質量%以上であり、さらに好ましくは10質量%以上であり、特に好ましくは15質量%以上である。また、ジアルキレングリコールジアルキルエーテルの含有割合は、上記の観点から、70質量%以下が好ましく、60質量%以下がより好ましく、50質量%以下がさらに好ましく、40質量%以下が特に好ましい。
溶剤成分としてジアルキレングリコールモノアルキルエーテルとジアルキレングリコールジアルキルエーテルとを使用する場合、ジアルキレングリコールジアルキルエーテル(D1)とジアルキレングリコールジアルキルエーテル(D2)との比率(D1/D2)は、塗布性の改善効果をより高くする観点から、質量比で80/20~20/80の範囲が好ましく、70/30~30/70の範囲がより好ましく、65/35~35/65の範囲がさらに好ましく、60/40~40/60の範囲が特に好ましい。
溶剤としては、環状カーボネート化合物とジアルキレングリコールモノアルキルエーテルのみを用いてもよく、あるいは、環状カーボネート化合物とジアルキレングリコールモノアルキルエーテルとジアルキレングリコールジアルキルエーテルのみを用いてもよいが、これらの混合溶剤にさらに、環状カーボネート化合物、ジアルキレングリコールモノアルキルエーテル及びジアルキレングリコールジアルキルエーテルとは異なる溶剤(以下「他の溶剤」ともいう)を含有させてもよい。他の溶剤としては、液晶配向剤の調製に使用される公知の溶剤を用いることができる。他の溶剤の具体例としては、重合体の溶解性及びレベリング性を改善することが可能な溶剤(以下「第1溶剤」ともいう)、及び濡れ広がり性が良好な溶剤(以下「第2溶剤」ともいう)が挙げられる。
これらの具体例としては、第1溶剤として、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、γ-ブチロラクタム、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、4-ヒドロキシ-4-メチル-2-ペンタノン、ジイソブチルケトン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン等を;
第2溶剤として、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、3-メチル-1-ブタノール、1-ヘキサノール、2-ヘキサノール、ヘプタノール、フェノール、シクロヘキサノール、メチルシクロヘキサノール、ジアセトンアルコール、プロパン-1,2-ジオール、3-メトキシ-1-ブタノール等のアルコール系溶剤;
エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル(ブチルセロソルブ)、プロピレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールメチルエーテル、エチレングリコールエチルエーテル、エチレングリコール-n-プロピルエーテル、エチレングリコール-i-プロピルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)、ジイソペンチルエーテル等のエーテル系溶剤;
酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸n-ブチル、酢酸i-ブチル、酢酸sec-ブチル、酢酸t-ブチル、酢酸3-メトキシブチル、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸n-ブチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸n-ブチル、メチルメトキシプロピオネ-ト、エチルエトキシプロピオネ-ト、エチレングリコールエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールジエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、イソアミルプロピオネート、イソアミルイソブチレート、プロピレングリコールジアセテート等のエステル系溶剤;
アセトン、メチルエチルケトン、メチル-n-プロピルケトン、メチル-n-ブチルケトン、ジエチルケトン、ジ-n-ブチルケトン、メチル-i-ブチルケトン、メチル-n-ペンチルケトン、エチル-n-ブチルケトン、メチル-n-ヘキシルケトン、ジイソブチルケトン、トリメチルノナノン、シクロブタノン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、シクロヘプタノン等のケトン系溶剤等を、それぞれ挙げることができる。なお、他の溶剤としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を混合して使用してもよい。
他の溶剤としては、上記のうち、アルコール系溶剤及びエーテル系溶媒よりなる群から選択される少なくとも1種を使用することが好ましい。また、本開示の液晶配向剤は、膜形成時の加熱をできるだけ低温で行う等の観点から、第1溶剤を実質的に含有しないことが好ましい。具体的には、第1溶剤の含有割合は、液晶配向剤に含有される溶剤の全量に対して、5質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることがより好ましく、0.5質量%以下であることがさらに好ましく、0質量%であることが特に好ましい。
