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JP6682965B2 - 液晶配向剤、液晶配向膜、液晶素子及び液晶配向膜の製造方法 - Google Patents

液晶配向剤、液晶配向膜、液晶素子及び液晶配向膜の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、液晶配向剤、液晶配向膜、液晶素子及び液晶配向膜の製造方法に関する。
テレビジョン、モバイル機器、各種モニターなどに広く利用されている液晶表示素子において、液晶セル中の液晶分子の配向を制御するために液晶配向膜が使用されている。液晶配向膜を作製する方法としては、従来、有機膜をラビングする方法、酸化ケイ素を斜方蒸着する方法、長鎖アルキル基を有する単分子膜を形成する方法、感光性の有機膜に光照射する方法(光配向法)などが知られている。これらのうち、光配向法は、静電気及び埃の発生を抑えつつ、感光性の有機膜に均一な液晶配向性を付与することができ、しかも液晶配向方向の精密な制御も可能であることから、近年、種々検討が進められている(例えば特許文献1〜3参照)。
特開平06−287453号公報 特開2003−307736号公報 特開平09−297313号公報
しかしながら、従来知られている光配向用の液晶配向膜材料は、光感度が十分でなく、有機膜が良好な液晶配向性を発現するようにするためには、多くの積算露光量を必要としていた。そのため、液晶配向膜の形成の際に、多くのプロセス時間及びコストがかかるといったことが懸念される。また、近年では、大画面で高精細の液晶テレビが主体となり、さらにスマートフォンやタブレットPC等といった小型の表示端末の普及が進み、液晶パネルに対する高精細化の要求は更に高まりつつある。こうした背景から、液晶パネルが良好な電気特性及び表示品位を示すことが、以前にも増して重要になってきている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光配向工程において露光量を少なくしても良好な液晶配向性を発現するとともに、電気特性及びコントラスト特性に優れた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。
本発明者は、上記のような従来技術の課題を達成するべく鋭意検討した結果、特定の部分構造を有する重合体を液晶配向剤の重合体成分に用いることにより、上記課題を解決可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明により以下の液晶配向剤、液晶配向膜、液晶素子、液晶配向膜の製造方法、重合体及びジアミンが提供される。
<1> 下記式(1)で表される部分構造を主鎖に有する重合体[P]を含有する液晶配向剤。
Figure 0006682965
(式(1)中、Rは、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜3のアルキル基、炭素数1〜3のフルオロアルキル基、又はArに結合して環の一部を構成する2価の連結基であり、Rは、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜3のアルキル基、炭素数1〜3のフルオロアルキル基、又はArに結合して環の一部を構成する2価の連結基である。R、R、R及びRは、それぞれ独立に、水素原子、フッ素原子、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る。Ar及びArは、それぞれ独立に、芳香環若しくは複素環を有する環式基、又はエチニレン基であり、前記環式基は環部分に置換基を有していてもよい。「*」は結合手であることを示す。)
<2> 上記<1>の液晶配向剤を用いて形成された液晶配向膜。
<3> 上記<2>の液晶配向膜を具備する液晶素子。
<4> 上記<1>の液晶配向剤を基板上に塗布して塗膜を形成し、該塗膜に放射線を照射する液晶配向膜の製造方法。
<5> ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、及びポリエーテルからなる群より選ばれ、かつ下記式(1)で表される部分構造を主鎖に有する重合体。
<6> 下記式(2A)で表されるジアミン。
Figure 0006682965
(式(2A)中、Rは、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜3のアルキル基、炭素数1〜3のフルオロアルキル基、又はArに結合して環の一部を構成する2価の連結基であり、Rは、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜3のアルキル基、炭素数1〜3のフルオロアルキル基、又はArに結合して環の一部を構成する2価の連結基である。R、R、R及びRは、それぞれ独立に、水素原子、フッ素原子、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る。Ar及びArは、それぞれ独立に、芳香環若しくは複素環を有する環式基、又はエチニレン基であり、前記環式基は環部分に置換基を有していてもよい。X及びXは、それぞれ独立に、単結合又は2価の連結基である。)
上記重合体[P]を含む液晶配向剤によれば、光配向工程において露光量を少なくしても良好な液晶配向性を発現する液晶配向膜を得ることができる。また、電気特性及びコントラスト特性に優れた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。
<重合体[P]>
本開示の液晶配向剤は、下記式(1)で表される部分構造(以下、「特定部分構造」ともいう。)を有する重合体[P]を含有する。
Figure 0006682965
(式(1)中、Rは、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜3のアルキル基、炭素数1〜3のフルオロアルキル基、又はArに結合して環の一部を構成する2価の連結基であり、Rは、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜3のアルキル基、炭素数1〜3のフルオロアルキル基、又はArに結合して環の一部を構成する2価の連結基である。R、R、R及びRは、それぞれ独立に、水素原子、フッ素原子、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る。Ar及びArは、それぞれ独立に、芳香環若しくは複素環を有する環式基、又はエチニレン基であり、前記環式基は環部分に置換基を有していてもよい。「*」は結合手であることを示す。)
上記式(1)のR〜Rにおける炭素数1〜3のアルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、プロピル基が挙げられ、これらは直鎖状でも分岐状でもよい。R〜Rが炭素数1〜3のフルオロアルキル基である場合の具体例としては、例えばトリフルオロメチル基、2,2,2−トリフルオロエチル基等が挙げられる。
が2価の連結基である場合、RがArの環部分に結合することによってArと共に縮合環を形成していることが好ましい。また、Rが2価の連結基である場合、RがArの環部分に結合することによってArと共に縮合環を形成していることが好ましい。R,Rが2価の連結基である場合の具体例としては、例えば−CO−、炭素数1〜3のアルカンジイル基などが挙げられる。当該アルカンジイル基は、メチレン基、エチレン基、プロパンジイル基が挙げられ、これらは直鎖状でも分岐状でもよい。R,Rの2価の連結基は、重合体[P]の光感度をより良好にする点で、−CO−又はメチレン基が好ましい。
、R、R及びRは、中でも水素原子又はメチル基であることが好ましい。
Ar及びArの環式基は、芳香環又は複素環の環部分からn個(nは2又は3)の水素原子を取り除いたn価の基である。当該環式基が有する芳香環としては、例えばベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環等を;複素環としては、例えばピリジン環、ピリミジン環、ピラジン環、キノリン環、イミダゾール環、ピペリジン環、ピペラジン環等を、それぞれ挙げることができる。当該芳香環又は複素環の環部分が有していてもよい置換基としては、例えばハロゲン原子(フッ素原子など)、炭素数1〜3のアルキル基、又は炭素数1〜3のアルコキシ基等が挙げられる。Ar及びArは、電気特性及び液晶との親和性等の観点から、置換又は無置換のフェニレン基であることが好ましく、1,4−フェニレン基であることがより好ましい。
重合体[P]は、特定部分構造を主鎖に有する。ここで、本明細書において、重合体の「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、「特定部分構造を主鎖に有する」とは、この構造が主鎖の一部分を構成することをいう。
本開示において、重合体[P]の主鎖は特に限定されないが、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、ポリアミド、ポリエステル及びポリエーテルからなる群より選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。以下、本開示の液晶配向剤に含有される重合体[P]の好ましい具体例について詳細に説明する。
<ポリアミック酸>
重合体[P]としてのポリアミック酸(以下、「ポリアミック酸[P]」ともいう。)は、例えばテトラカルボン酸二無水物とジアミンとを反応させることにより得ることができる。特に、特定部分構造を有するジアミン(以下、「特定ジアミン」ともいう。)を用いる方法によることが好ましい。
(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、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、例えばブタンテトラカルボン酸二無水物、エチレンジアミン四酢酸二無水物などを;
脂環式テトラカルボン酸二無水物として、例えば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、1,2,4,5−シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4−シクロペン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、1,3,3a,4,5,9b−ヘキサヒドロ−5−(テトラヒドロ−2,5−ジオキソ−3−フラニル)−ナフト[1,2−c]フラン−1,3−ジオン、1,3,3a,4,5,9b−ヘキサヒドロ−8−メチル−5−(テトラヒドロ−2,5−ジオキソ−3−フラニル)−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−2:4,6:8−二無水物などを;
芳香族テトラカルボン酸二無水物として、例えば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、p−フェニレンビス(トリメリット酸モノエステル無水物)、4,4’−オキシジフタル酸無水物、プロピレングリコールビスアンヒドロトリメートなどを、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。
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は、光感度が良好であり、かつ電気特性に優れた膜を得る観点から、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、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、1,2,4,5−シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、及び1,2,3,4−シクロペンタン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である特定酸二無水物を含むことが好ましい。これら特定酸二無水物の使用割合は、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、30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%以上とすることが更に好ましい。なお、テトラカルボン酸二無水物は、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。
(ジアミン)
上記反応に使用する特定ジアミンの好ましい具体例としては、下記式(2A)で表される化合物などが挙げられる。
Figure 0006682965
(式(2A)中、R〜R、Ar及びArは、上記式(1)と同義である。X及びXは、それぞれ独立に、単結合又は2価の連結基である。)
上記式(2A)において、R〜R及びAr及びArの具体例及び好ましい例については、上記(1)の説明が適用される。X及びXの2価の連結基としては、例えば、炭素数1〜20の2価の炭化水素基、当該炭化水素基の炭素−炭素結合間に−O−、−CO−、−COO−等を含む基などが挙げられる。
特定ジアミンの好ましい具体例としては、下記式(2)、式(2−3)〜式(2−9)のそれぞれで表される化合物が挙げられる。中でも、下記式(2−1)、式(2−3)、式(2−4)及び式(2−5)のそれぞれで表される化合物が特に好ましい。
Figure 0006682965
上記反応に使用するジアミンは、特定ジアミンのみであってもよいが、特定ジアミンと共に、特定部分構造を有さないジアミン(以下、「その他のジアミン」ともいう。)を併用してもよい。その他のジアミンは、液晶分子にプレチルト角を付与する機能を塗膜に発現させるための基(以下、「プレチルト角発現性基」ともいう。)を有するジアミン、プレチルト角発現性基を有さないジアミンに分類することができる。ここで、「プレチルト角発現性基」は、具体的には、例えば炭素数4〜20のアルキル基、炭素数4〜20のフルオロアルキル基、炭素数4〜20のアルコキシ基、炭素数17〜51のステロイド骨格を有する基、複数個の環が直接又は連結基を介して結合した基などが挙げられる。
プレチルト角発現性基を有するジアミンは、芳香族ジアミンを好ましく使用でき、その具体例としては、例えばドデカノキシ−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、テトラデカノキシ−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、コレステリルオキシ−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、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リル、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、1,1−ビス(4−((アミノフェニル)メチル)フェニル)−4−ヘプチルシクロヘキサン、N−(2,4−ジアミノフェニル)−4−(4−ヘプチルシクロヘキシル)ベンズアミド、下記式(E−1)
Figure 0006682965