溶剤として他の溶剤を使用する場合、他の溶剤の含有割合(2種以上使用する場合にはその合計量)は、液晶配向剤に含まれる溶剤の全量に対して、90質量%以下が好ましく、80質量%以下がより好ましく、70質量%以下がさらに好ましく、60質量%以下がよりさらに好ましく、50質量%以下が特に好ましい。
≪その他の成分≫
液晶配向剤は、重合体成分及び溶剤成分のほか、必要に応じてその他の成分を含有していてもよい。
<架橋性基含有化合物>
本開示の液晶配向剤は、架橋性基を有する化合物(以下「架橋性基含有化合物」ともいう)をさらに含んでいるとよい。架橋性基含有化合物を含むと、電気特性により優れた液晶素子が得られる点で好適である。架橋性基含有化合物が有する架橋性基としては、環状エーテル基、環状カーボネート基、イソシアネート基、保護イソシアネート基、オキサゾリン基、β-ヒドロキシアルキルアミド基、メルドラム酸基、メチロール基及びアルキルメチロール基よりなる群から選択される少なくとも1種を有する分子量1000以下の化合物であることが好ましい。架橋性基含有化合物1分子が有する架橋性基の数は、2個以上が好ましく、3個以上がより好ましい。架橋性基含有化合物は、これらのうち、環状エーテル基、保護イソシアネート基、β-ヒドロキシアルキルアミド基、メチロール基及びアルキルメチロール基よりなる群から選択される少なくとも1種を有する化合物が好ましく、保護イソシアネート基、β-ヒドロキシアルキルアミド基、メチロール基及びアルキルメチロール基よりなる群から選択される少なくとも1種を有する化合物がさらに好ましい。
架橋性基含有化合物の具体例としては、環状エーテル基を有する化合物として、例えばエチレングリコールジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-m-キシレンジアミン、1,3-ビス(N,N-ジグリシジルアミノメチル)シクロヘキサン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、N,N-ジグリシジル-ベンジルアミン、N,N-ジグリシジル-アミノメチルシクロヘキサン、N,N-ジグリシジル-シクロヘキシルアミン等を;環状カーボネート基を有する化合物として、例えばN,N,N’,N’-テトラ[(2-オキソ-1,3-ジオキソラン-4-イル)エチル]-4,4’-ジアミノジフェニルメタン等を;
イソシアネート基又は保護イソシアネート基を有する化合物として、例えばトリレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、クロルフェニレンジイソシアナート、ヘキサメチレンジイソシアナート、テトラメチレンジイソシアナート、イソホロンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、及びこれらの多価イソシアネートを保護基で保護した保護イソシアネート化合物等を;オキサゾリン基を有する化合物として、例えば2,2'-ビス(4-プロピル-2-オキサゾリン)、2,2'-ビス(4-フェニル-2-オキサゾリン)、1,2-ビス(2-オキサゾリン-2-イル)エタン、1,4-ビス(2-オキサゾリン-2-イル)シクロヘキサン、1,3-ビス(2-オキサゾリン-2-イル)ベンゼン、1,3-ビス(4,5-ジヒドロ-2-オキサゾリル)ベンゼン、1,3-ビス(4-メチル-2-オキサゾリン-2-イル)ベンゼン等を;β-ヒドロキシアルキルアミド基を有する化合物として、例えばN,N,N’,N’-テトラキス(2-ヒドロキシエチル)アジパミド等を;メチロール基又はアルキルメチロール基を有する化合物として、例えばトリメチロールプロパン、ビス[2-エチル-2,2-ビス(ヒドロキシメチル)エチル]エーテル、2,2’-[オキシビス(メチレン)]ビス[2-エチル-1,3-プロパンジオール]、2,2-ビス(4-ヒドロキシメチルフェニル)プロパン、2,2-ビス(2,3,4-トリヒドロキシメチルフェニル)プロパン、2,4,6-トリス[ビス(メトキシメチル)アミノ]-1,3,5-トリアジン等を、それぞれ挙げることができる。架橋性基含有化合物としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
架橋性基含有化合物を使用する場合、液晶配向剤中における架橋性基含有化合物の含有割合は、安定した液晶配向膜を形成し、得られる液晶素子の電気特性を高くする効果を一層高める観点から、重合体[P]の全量100質量部に対し、0.5質量部以上が好ましく、1質量部以上がより好ましい。また、架橋性基含有化合物の含有割合は、過剰量の添加に起因する性能低下を抑制する観点から、液晶配向剤中の重合体成分の全体量100質量部に対し、40質量部以下が好ましく、30質量部以下がより好ましい。なお、架橋性基含有化合物としては、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
液晶配向剤に含有されるその他の成分としては、上記のほか、例えば酸化防止剤、金属キレート化合物、硬化促進剤、界面活性剤、充填剤、分散剤、光増感剤等が挙げられる。その他の成分の配合割合は、本発明の効果を損なわない範囲で各化合物に応じて適宜選択することができる。