(式(E−1)中、XI及びXIIは、それぞれ独立に、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。)
で表される化合物などを挙げることができる。
上記式(E−1)で表される化合物の具体例としては、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などを挙げることができる。
Figure 0006682965
プレチルト角発現性基を有さないジアミンとしては、脂肪族ジアミンとして、例えば1,1−メタキシリレンジアミン、1,3−プロパンジアミン、テトラメチレンジアミン、ペンタメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミンなどを;
脂環式ジアミンとして、例えば1,4−ジアミノシクロヘキサン、4,4’−メチレンビス(シクロヘキシルアミン)、1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサンなどを;
芳香族ジアミンとして、例えばp−フェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノジフェニルスルフィド、1,5−ジアミノナフタレン、2,2’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニル、4,4’−ジアミノ−2,2’−ビス(トリフルオロメチル)ビフェニル、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、9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]ヘキサフルオロプロパン、4,4’−(p−フェニレンジイソプロピリデン)ビスアニリン、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、2,6−ジアミノピリジン、N,N’−ビス(4−アミノフェニル)−ベンジジン、1,4−ビス−(4−アミノフェニル)−ピペラジン、3,5−ジアミノ安息香酸、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、4−(4’−トリフルオロメチルベンゾイロキシ)シクロヘキシル−3,5−ジアミノベンゾエート、2,4−ジアミノ−N,N−ジアリルアニリン、4−アミノベンジルアミン、1−(2,4−ジアミノフェニル)ピペラジン−4−カルボン酸、4−(モルホリン−4−イル)ベンゼン−1,3−ジアミン、1,3−ビス(N−(4−アミノフェニル)ピペリジニル)プロパン、α−アミノ−ω−アミノフェニルアルキレン、4−(2−アミノエチル)アニリン、4,4’−[4,4’−プロパン−1,3−ジイルビス(ピペリジン−1,4−ジイル)]ジアニリンなどを;
ジアミノオルガノシロキサンとして、例えば1,3−ビス(3−アミノプロピル)−テトラメチルジシロキサンなどを、それぞれ挙げることができるほか、特開2010−97188号公報に記載のジアミンを用いることができる。なお、その他のジアミンは、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。
本開示の液晶配向剤は、光配向法によって液晶配向膜を形成するために好ましく用いることができ、TN型、STN型、IPS型、FFS型などの、いわゆる水平配向型の液晶表示素子用に特に好ましく適用される。したがって、プレチルト角発現性基を有するジアミンの使用割合を一定値以下に制限することが好ましい。プレチルト角発現性基を有するジアミンの使用割合は、上記反応に使用する全ジアミンに対して、20モル%以下の割合とすることが好ましく、10モル%以下の割合とすることがより好ましく、5モル%以下とすることが更に好ましい。
特定ジアミンの使用割合は、ポリアミック酸の合成に使用するジアミンの全量に対して、50モル%以上とすることが好ましく、80モル%以上とすることがより好ましい。特定ジアミンの含有割合を50モル%以上とすることにより、光感度に優れたポリアミック酸を得ることができる。特定ジアミンの使用割合の上限値は、特に制限されず、その他のジアミンの使用割合に応じて任意に選定することができる。なお、特定ジアミンは、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、上記のようなテトラカルボン酸二無水物とジアミンとを、必要に応じて分子量調整剤(例えば、酸一無水物、モノアミン化合物、モノイソシアネート化合物等)とともに反応させることによって得ることができる。ポリアミック酸の合成反応に供されるテトラカルボン酸二無水物とジアミンとの使用割合は、ジアミンのアミノ基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く、0.8〜1.2当量となる割合がより好ましい。
ポリアミック酸の合成反応は、好ましくは有機溶媒中において行われる。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、非プロトン性極性溶媒及びフェノール系溶媒よりなる群(第一群の有機溶媒)から選択される1種以上、又は、第一群の有機溶媒から選択される1種以上と、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及び炭化水素よりなる群(第二群の有機溶媒)から選択される1種以上との混合物を使用することが好ましい。後者の場合、第二群の有機溶媒の使用割合は、第一群の有機溶媒及び第二群の有機溶媒の合計量に対して、好ましくは50重量%以下であり、より好ましくは40重量%以下である。有機溶媒の使用量(x)は、テトラカルボン酸二無水物及びジアミンの合計量(y)が、反応溶液の全量(x+y)に対して、0.1〜50重量%になる量とすることが好ましい。ポリアミック酸[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[P]を単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。
(特定ジアミンの合成)
特定ジアミンは、有機化学の定法を適宜組み合わせることによって合成することができる。例えば、上記式(2)で表される化合物は、下記スキームAに示すように、アミノ桂皮酸を光二量化した後、カルボキシル基を脱離させることで合成することができる。また、上記式(2−3)〜式(2−8)のそれぞれで表される化合物は、下記スキームAの一段目の反応生成物を硫酸等を用いて環化することにより合成することができる。但し、特定ジアミンの合成手順は上記方法に限定されるものではない。
Figure 0006682965
<ポリアミック酸エステル>
重合体[P]の主鎖がポリアミック酸エステルの場合、該重合体[P]は、例えば、[I]上記で得られたポリアミック酸[P]とエステル化剤(例えばメタノールやエタノール、N,N−ジメチルホルムアミドジエチルアセタール等)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とを、好ましくは有機溶媒中、適当な脱水触媒(例えば4−(4,6−ジメトキシ−1,3,5−トリアジン−2−イル)−4−メチルモルホリニウムハライド、カルボニルイミダゾール、リン系縮合剤等)の存在下で反応させる方法、[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とを、好ましくは有機溶媒中、適当な塩基(例えばピリジン、トリエチルアミン等の3級アミンや、水素化ナトリウム、水素化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属類)の存在下で反応させる方法、などによって得ることができる。上記方法[II]及び方法[III]は、特定ジアミンを用いる方法とすることが好ましい。
液晶配向剤に含有させるポリアミック酸エステルは、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。ポリアミック酸エステル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]の主鎖がポリイミドの場合、該重合体(以下、「ポリイミド[P]」ともいう。)は、例えばポリアミック酸[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、そのイミド化率を30%以上とすることが好ましく、50%以上とすることがより好ましく、60%以上とすることが更に好ましい。また、重合体の溶解性を確保し、塗布性を高める観点から、イミド化率を80%以下とすることが好ましく、70%以下とす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。
ポリアミック酸の脱水閉環は、好ましくはポリアミック酸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。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℃であり、より好ましくは10〜150℃である。反応時間は、好ましくは1.0〜120時間であり、より好ましくは2.0〜30時間である。
ポリイミド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、反応溶液から脱水剤及び脱水閉環触媒を除いたうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。その他、ポリイミドは、ポリアミック酸エステルのイミド化により得ることもできる。
以上のようにして得られる重合体[P]としてのポリアミック酸、ポリアミック酸エステル及びポリイミドは、これを濃度20重量%の溶液としたときに、100〜5,000mPa・sの溶液粘度を持つものであることが好ましく、150〜3,500mPa・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、上記重合体の溶液粘度(mPa・s)は、当該重合体の良溶媒(例えばγ−ブチロラクトン、N−メチル−2−ピロリドンなど)を用いて調製した濃度20重量%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。
上記ポリアミック酸、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500〜300,000であり、より好ましくは1,000〜200,000である。
<ポリアミド>
重合体[P]としてのポリアミド(以下「ポリアミド[P]」ともいう。)は、例えば、ジカルボン酸とジアミンとの重縮合反応等によって得ることができる。中でも、特定ジアミンを用いる方法によることが好ましい。
上記反応に使用するジアミンとしては、ポリアミック酸[P]の説明で例示した特定ジアミン及びその他のジアミンが挙げられる。なお、上記反応に際しては、ポリアミドの溶解性を高めるために、ジアミンが有する1級アミノ基を、例えばtert−ブトキシカルボニル基などの保護基で保護した後に、ジカルボン酸との反応に供することが好ましい。特定ジアミンの使用割合は、ポリアミドの合成に使用するジアミンの全量に対して、50モル%以上とすることが好ましく、80モル%以上とすることがより好ましい。ジアミンは、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。
ジカルボン酸としては、特に制限されないが、例えばシュウ酸、マロン酸、ジメチルマロン酸、コハク酸、グルタル酸、3,3−ジエチルコハク酸、フマル酸、ムコン酸などの脂肪族ジカルボン酸;
シクロブタンジカルボン酸、1−シクロブテンジカルボン酸、シクロペンタンジカルボン酸、シクロヘキサンジカルボン酸等の脂環式構造を有するジカルボン酸;
フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、5−メチルイソフタル酸、4,4’−ビフェニルジカルボン酸、4,4’−ジフェニルメタンジカルボン酸、4,4’−ジフェニルプロパンジカルボン酸、4,4’−ジフェニルエーテルジカルボン酸、4−カルボキシ桂皮酸、p−フェニレンジアクリル酸、3,3’−[4,4’−(メチレンジ−p−フェニレン)]ジプロピオン酸、4,4’−[4,4’−(オキシジ−p−フェニレン)]二酪酸、3,4−ジフェニル−1,2−シクロブタンジカルボン酸、アゾベンゼン−4,4’−ジカルボン酸等の芳香族環を有するジカルボン酸;などを挙げることができる。なお、ジカルボン酸は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。ジカルボン酸は、例えば塩化チオニル等の適当な塩素化剤を用いて酸クロリド化した後にジアミンとの反応に供することが好ましい。
ジカルボン酸とジアミンとの反応は、好ましくは塩基の存在下、有機溶媒中において行われる。上記反応におけるジカルボン酸とジアミンとの使用割合は、ジアミンのアミノ基1当量に対して、ジカルボン酸のカルボキシル基が0.2〜2当量となる割合が好ましい。このときの反応温度は−100℃〜200℃とすることが好ましく、反応時間は0.5〜48時間とすることが好ましい。有機溶媒としては、例えばジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、トルエン、塩化メチレン、クロロホルム、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドンなどを好ましく使用することができる。有機溶媒の使用量は、ジカルボン酸ジハロゲン化物及びジアミンの合計量100重量部に対して、400〜900重量部とすることが好ましく、500〜700重量部とすることがより好ましい。上記反応に使用する塩基については、ポリアミック酸エステルの方法[III]で例示した塩基の例示を適用できる。塩基の使用量は、ジアミン1モルに対して、2〜4モルとすることが好ましい。ポリアミド[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ドを単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。
ポリアミド[P]の溶液粘度は、これを濃度10重量%の溶液としたときに、5〜800mPa・sの溶液粘度を持つものであることが好ましく、10〜500mPa・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、ポリアミドの溶液粘度(mPa・s)は、ポリアミドの良溶媒(例えばγ−ブチロラクトン、N−メチル−2−ピロリドンなど)を用いて調製した濃度10重量%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。ポリアミド[P]につき、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。
<ポリエステル>
重合体[P]の主鎖がポリエステルの場合、該重合体(以下「ポリエステル[P]」ともいう。)は、例えばジカルボン酸ハロゲン化物とジアルコールとを反応させて得ることができる。上記反応に使用するジカルボン酸ハロゲン化物としては、ポリアミドの合成で例示したジカルボン酸を、例えば塩化チオニル等の適当な塩素化剤を用いて酸クロリド化した化合物等が挙げられる。ジカルボン酸ハロゲン化物は、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。