液晶配向剤における固形分濃度(液晶配向剤の溶媒以外の成分の合計質量が液晶配向剤の全質量に占める割合)は、粘性、揮発性等を考慮して適宜に選択されるが、好ましくは1~10質量%の範囲である。固形分濃度が1質量%以上であると、塗膜の膜厚を十分に確保でき、良好な液晶配向性を示す液晶配向膜が得られやすい。一方、固形分濃度が10質量%以下であると、塗膜を適度な厚みとすることができ、良好な液晶配向性を示す液晶配向膜が得られやすく、また、液晶配向剤の粘性が適度となり塗布性を良好にできる傾向がある。
≪液晶配向膜及び液晶素子≫
本発明の液晶配向膜は、上記のように調製された液晶配向剤により形成される。また、本発明の液晶素子は、上記で説明した液晶配向剤を用いて形成された液晶配向膜を具備する。液晶素子における液晶の動作モードは特に限定されず、例えばTN型、STN型、VA型(VA-MVA型、VA-PVA型などを含む。)、IPS(In-Plane Switching)型、FFS(Fringe Field Switching)型、OCB(Optically Compensated Bend)型、PSA型(Polymer Sustained Alignment)など種々のモードに適用することができる。液晶素子は、例えば以下の工程1~工程3を含む方法により製造することができる。工程1は、所望の動作モードによって使用基板が異なる。工程2及び工程3は、各動作モード共通である。
<工程1:塗膜の形成>
まず、基板上に液晶配向剤を塗布し、好ましくは塗布面を加熱することにより基板上に塗膜を形成する。基板としては、例えばフロートガラス、ソーダガラスなどのガラス;ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリ(脂環式オレフィン)などのプラスチックからなる透明基板を用いることができる。基板の一面に設けられる透明導電膜としては、酸化スズ(SnO)からなるNESA膜(米国PPG社登録商標)、酸化インジウム-酸化スズ(In-SnO)からなるITO膜などを用いることができる。TN型、STN型又はVA型の液晶素子を製造する場合には、パターニングされた透明導電膜が設けられている基板二枚を用いる。一方、IPS型又はFFS型の液晶素子を製造する場合には、櫛歯型にパターニングされた電極が設けられている基板と、電極が設けられていない対向基板とを用いる。
基板への液晶配向剤の塗布方法は特に限定されず、例えばスピンコート方式、印刷方式(例えば、オフセット印刷方式、フレキソ印刷方式等)、インクジェット方式、スリットコート方式、バーコーター方式、エクストリューションダイ方式、ダイレクトグラビアコーター方式、チャンバードクターコーター方式、オフセットグラビアコーター方式、含浸コーター方式、MBコーター方式法等により行うことができる。
液晶配向剤を塗布した後、塗布した液晶配向剤の液垂れ防止などの目的で、好ましくは予備加熱(プレベーク)が実施される。プレベーク温度は、好ましくは30~200℃であり、プレベーク時間は、好ましくは0.25~10分である。その後、溶剤を完全に除去し、必要に応じて、重合体に存在するアミック酸構造を熱イミド化することを目的として焼成(ポストベーク)工程が実施される。このときの焼成温度(ポストベーク温度)は、好ましくは80~280℃であり、より好ましくは80~250℃である。ポストベーク時間は、好ましくは5~200分である。形成される膜の膜厚は、好ましくは0.001~1μmである。
<工程2:配向処理>
TN型、STN型、IPS型又はFFS型の液晶素子を製造する場合、上記工程1で形成した塗膜に対し、液晶配向能を付与する処理(配向処理)を実施する。これにより、液晶分子の配向能が塗膜に付与されて液晶配向膜となる。配向処理としては、基板上に形成した塗膜の表面をコットン等で擦るラビング処理、又は塗膜に光照射を行って液晶配向能を付与する光配向処理を用いることが好ましい。一方、垂直配向型の液晶素子を製造する場合には、上記工程1で形成した塗膜をそのまま液晶配向膜として使用してもよく、液晶配向能をさらに高めるために該塗膜に対し配向処理を施してもよい。
光配向のための光照射は、ポストベーク工程後の塗膜に対して照射する方法、プレベーク工程後であってポストベーク工程前の塗膜に対して照射する方法、プレベーク工程及びポストベーク工程の少なくともいずれかにおいて塗膜の加熱中に塗膜に対して照射する方法、等により行うことができる。塗膜に照射する放射線としては、例えば150~800nmの波長の光を含む紫外線及び可視光線を用いることができる。好ましくは、200~400nmの波長の光を含む紫外線である。放射線が偏光である場合、直線偏光であっても部分偏光であってもよい。用いる放射線が直線偏光又は部分偏光である場合には、照射は基板面に垂直の方向から行ってもよく、斜め方向から行ってもよく、又はこれらを組み合わせて行ってもよい。非偏光の放射線の場合の照射方向は斜め方向とする。
使用する光源としては、例えば低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、重水素ランプ、メタルハライドランプ、アルゴン共鳴ランプ、キセノンランプ、エキシマーレーザー等が挙げられる。放射線の照射量は、好ましくは400~50,000J/mであり、より好ましくは1,000~20,000J/mである。配向能付与のための光照射後において、基板表面を例えば水、有機溶媒(例えば、メタノール、イソプロピルアルコール、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、乳酸エチル等)又はこれらの混合物を用いて洗浄する処理や、基板を加熱する処理を行ってもよい。
<工程3:液晶セルの構築>
上記のようにして液晶配向膜が形成された基板を2枚準備し、対向配置した2枚の基板間に液晶を配置することにより液晶セルを製造する。液晶セルを製造するには、例えば、液晶配向膜が対向するように間隙を介して2枚の基板を対向配置し、2枚の基板の周辺部をシール剤により貼り合わせ、基板表面とシール剤で囲まれたセルギャップ内に液晶を注入充填し注入孔を封止する方法、ODF方式による方法等が挙げられる。シール剤としては、例えば硬化剤及びスペーサとしての酸化アルミニウム球を含有するエポキシ樹脂等を用いることができる。液晶としては、ネマチック液晶及びスメクチック液晶を挙げることができ、その中でもネマチック液晶が好ましい。
PSAモードでは、液晶とともに重合性化合物(例えば多官能(メタ)アクリレート化合物等)をセルギャップ内に充填するとともに、液晶セルの構築後、一対の基板の有する導電膜間に電圧を印加した状態で液晶セルに光照射する処理を行う。PSAモードの液晶素子の製造に際し、重合性化合物の使用割合は、液晶の合計100質量部に対して、0.01~3質量部、好ましくは0.1~1質量部である。
液晶素子を表示装置として用いる場合、続いて、必要に応じて液晶セルの外側表面に偏光板を貼り合わせ、液晶素子とする。偏光板としては、ポリビニルアルコールを延伸配向させながらヨウ素を吸収させた「H膜」と称される偏光フィルムを酢酸セルロース保護膜で挟んだ偏光板又はH膜そのものからなる偏光板が挙げられる。
以上詳述した本発明の液晶素子は、種々の用途に有効に適用することができる。具体的には、例えば、時計、携帯型ゲーム、ワープロ、ノート型パソコン、カーナビゲーションシステム、カムコーダー、PDA、デジタルカメラ、携帯電話、スマートフォン、各種モニター、液晶テレビ、インフォメーションディスプレイなどの各種表示装置や、調光装置、位相差フィルム等として用いることができる。
以下、実施例に基づき実施形態をより詳しく説明するが、以下の実施例によって本発明が限定的に解釈されるものではない。
以下の例において、重合体の重量平均分子量Mw、重合体溶液中のポリイミドのイミド化率、重合体溶液の溶液粘度、及びエポキシ当量は以下の方法により測定した。以下の実施例で用いた原料化合物及び重合体の必要量は、下記の合成例に示す合成スケールでの合成を必要に応じて繰り返すことにより確保した。
[重合体の重量平均分子量Mw]
重量平均分子量Mwは、以下の条件におけるGPCにより測定したポリスチレン換算値である。
カラム:東ソー(株)製、TSKgelGRCXLII
溶剤:テトラヒドロフラン(ポリオルガノシロキサン、バインダー樹脂)
リチウムブロミド及びリン酸含有のN,N-ジメチルホルムアミド溶液(ポリアミック酸)
温度:40℃
圧力:68kgf/cm
[ポリイミドのイミド化率]
ポリイミドの溶液を純水に投入し、得られた沈殿を室温で十分に減圧乾燥した後、重水素化ジメチルスルホキシドに溶解し、テトラメチルシランを基準物質として室温でH-NMRを測定した。得られたH-NMRスペクトルから、下記数式(1)によりイミド化率[%]を求めた。
イミド化率[%]=(1-(A/(A×α)))×100 …(1)
(数式(1)中、Aは化学シフト10ppm付近に現れるNH基のプロトン由来のピーク面積であり、Aはその他のプロトン由来のピーク面積であり、αは重合体の前駆体(ポリアミック酸)におけるNH基のプロトン1個に対するその他のプロトンの個数割合である。)
[重合体溶液の溶液粘度]
重合体溶液の溶液粘度(mPa・s)は、E型回転粘度計を用いて25℃で測定した。
[エポキシ当量]
エポキシ当量は、JIS C 2105に記載の塩酸-メチルエチルケトン法により測定した。
化合物の略号は以下の通りである。なお、以下では、式(X)で表される化合物を単に「化合物(X)」と示すことがある。
Figure 0007322694000018
Figure 0007322694000019
Figure 0007322694000020
Figure 0007322694000021
Figure 0007322694000022
Figure 0007322694000023
<重合体の合成>
1.ポリアミック酸の合成
[合成例1]
テトラカルボン酸二無水物として2,3,5-トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物(tc-1)100モル部、ジアミンとしてコレスタニルオキシ-2,4-ジアミノベンゼン(da-13)20モル部、化合物(da-2)40モル部、及び4,4’-ジアミノベンズアニリド(da-1)40モル部を、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)に溶解し、60℃で6時間反応を行い、ポリアミック酸を30質量%含有する溶液を得た。得られたポリアミック酸溶液を少量分取し、NMPを加えてポリアミック酸濃度20質量%の溶液として測定した溶液粘度は800mPa・sであった。次いで、反応溶液を大過剰のメタノール中に注ぎ、反応生成物を沈殿させた。この沈殿物をメタノールで洗浄し、減圧下40℃で15時間乾燥させることにより重合体(PAA-1)を得た。
[合成例2~6]
使用するテトラカルボン酸二無水物及びジアミンの種類及び量を下記表1に記載のとおり変更した以外は合成例1と同様の操作を行い、ポリアミック酸(重合体(PAA-2)~(PAA-6))を得た。
2.ポリイミドの合成
[合成例7]