上記反応に使用するジアルコールについて、特定部分構造を有するジアルコールは、液晶配向性の観点から、ジフェノール化合物を好ましく使用することができる。特定部分構造を有するジアルコールの具体例としては、例えば下記式(3)、式(3−3)〜式(3−9)のそれぞれで表される化合物等が挙げられる。下記式(3)で表される化合物は、下記式(3−1)で表される化合物であることが好ましい。
Figure 0006682965
ポリエステル[P]の合成に際し、ジアルコールとしては、特定部分構造を有するジアルコールのみを用いてもよいが、特定部分構造を有さないジアルコール(以下、「その他のジアルコール」ともいう。)を使用してもよい。特定部分構造を有するジアルコールの使用割合は、ポリエステルの合成に使用するジアルコールの全量に対して、50モル%以上とすることが好ましく、80モル%以上とすることがより好ましい。なお、ジアルコールは、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。
上記反応におけるジカルボン酸ジハロゲン化物とジアルコールとの使用割合は、ジアルコールの水酸基1当量に対して、ジカルボン酸ジハロゲン化物の基「−COX(Xはハロゲン原子)」が0.2〜2当量となる割合が好ましい。また、ポリアミック酸[P]で使用したジアミンを、ジアルコールの代わりに共重合させてポリエステルアミドを得ることもできる。
ジカルボン酸ジハロゲン化物とジアルコールとの反応は、好ましくは塩基の存在下、有機溶媒中において行われる。このときの反応温度は0℃〜200℃とすることが好ましく、反応時間は0.5〜48時間とすることが好ましい。反応に使用する有機溶媒及び塩基は、ポリアミドの合成で使用したものと同様のものを用いることができる。ポリエステル[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エステルを単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。
ポリエステル[P]の溶液粘度は、これを濃度10重量%の溶液としたときに、5〜800mPa・sの溶液粘度を持つものであることが好ましく、10〜500mPa・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、ポリエステルの溶液粘度(mPa・s)は、ポリエステルの良溶媒(例えばγ−ブチロラクトン、N−メチル−2−ピロリドンなど)を用いて調製した濃度10重量%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。ポリエステル[P]につき、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。
<ポリエーテル>
重合体[P]の主鎖がポリエーテルの場合、該重合体(以下「ポリエーテル[P]」ともいう。)は、例えばジハロゲン化物とジアルコールとを反応させて得ることができる。
上記反応に使用するジハロゲン化物は、塩化物、臭化物又はヨウ化物であることが好ましい。ジアルコールとしては、ポリエステル[P]の合成で使用したものと同様のものを用いることができる。なお、ジアルコールとして、特定部分構造を有するジアルコールとその他のジアルコールとを併用する場合、特定部分構造を有するジアルコールの使用割合については、ポリエステル[P]の説明を適用することができる。ポリエーテル[P]の合成に際し、ジハロゲン化物とジアルコールとの使用割合は、ジアルコールの水酸基1当量に対して、ジハロゲン化物のハロゲン基が0.2〜2当量となる割合が好ましい。
上記反応は、好ましくは塩基の存在下、有機溶媒中において行われる。このときの反応温度は0℃〜200℃とすることが好ましく、反応時間は0.5〜48時間とすることが好ましい。有機溶媒としては、例えばテトラヒドロフラン、ジオキサン、トルエン、塩化メチレン、クロロホルム、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドンなどを好ましく使用することができる。有機溶媒の使用量は、モノマーの合計量100重量部に対して、400〜900重量部とすることが好ましく、500〜700重量部とすることがより好ましい。
上記反応に使用する塩基としては、例えばピリジン、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等の3級アミン;水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水素化リチウム、水素化ナトリウム、リチウムビス(トリメチルシリル)アミド、t−ブチルリチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等のアルカリ金属類;を好ましく使用することができる。塩基の使用量は、ジアルコール1モルに対して、2〜4モルとすることが好ましい。ポリエーテル[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エーテルを単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。
ポリエーテル[P]の溶液粘度は、これを濃度10重量%の溶液としたときに、5〜800mPa・sの溶液粘度を持つものであることが好ましく、10〜500mPa・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、重合体(P)の溶液粘度(mPa・s)は、ポリエーテル[P]の良溶媒(例えばN−メチル−2−ピロリドンなど)を用いて調製した濃度10重量%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。ポリエーテル[P]につき、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。
重合体[P]は、耐熱性、機械的強度、電気特性、透明性などの各種特性が優れている点で、上記の中でも、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド及びポリアミドよりなる群から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。なお、液晶配向剤に配合される重合体[P]は、1種のみであってもよく、2種以上であってもよい。
<その他の成分>
本開示の液晶配向剤は、重合体[P]以外のその他の成分を含有していてもよい。かかるその他の成分としては、例えば、特定部分構造を有さない重合体(以下、「その他の重合体」ともいう。)、分子内に少なくとも一つのエポキシ基を有する化合物、分子内に少なくとも一つのオキセタニル基を有する化合物、官能性シラン化合物、光重合性化合物、金属キレート化合物、硬化促進剤、界面活性剤、酸化防止剤、増感剤、防腐剤、安定化剤、粘度調整剤などを挙げることができる。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。
例えば、その他の重合体としては、ポリアミック酸、ポリイミド、ポリアミック酸エステル、ポリエステル、ポリアミド、ポリシロキサン、ポリエーテル、ポリアリーレン、セルロース誘導体、ポリアセタール、ポリスチレン誘導体、ポリ(スチレン−フェニルマレイミド)誘導体、又はポリ(メタ)アクリレートを主骨格とする重合体であって、かつ特定部分構造を有さない重合体などを挙げることができる。
その他の重合体を液晶配向剤に配合する場合、その配合割合は、液晶配向剤中の全重合体量に対して、50重量%以下が好ましく、0.1〜40重量%がより好ましく、0.1〜30重量%が更に好ましい。