テトラカルボン酸二無水物として2,4,6,8-テトラカルボキシビシクロ[3.3.0]オクタン-2:4,6:8-二無水物(tc-2)100モル部、ジアミンとして化合物(da-14)30モル部、及び3,5-ジアミノ安息香酸(da-16)70モル部をNMPに溶解し、60℃で6時間反応を行い、ポリアミック酸を30質量%含有する溶液を得た。得られたポリアミック酸溶液を少量分取し、NMPを加えてポリアミック酸濃度20質量%の溶液として測定した溶液粘度は800mPa・sであった。
次いで、得られたポリアミック酸溶液に、NMPを追加してポリアミック酸濃度7質量%の溶液とし、ピリジン及び無水酢酸を添加して110℃で4時間脱水閉環反応を行った。脱水閉環反応後、系内の溶媒を新たなNMPで溶媒置換することにより、イミド化率約80%のポリイミド(これを「重合体(PI-1)」とする)を26質量%含有する溶液を得た。得られたポリイミド溶液を少量分取し、NMPを加えてポリイミド濃度15質量%の溶液として測定した溶液粘度は120mPa・sであった。次いで、反応溶液を大過剰のメタノール中に注ぎ、反応生成物を沈殿させた。この沈殿物をメタノールで洗浄し、減圧下40℃で15時間乾燥させることにより重合体(PI-1)を得た。
Figure 0007322694000024
3.エポキシ基含有ポリオルガノシロキサンの合成
[合成例8]
撹拌機、温度計、滴下漏斗及び還流冷却管を備えた反応容器に、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン(上記式(es-1)で表される化合物)100.0g、メチルイソブチルケトン500g及びトリエチルアミン10.0gを仕込み、室温で混合した。次いで、脱イオン水100gを滴下漏斗より30分かけて滴下した後、還流下で撹拌しつつ、80℃で6時間反応を行った。反応終了後、有機層を取り出し、0.2質量%硝酸アンモニウム水溶液により、洗浄後の水が中性になるまで洗浄した後、減圧下で溶媒及び水を留去することにより、エポキシ基含有ポリオルガノシロキサン(これを「重合体(ESSQ-1)」とする)を粘調な透明液体として得た。重合体(ESSQ-1)について、H-NMR分析を行ったところ、化学シフト(δ)=3.2ppm付近にエポキシ基に基づくピークが得られた。得られた重合体(ESSQ-1)の重量平均分子量Mwは3,500、エポキシ当量は180g/モルであった。
4.特性基含有ポリオルガノシロキサンの合成
[合成例9]
200mLの三口フラスコに、重合体(ESSQ-1)を10.0g、溶媒としてメチルイソブチルケトン30.28g、変性成分(配向性基を有するカルボン酸)として、重合体(ESSQ-1)が有するエポキシ基の全量に対し、化合物(ca-1)を20モル%に相当する量、及び化合物(ca-2)を10モル%に相当する量、並びに触媒としてUCAT 18X(商品名、サンアプロ(株)製)0.10gを仕込み、100℃で48時間撹拌下に反応を行った。反応終了後、反応混合物に酢酸エチルを加えて得た溶液を3回水洗し、有機層を硫酸マグネシウムを用いて乾燥した後、溶剤を留去することにより重合体(PSQ-1)を得た。得られた重合体の重量平均分子量Mwは6,800であった。
[合成例10]
使用する変性成分を、重合体(ESSQ-1)が有するエポキシ基の全量に対し、化合物(ca-1)を30モル%に相当する量、及び化合物(ca-3)を10モル%に相当する量に変更した以外は合成例9と同様の操作を行い、重合体(PSQ-2)を得た。
[実施例1]
1.液晶配向剤の調製
上記合成例1で得た重合体(PAA-1)100質量部、及び上記合成例9で得た重合体(PSQ-1)5質量部に、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチレングリコールモノメチルエーテル(B1)、ジエチレングリコールジメチルエーテル(C1)、及び3-メトキシブタノール(MB)を加えて、固形分濃度4.0質量%、溶剤の混合比がPC:B1:C1:MB=15:20:30:35(質量比)の溶液とした。この溶液を十分に撹拌した後、孔径0.2μmのフィルターで濾過することにより液晶配向剤(S-1)を調製した。
2.着色組成物の調製
(1)顔料分散液の調製
着色剤としてC.I.ピグメントブルー15:6を15質量部、分散剤としてBYK- LPN21116(ビックケミー(BYK)社製)を12.5質量部(固形分濃度40質量 %)、溶媒としてプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートを72.5質量部用い、ビーズミルにより処理して顔料分散液(a-1)を調製した。
(2)染料溶液の調製
下記式(A-1)で表される着色剤を5質量部と、溶媒としてシクロヘキサノン95質量部とを混合し、染料溶液(A-1)を調製した。なお、下記式(A-1)で表される化合物は、特開2013-122577号公報の合成例3に記載の方法により得た。
Figure 0007322694000025
(3)バインダー樹脂の合成
冷却管及び攪拌機を備えたフラスコに、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート100質量部を仕込んで窒素置換した。80℃に加熱して、同温度で、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート100質量部、メタクリル酸20質量部、スチレ ン10質量部、ベンジルメタクリレート5質量部、2-ヒドロキシエチルメタクリレート 15質量部、2-エチルヘキシルメタクリレート23質量部、N-フェニルマレイミド1 2質量部、こはく酸モノ(2-アクリロイロキシエチル)15質量部及び2,2'-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)6質量部の混合溶液を1時間かけて滴下し、この温度を保持して2時間重合した。その後、反応溶液の温度を100℃に昇温させ、さらに1時間重合することにより、バインダー樹脂(B1)を含有する溶液(固形分濃度33質量%、以下「バインダー樹脂(B1)溶液」という)を得た。得られたバインダー樹脂は、Mwが12,200、Mnが6,500であった。
(4)着色組成物の調製
顔料分散液(a-1)46.0質量部、染料溶液(A-1)24.3質量部、バインダー樹脂(B1)溶液24.6質量部、架橋剤として東亞合成株式会社製M-402(ジペンタエリスリトールヘキサアクリレートとジペンタエリスリトールペンタアクリレートとの混合物)7.1質量部、光重合開始剤として2-ベンジル-2-ジ メチルアミノ-1-(4-モルフォリノフェニル)ブタン-1-オン(チバ・スペシャルティー・ケミカルズ社製、商品名IRGACURE369)2.1質量部、界面活性剤と してメガファックF-554(DIC株式会社製)を0.05質量部、及び溶媒として乳酸エチルを混合して、固形分濃度20質量%の着色組成物(G-1)を調製した。
3.着色硬化膜の形成
着色組成物(G-1)をガラス基板上にスピンコーターを用いて塗布した後、90℃のホットプレートで100秒間プレベークを行い、塗膜を形成した。なお、塗布の際には、ポストベーク後の膜厚が2.5μmになるようにスピンコーターの回転数を調整した。次いで、この基板を室温に冷却した後、高圧水銀ランプを用い、測定用電極部のパターニングのため、フォトマスクフォトマスクを介して、塗膜に365nm、405nm及び436nmの各波長を含む放射線を400J/mの露光量で露光した。その後、この基板に対して、23℃の0.04質量%水酸化カリウム水溶液からなる現像液を、現像圧110kPa、現像液流量1.2リットル/分の条件にて、未露光部の膜がなくなり基板面が見えるまでの時間の1.5倍に相当する時間で現像液を吐出することによりシャワー現像を行った。その後、この基板を超純水で洗浄し、風乾した後、さらに230℃のクリーンオーブン内で20分間ポストベークを行い、着色硬化膜(膜厚2.5μm)を形成した。得られた着色硬化膜上にITO膜(膜厚50nm)をスパッタリングにより形成した。
4.垂直型液晶表示素子の製造
上記3.で得られた着色硬化膜とITO膜との積層膜からなる透明電極付きガラス基板の透明電極面上に、上記1.で調製した液晶配向剤(S-1)を、スピンナーを用いて塗布し、80℃のホットプレートで1分間プレベークを行った。その後、庫内を窒素置換したオーブン中、230℃で1時間加熱して膜厚0.1μmの塗膜を形成した。次いで、同じ操作を繰り返して、着色硬化膜とITO膜と液晶配向膜とを有する基板を一対(2枚)作成した。
上記基板のうちの1枚の液晶配向膜を有する面の外周に、直径3.5μmの酸化アルミニウム球入りエポキシ樹脂接着剤をスクリーン印刷により塗布した後、一対の基板の液晶配向膜面を対向させ、各基板の紫外線の光軸の基板面への投影方向が逆平行となるように圧着し、150℃で1時間かけて接着剤を熱硬化させた。次いで、液晶注入口より基板間の間隙にネガ型液晶(メルク社製、MLC-6608)を充填した後、エポキシ系接着剤で液晶注入口を封止した。さらに、液晶注入時の流動配向を除くために、これを130℃で加熱してから室温まで徐冷し、液晶表示素子を製造した。
5.電気特性の評価
作製した液晶表示素子を60℃のオーブンに静置した後、東洋テクニカ製VHR測定装置を用いて1V、167msecの条件でVHRを測定した。評価基準としては、VHRが100%以下98%よりも高い場合に「◎」、98%以下95%よりも高い場合に「○」、95%以下90%よりも高い場合に「△」、90%以下の場合に「×」とした。なお、VHRが高いほど、液晶配向剤中の溶剤が下層(具体的には着色硬化膜)に染み込むことによる電気特性の低下を抑制でき、良好であるといえる。その結果、VHRは92.0%であり、評価は「△」であった。
6.塗布性(印刷性)の評価
芝浦製インクジェット装置に液晶配向剤(S-1)を充填し、シリコンウエハー上にインクジェット塗布を実施した。次いで、80℃のホットプレートで1分間プレベークを行った。その後、庫内を窒素置換したオーブン中、230℃で1時間加熱して膜厚0.1μm、塗布面積100cm(=10cm×10cm)の塗膜を形成した。塗膜の中央部の1mmの距離について、インクジェットのヘッド進行方向と直交方向にアルファステップを用いて膜厚均一性を測定した。得られた膜厚プロファイルの最大膜厚と最小膜厚の差をラフネスと定義して、印刷性の良し悪しを判断した。評価基準としては、ラフネスが0以上2nm未満の場合に「◎」、2nm以上5nm未満の場合に「○」、5nm以上10nm未満の場合に「△」、10nm以上の場合に「×」とした。その結果、ラフネスは0.7nmであり、評価は「◎」であった。
[実施例3~6、8、10及び比較例1~4]
液晶配向剤の組成を下記表2のとおりに変更した以外は上記実施例1と同様にして液晶配向剤を調製した。また、得られた液晶配向剤を用いて、実施例1と同様にして垂直型液晶表示素子を製造し、電気特性及び塗布性の評価を行った。それらの結果を下記表3に示した。