<溶剤>
本開示の液晶配向剤は、重合体[P]及び必要に応じて使用されるその他の成分が、好ましくは適当な溶媒中に分散又は溶解してなる液状の組成物として調製される。
使用する有機溶媒としては、例えばN−メチル−2−ピロリドン、N−エチル−2−ピロリドン、1,2−ジメチル−2−イミダゾリジノン、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、エチレングリコールモノメチルエーテル、乳酸ブチル、酢酸ブチル、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−n−ブチルエーテル(ブチルセロソルブ)、エチレングリコールジメチルエーテル、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ジメチルエーテル、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、ジイソブチルケトン、イソアミルプロピオネート、イソアミルイソブチレート、ジイソペンチルエーテル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等を挙げることができる。これらは、単独で又は2種以上を混合して使用することができる。
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重量が、液晶配向剤の全重量に占める割合)は、粘性、揮発性などを考慮して適宜に選択されるが、好ましくは1〜10重量%の範囲である。すなわち、液晶配向剤は、後述するように基板表面に塗布され、好ましくは加熱されることにより、液晶配向膜である塗膜又は液晶配向膜となる塗膜が形成される。このとき、固形分濃度が1重量%未満である場合には、塗膜の膜厚が過小となって良好な液晶配向膜が得にくくなる。一方、固形分濃度が10重量%を超える場合には、塗膜の膜厚が過大となって良好な液晶配向膜が得にくく、また、液晶配向剤の粘性が増大して塗布性が低下する傾向にある。液晶配向剤を調製する際の温度は、好ましくは10〜50℃であり、より好ましくは20〜30℃である。
<液晶素子>
上記に説明した液晶配向剤を用いることにより、液晶配向膜を製造することができる。また、本開示の液晶素子は、上記液晶配向剤を用いて形成された液晶配向膜を具備する。液晶素子の動作モードは特に限定されず、例えばTN(Twisted Nematic)型、STN(Super Twisted Nematic)型、VA(Vertical Alignment)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)型など種々の動作モードに適用することができる。本開示の液晶配向剤の使用による効果が最大限に発揮される点で、TN型、STN型、IPS型、FFS型などの、いわゆる水平配向型の液晶素子に好ましく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]
先ず、基板上に液晶配向剤を塗布し、基板上に塗膜を形成する。例えばTN型、STN型又はVA型の液晶素子を製造する場合、まず、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一対として、その各透明性導電膜形成面上に液晶配向剤を、好ましくはオフセット印刷法、スピンコート法、ロールコーター法又はインクジェット印刷法によりそれぞれ塗布する。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。IPS型又はFFS型の液晶素子を製造する場合、櫛歯型にパターニングされた透明導電膜又は金属膜からなる電極が設けられている基板の電極形成面と、電極が設けられていない対向基板の一面とに液晶配向剤をそれぞれ塗布して塗膜を形成する。金属膜としては、例えばクロムなどの金属からなる膜を使用することができる。
液晶配向剤を塗布して塗膜を形成した後、塗布した液晶配向剤の液垂れ防止等の目的で、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80〜300℃であり、ポストベーク時間は、好ましくは5〜200分である。このようにして形成される膜の膜厚は、好ましくは0.001〜1μm、より好ましくは0.005〜0.5μmである。基板上に液晶配向剤を塗布した後、有機溶媒を除去することによって、液晶配向膜又は液晶配向膜となる有機薄膜が形成される。
[工程2:配向能付与処理]
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で形成した塗膜に液晶配向能を付与する処理を実施する。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。配向能付与処理としては、塗膜を例えばナイロン、レーヨン、コットンなどの繊維からなる布を巻き付けたロールで一定方向に擦るラビング処理、塗膜に対して偏光又は非偏光の放射線を照射する光配向処理等が挙げられる。特に、本開示の液晶配向剤を用いて形成された塗膜は光感度が高く、少ない露光量でも良好な液晶配向性を発現できることから、光配向法を好ましく適用することができる。一方、VA型液晶表示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することができるが、該塗膜に対し配向能付与処理を施してもよい。
光配向処理における光照射は、[1]ポストベーク工程後の塗膜に対して照射する方法、[2]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、[3]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、などにより行うことができる。光配向処理において、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。また、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。非偏光の放射線を照射する場合には、照射の方向は斜め方向とする。
使用する光源としては、例えば水銀ランプ、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、エキシマレーザーなどを使用することができる。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。従来知られている光配向用の液晶配向膜材料を用いた場合、通常、5,000J/m以上の光照射量が必要になるが、本開示の液晶配向剤によると、光照射量を5,000J/m未満、好ましくは3,000J/m以下にした場合にも良好な液晶配向性を付与することができる。したがって、液晶素子の生産性向上と、製造コスト削減に資する。塗膜に対する光照射は、反応性を高めるために塗膜を加温しながら行ってもよい。加温の際の温度は、通常30〜250℃である。
[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方法としては、例えば、(1)それぞれの液晶配向膜が対向するように間隙(セルギャップ)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を用いて貼り合わせ、基板表面及びシール剤により区画されたセルギャップ内に液晶を注入充填した後、注入孔を封止する方法、(2)2枚の基板のうちの一方の基板上の所定の場所に、例えば紫外光硬化性のシール剤を塗布し、さらに液晶配向膜面上の所定の数箇所に液晶を滴下した後、液晶配向膜が対向するように他方の基板を貼り合わせるとともに液晶を基板の全面に押し広げ、次いでシール剤を硬化する方法、などが挙げられる。