[実施例7]
1.液晶配向剤の調製
配合処方を下記表2に記載のとおりに変更した以外は実施例1と同様にして、液晶配向剤(S-7)を調製した。
2.光垂直型液晶表示素子の製造及び評価
液晶配向剤の組成を下記表2のとおりに変更し、上記実施例1と同様に、着色硬化膜とITO膜との積層膜からなる透明電極付きガラス基板の透明電極面上に液晶配向剤をスピンナーにより塗布し、プレベーク及びポストベークを実施して塗膜を形成した、次いで、この塗膜表面に、Hg-Xeランプ及びグランテーラープリズムを用いて313nmの輝線を含む偏光紫外線1,000J/mを、基板法線から40°傾いた方向から照射して液晶配向能を付与した。同じ操作を繰り返して、着色硬化膜とITO膜と液晶配向膜とを有する基板を一対(2枚)作成した。
上記基板のうちの1枚の液晶配向膜を有する面の外周に、直径3.5μmの酸化アルミニウム球入りエポキシ樹脂接着剤をスクリーン印刷により塗布した後、一対の基板の液晶配向膜面を対向させ、各基板の紫外線の光軸の基板面への投影方向が逆平行となるように圧着し、150℃で1時間かけて接着剤を熱硬化させた。次いで、液晶注入口より基板間の間隙にネガ型液晶(メルク社製、MLC-6608)を充填した後、エポキシ系接着剤で液晶注入口を封止した。さらに、液晶注入時の流動配向を除くために、これを130℃で加熱してから室温まで徐冷し、液晶表示素子を製造した。また、得られた液晶表示素子について、実施例1と同様に電気特性及び塗布性の評価を行った。評価結果を下記表3に示した。
[実施例2]
1.液晶配向剤の調製
配合処方を下記表2に記載のとおりに変更した以外は実施例1と同様にして、液晶配向剤(S-2)を調製した。
2.液晶組成物の調製
ネマチック液晶(メルク社製、MLC-6608)10gに対し、下記式(L1-1) で表される液晶性化合物を5質量%、及び下記式(L2-1)で表される光重合性化合物 を0.3質量%添加して混合することにより液晶組成物LC1を得た。
Figure 0007322694000026
3.PSA型液晶表示素子の製造
上記1.で調製した液晶配向剤(S-2)を、着色硬化膜とITO膜との積層膜からなる透明電極付きガラス基板の透明電極面上にスピンナーを用いて塗布し、80℃のホットプレートで1分間プレベークを行った後、窒素に置換したオーブン中、200℃で1時間加熱して溶媒を除去することにより、膜厚0.08μmの塗膜(液晶配向膜)を形成した。この塗膜に対し、レーヨン布を巻き付けたロールを有するラビングマシーンにより、ロール回転数400rpm、ステージ移動速度3cm/秒、毛足押し込み長さ0.1mmでラビング処理を行った。その後、超純水中で1分間超音波洗浄を行い、次いで、100℃クリーンオーブン中で10分間乾燥することにより、液晶配向膜を有する基板を得た。この操作を繰り返し、液晶配向膜を有する基板を一対(2枚)得た。なお、このラビング処理は、液晶の倒れ込みを制御し、配向分割を簡易な方法で行う目的で行った弱いラビング処理である。
上記基板のうちの1枚の液晶配向膜を有する面の外周に、直径3.5μmの酸化アルミニウム球入りエポキシ樹脂接着剤をスクリーン印刷により塗布した後、一対の基板の液晶配向膜面を対向させ、重ね合わせて圧着し、150℃で1時間加熱して接着剤を熱硬化した。次いで、液晶注入口より基板の間隙に液晶組成物LC1を充填した後、エポキシ系接着剤で液晶注入口を封止し、さらに液晶注入時の流動配向を除くために、これを150℃で10分間加熱した後に室温まで徐冷した。
次いで、得られた液晶セルに対し、電極間に周波数60Hzの交流10Vを印加し、液晶が駆動している状態で、光源にメタルハライドランプを使用した紫外線照射装置を用いて、紫外線を50,000/mの照射量にて照射した。なお、この照射量は、波長365nm基準で計測される光量計を用いて計測した値である。上記方法により、液晶表示素子を製造した。
4.評価
上記で製造したPSA型液晶表示素子につき、実施例1と同様にして電気特性及び塗布性の評価を行った。それらの結果を下記表3に示した。
[実施例9]
1.液晶配向剤の調製
配合処方を下記表2に記載のとおりに変更した以外は実施例1と同様にして、液晶配向剤(S-9)を調製した。
2.ラビングFFS型液晶表示素子の製造
平板電極(ボトム電極)、絶縁層及び櫛歯状電極(トップ電極)がこの順で片面に積層されたガラス基板と、電極が設けられていない対向ガラス基板とのそれぞれの面上に着色組成物(G-1)をスピンコーターを用いて塗布し、上記実施例1の「3.着色硬化膜の形成」と同様の操作を行い、着色硬化膜を形成した。続いて、各基板における着色硬化膜の形成面側に、液晶配向剤(S-9)を、スピンナーを用いて塗布し、80℃のホットプレートで1分間加熱(プレベーク)した。その後、庫内を窒素置換した200℃のオーブンで1時間乾燥(ポストベーク)を行い、平均膜厚0.08μmの塗膜を形成した。次いで、塗膜表面に対し、レーヨン布を巻き付けたロールを有するラビングマシーンにより、ロール回転数500rpm、ステージ移動速度3cm/秒、毛足押し込み長さ0.4mmでラビング処理を行った。その後、超純水中で1分間超音波洗浄を行い、次いで100℃クリーンオーブン中で10分間乾燥することにより、液晶配向膜を有する基板を得た。
次いで、液晶配向膜を有する一対の基板につき、液晶配向膜を形成した面の縁に液晶注入口を残して、直径5.5μmの酸化アルミニウム球入りエポキシ樹脂接着剤をスクリーン印刷塗布した。その後、基板を重ね合わせて圧着し、150℃で1時間かけて接着剤を熱硬化させた。次いで、一対の基板間に液晶注入口よりネマチック液晶(メルク社製、MLC-6221)を充填した後、エポキシ系接着剤で液晶注入口を封止した。さらに、液晶注入時の流動配向を除くために、これを120℃で加熱してから室温まで徐冷し、液晶セルを製造した。なお、一対の基板を重ね合わせる際には、それぞれの基板のラビング方法が反平行となるようにした。なお、トップ電極については、電極の線幅を4μm、電極間の距離を6μmとした。また、トップ電極としては、電極A、電極B、電極C及び電極Dの4系統の駆動電極を用いた。この場合、ボトム電極は、4系統の駆動電極のすべてに作用する共通電極として働き、4系統の駆動電極の領域のそれぞれが画素領域となる。
3.評価
上記で製造したFFS型液晶表示素子につき、実施例1と同様にして電気特性及び塗布性の評価を行った。それらの結果を下記表3に示した。
Figure 0007322694000027
表2中、重合体成分及び架橋剤の括弧内の数値は、液晶配向剤の調製に使用した重合体(PAA-1)~(PAA-6)及び重合体(PI-1)の配合量100質量部に対する各化合物の配合割合(質量部)を示す。溶剤組成の括弧内の数値は、液晶配向剤の調製に使用した溶剤成分の全量に対する各溶剤の配合割合(質量比)を示す。なお、ジアルキレングリコールジアルキルエーテルについては、基R、基Rの欄に配合割合を示した。
化合物の略号は以下の通りである。
<溶剤>
MB:3-メトキシ-1-ブタノール
BC:エチレングリコールモノブチルエーエル
PB:プロピレングリコールモノブチルエーエル
DAA:ジアセトンアルコール
NMP:N-メチル-2-ピロリドン
Figure 0007322694000028
表3から明らかなように、実施例1~10はいずれも、形成された液晶配向膜のラフネスが小さく、塗布性(印刷性)が良好であった。また、液晶セルの電圧保持率が90%よりも高く、安定した液晶配向膜を形成でき、電気特性が良好であることが分かった。特に、ジアルキレングリコールジアルキルエーテルを配合した実施例1~9では、ジアルキレングリコールジアルキルエーテルを配合しなかった実施例10と対比して、液晶配向膜のラフネスがより小さく、液晶配向剤の基板に対する塗布性と液晶素子の電気特性とがバランス良く改善された。
これに対し、溶剤として環状カーボネート化合物を用いたがジアルキレングリコールモノアルキルエーテルを用いなかった比較例3、溶剤としてジアルキレングリコールモノアルキルエーテルを用いたが環状カーボネート化合物を用いなかった比較例2、及び重合体[P]を用いなかった比較例1では、液晶配向剤の塗布性の評価は「○」又は「◎」であったものの、液晶セルの電圧保持率は80%台の値であり、電気特性に劣っていた。また、溶剤として環状カーボネート化合物及びジアルキレングリコールモノアルキルエーテルを用いなかった比較例4では、塗布性及び電気特性のいずれも実施例1~10よりも劣る結果であった。

Claims (10)

  1. アミド基、保護されたアミド基、ウレア基及び保護されたウレア基よりなる群から選択される少なくとも1種を有する単量体に由来する構造単位を有する重合体[P](ただし、下記式(CA-2)で表される化合物、下記式(CA-3)で表される化合物、下記式(CA-5)で表される化合物、下記式(DA-7)で表される化合物、下記式(DA-8)で表される化合物及び下記式(DA-9)で表される化合物を反応させて得られる重合体を除く。)と、
    環状カーボネート化合物と、
    ジアルキレングリコールモノアルキルエーテルと、
    を含有する、液晶配向剤。
    Figure 0007322694000029
  2. さらに、ジアルキレングリコールジアルキルエーテルを含有する、請求項1に記載の液晶配向剤。
  3. ジアルキレングリコールジアルキルエーテルの含有割合が、前記液晶配向剤に含まれる溶剤の全量に対して、1質量%以上70質量%以下である、請求項2に記載の液晶配向剤。
  4. 前記重合体[P]は、重合性炭素-炭素不飽和結合を有する基、光開始剤基及び光配向性基よりなる群から選択される少なくとも1種をさらに有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の液晶配向剤。
  5. 前記重合体[P]は、3級アミン構造、保護されたアミノ基及び窒素含有芳香族複素環基よりなる群から選択される少なくとも1種をさらに有する、請求項1~4のいずれか一項に記載の液晶配向剤。
  6. さらに、架橋性基を有する化合物を含有する、請求項1~5のいずれか一項に記載の液晶配向剤。
  7. 環状カーボネート化合物の含有割合が、前記液晶配向剤に含まれる溶剤の全量に対して、0.5質量%以上50質量%以下である、請求項1~6のいずれか一項に記載の液晶配向剤。
  8. ジアルキレングリコールモノアルキルエーテルの含有割合が、前記液晶配向剤に含まれる溶剤の全量に対して、1質量%以上70質量%以下である、請求項1~7のいずれか一項に記載の液晶配向剤。
  9. 請求項1~8のいずれか一項に記載の液晶配向剤を用いて形成された液晶配向膜。
  10. 請求項9に記載の液晶配向膜を具備する液晶素子。
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