シール剤としては、例えば硬化剤及びスペーサーとしての酸化アルミニウム球を含有するエポキシ樹脂など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く、例えばシッフベース系液晶、アゾキシ系液晶、ビフェニル系液晶、フェニルシクロヘキサン系液晶、エステル系液晶、ターフェニル系液晶、ビフェニルシクロヘキサン系液晶、ピリミジン系液晶、ジオキサン系液晶、ビシクロオクタン系液晶、キュバン系液晶などを用いることができる。また、これらの液晶にコレステリック液晶、カイラル剤、強誘電性液晶などを添加して使用してもよい。
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ることにより液晶素子が得られる。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を挙げることができる。
本開示の液晶素子は、種々の装置に有効に適用することができ、例えば、テレビジョン、時計、携帯型ゲーム、ワードプロセッサ、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、情報携帯端末、デジタルカメラ、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、各種モニターなどの種々の表示装置や、調光フィルム等に用いることができる。また、本開示の液晶配向剤を用いて形成された液晶素子を位相差フィルムに適用することもできる。
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。
以下の例における各重合体の重量平均分子量及び各重合体溶液の溶液粘度は以下の方法により測定した。なお、下記の例では、「式(X)で表される化合物」を単に「化合物(X)」と記すことがある。
[重合体の重量平均分子量]
重合体の重量平均分子量Mwは、以下の条件におけるゲルパーミエーションクロマトグラフィー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、又は、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
温度:40℃
圧力:68kgf/cm
[重合体溶液の溶液粘度]
重合体溶液の溶液粘度[mPa・s]は、所定の溶媒を用い、重合体濃度20重量%に調製した溶液について、E型回転粘度計を用いて25℃で測定した。
<化合物の合成>
以下の合成例は、必要に応じて下記のスケールで繰り返すことにより、以降の重合体の合成における必要量を確保した。
[合成例1]
化合物(2−1)を下記スキーム1に従って合成した。
Figure 0006682965
・化合物(2−1A)の合成
100W高圧水銀灯及び冷却管を備えた1000mL石英製フラスコに、アセトン800mL、12N塩酸水20mL及び4−アミノ桂皮酸32.6gを加えて、2.7mW/cmの紫外光を40時間照射した。反応終了後、ろ過、乾燥することで化合物(2−1A)を30g得た。
・化合物(2−1B)の合成
還流管及び窒素導入管を備えた200mLのナスフラスコに、化合物(2−1A)20.0g、塩化チオニル100mL及びN,N−ジメチルホルムアミド1mLを加えて、1時間還流させた。反応終了後、濃縮、乾固した後、テトラヒドロフランで再結晶し、ろ過、乾燥することで化合物(2−1B)を17.4g得た。
・化合物(2−1C)の合成
滴下ロート、窒素導入管及び温度計を備えた300mLの三口フラスコに、化合物(2−1B)17.4g及びトルエン200mLを仕込み、5℃以下に冷却した。次に、t−ブチルパーオキサイドの5M デカン溶液をゆっくり加えた後、ピリジン3.2mLをゆっくり滴下した。反応終了後、5%塩酸水を加え、水層を除去した後、5%水酸化カリウム水溶液を加えて、水層を除去し、有機層をさらに、水で3回分液洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥し、濃縮、乾固した。その後、酢酸エチルとヘキサンの混合溶剤で再結晶、ろ過、乾燥することで化合物(2−1C)を15.1g得た。
・化合物(2−1)の合成
還流管、窒素導入管及び温度計を備えた1Lの三口フラスコに、化合物(2−1C)15.1g及びシメン500mLを加えて、150℃で12時間反応させた。反応終了後、150mLまで濃縮し、1500mLのメタノールに再沈殿させた。生じた沈殿をろ過した後、沈殿をテトラヒドロフランに溶かし、シリカカラム(展開溶剤:クロロホルム/エタノール=90/10(重量比))で精製した後、濃縮して析出した結晶をろ過、乾燥することで化合物(2−1)を4.6g得た。
[合成例2]
化合物(2−2)を下記スキーム2に従って合成した。
Figure 0006682965
窒素導入管を備えた200mLのナスフラスコに、化合物(2−1)を4.76g、アセトニトリル50mL、二炭酸−t−ブチル10.91g及びN,N−ジメチルアミノピリジン2.93gを加えて、室温で5時間撹拌した。反応終了後、酢酸エチル200mLを加えて、水で3回分液洗浄を行い、硫酸マグネシウムで乾燥させた後、減圧濃縮して生じた析出物をろ過、乾燥することで化合物(2−2)を7.02g得た。
[合成例3]
化合物(2−3)を下記スキーム3に従って合成した。
窒素導入管、還流管及び温度計を備えた300mLの三口フラスコに化合物(2−1A)8.0g及び濃硫酸を80mL仕込み、140℃で6時間反応させた。室温に戻した後、1Lのジエチルエーテルに注いで析出した沈殿をろ過にて回収し、テトラヒドロフラン200mLに分散させて、1M水酸化ナトリウム水溶液で分液洗浄を2回行った。続いて、有機層に酢酸エチル200mLを加えて水で3回洗浄した後、濃縮、乾固し、ジメチルアセトアミドで再結晶、ろ過、乾燥することで化合物(2−3)を4.6g得た。
Figure 0006682965
[合成例3A(化合物(2−3)の別法)]
窒素導入管、還流管及び温度計を備えた200mLの三口フラスコに30%発煙硫酸を80mL仕込み、5℃以下に氷冷した。次に、化合物(2−1A)4.0gを仕込み、50℃に昇温して2時間反応させた。反応終了後、反応液を1Lの氷水に注いで生じた沈殿をろ過にて回収した。次に、この沈殿を1Lの1M水酸化ナトリウム水溶液に懸濁させ、ろ過にて沈殿を回収し、水洗、真空乾燥することで白色粉末を得た。次に、この粉末をN,N−ジメチルアセトアミドで再結晶、ろ過、真空乾燥することで化合物(2−3)を2.3g得た。
[合成例4]
化合物(2−5)を下記スキーム4に従って合成した。なお、下記スキーム4では、化合物(2−5)と化合物(2−6)の混合物が得られ、下記の重合例では、化合物(2−5)として下記スキーム4で得られた混合物を用いた。
Figure 0006682965
・化合物(2−5A)の合成
100W高圧水銀灯及び冷却管を備えた1000mL石英製フラスコに、ベンゼン300mL、12N塩酸水20mL、インデン116g及びベンゾフェノン10gを加えて、2.7mW/cmの紫外光を40時間照射した。反応終了後、減圧濃縮してオイル状の化合物(2−5A)の粗精製物を得た。このオイル状物質をシリカカラム(展開溶剤ヘキサン)で精製した後、アセトンで再結晶、ろ過、乾燥することで化合物(2−5A)を70g得た。
・化合物(2−5B)の合成
窒素導入管及び温度計を備えた1000mLの三口フラスコに化合物(2−5A)70g及び濃硫酸160mLを加えて、5℃以下に氷冷した。続いて、49.2mLの濃硫酸及び濃硝酸を10℃以下に保ちながらゆっくり加えた。続いて、氷を540g加えた後、室温に戻してろ過し、析出物をエタノールで洗浄した後、析出物をシリカカラム(展開溶剤:クロロホルム:エタノール=9:1)で精製することで化合物(2−5B)を48.3得た。
・化合物(2−5)の合成
窒素導入管、還流管及び温度計を備えた1000mLの三口フラスコに化合物(2−5B)48.3g、テトラヒドロフラン500mL、エタノール250mL及び5%パラジウムカーボン2.4gを加えた後、ヒドラジン一水和物65mLをゆっくり加え、65℃で2時間反応させた。反応終了後、ろ過して得られたろ液を減圧濃縮した後、シリカカラム(展開溶剤:クロロホルム:エタノール=7:3)精製し、濃縮乾固、乾燥させることで化合物(2−5)を26.2g得た。
[合成例5]
化合物(2−9)を下記スキーム5に従って合成した。
Figure 0006682965
・化合物(2−9A)の合成
還流管、温度計及び窒素導入管を備えた300mLの三口フラスコにメチルシクロヘキサン96g、金属カリウム2g及びβ−メチルスチルベン24gを仕込み、100℃で3時間反応させた。反応終了後、蒸留精製することで化合物(2−9A)を10.6g得た。
・化合物(2−9B)の合成
還流管、温度計及び窒素導入管を備えた100mLの三口フラスコに化合物(2−9A)10.6g、硝酸24.6gを加えて、80℃で6時間反応させた。反応終了後、300mLの氷水に注いで析出した沈殿をろ過し、水で洗浄を行った後、エタノールで再結晶することで化合物(2−9B)を13.95g得た。
・化合物(2−9)の合成
還流管、温度計及び窒素導入管を備えた300mLの三口フラスコに化合物(2−9B)13.95g、5%パラジウムカーボン0.70g、テトラヒドロフラン100mL、エタノール100mL及びヒドラジン1水和物8.3gを加えて、70℃で1時間反応させた。反応終了後、セライトろ過して得られたろ液を50mLまで減圧濃縮し、酢酸エチルを200mL加えて、水で3回分液洗浄を行った後、減圧濃縮して析出した結晶をろ過、真空乾燥することで化合物(2−9)を10.3g得た。
[合成例6]
化合物(A−1EC)を下記スキーム6に従って合成した。
Figure 0006682965
・化合物(A−1E)の合成
還流管、窒素導入管及び温度計を備えた200mLの三口フラスコに化合物(A−1)27.0g、メタノール80mL及びピリジン0.99gを加えて、65℃で10時間反応させた。反応終了後、減圧下で100mLまで濃縮した後、酢酸エチルを200mL加えて50mLまで濃縮して析出した結晶をろ過、乾燥することで化合物(A−1E)を27.8g得た。
・化合物(A−1EC)の合成
還流管及び窒素導入管を備えた300mLの三口フラスコに化合物(A−1E)を27.8g、塩化チオニル150mL及びN,N−ジメチルホルムアミド0.1mLを仕込み、1時間還流させた。反応終了後、減圧濃縮にて乾固した後、シクロヘキサンで再結晶し、ろ過、乾燥することで化合物(A−1EC)を26.0g得た。
[合成例7]
化合物(2−10)を下記スキーム7に従って合成した。
Figure 0006682965
窒素導入管を備えた200mLのナスフラスコに、化合物(2−3)を5.80g、ジメチルスルホキシド50mL、二炭酸−t−ブチル10.91g及びN,N−ジメチルアミノピリジン2.93gを加えて、室温で5時間撹拌した。反応終了後、酢酸エチル200mLを加えて水で3回分液洗浄を行い、硫酸マグネシウムで乾燥させた後、減圧濃縮して生じた析出物をろ過、乾燥することで化合物(2−10)を8.55g得た。
<重合体の合成>
[重合例1]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(A−1)9.44g、及びジアミンとして上記合成例1で得た化合物(2−1)10.56gをN−メチル−2−ピロリドン(NMP)80gに溶解し、室温で4時間反応を行うことにより、ポリアミック酸(PAA−1)を20重量%含有する溶液を得た。この溶液の溶液粘度は2,000mPa・sであった。
Figure 0006682965
[重合例2]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(A−2)8.77g、及びジアミンとして上記合成例1で得た化合物(2−1)11.23gをN−メチル−2−ピロリドン80gに溶解し、室温で4時間反応を行うことにより、ポリアミック酸(PAA−2)を20重量%含有する溶液を得た。この溶液の溶液粘度は2,400mPa・sであった。
Figure 0006682965
[重合例3]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(A−3)12.57g、及びジアミンとして上記合成例1で得た化合物(2−1)7.43gをN−メチル−2−ピロリドン80gに溶解し、室温で4時間反応を行うことにより、ポリアミック酸(PAA−3)を20重量%含有する溶液を得た。この溶液の溶液粘度は2,700mPa・sであった。
Figure 0006682965
[重合例4]
滴下ロート、温度計及び窒素導入管を備えた100mLの三口フラスコに、化合物(2−2)4.38g、テトラヒドロフラン20mL及び1Mカリウムヘキサメチルジシラザンテトラヒドロフラン溶液11mLを加えて、5℃以下に氷冷した。次に、シクロヘキサン−1,4−ジカルボン酸ジクロリド2.09gをテトラヒドロフラン20mLに溶かした溶液を30分かけて滴下した後、室温に戻して一昼夜撹拌した。反応終了後、反応液を400mLの水に注いで析出した沈殿をろ過し、水とメタノールで洗浄した後、真空乾燥することでポリアミド(PA−1)を5.0g得た。得られたポリアミド(PA−1)の重量平均分子量は12,000であった。
Figure 0006682965
[重合例5]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(A−1)8.5g、及びジアミンとして上記合成例3で得た化合物(2−3)11.5gをN−メチル−2−ピロリドン(NMP)80gに溶解し、室温で4時間反応を行うことにより、ポリアミック酸(PAA−4)を20重量%含有する溶液を得た。この溶液の溶液粘度は1,800mPa・sであった。
[重合例6]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(A−1)9.0g、及びジアミンとして上記合成例4で得た化合物(2−5)11.0gをN−メチル−2−ピロリドン(NMP)80gに溶解し、室温で4時間反応を行うことにより、ポリアミック酸(PAA−5)を20重量%含有する溶液を得た。この溶液の溶液粘度は1,900mPa・sであった。
[重合例7]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(A−1)8.9g、及びジアミンとして上記合成例5で得た化合物(2−9)11.1gをN−メチル−2−ピロリドン(NMP)80gに溶解し、室温で4時間反応を行うことにより、ポリアミック酸(PAA−6)を20重量%含有する溶液を得た。この溶液の溶液粘度は2,300mPa・sであった。
[重合例8]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(A−3)11.6g、及びジアミンとして上記合成例3Aで得た化合物(2−3)8.4gをN−メチル−2−ピロリドン(NMP)80gに溶解し、室温で4時間反応を行うことにより、ポリアミック酸(PAA−7)を20重量%含有する溶液を得た。この溶液の溶液粘度は2,100mPa・sであった。
[重合例9]
窒素導入管を備えた100mLのナスフラスコに化合物(2−3)を4.1g、化合物(A−1EC)を4.6g、ピリジン2.7g、N−メチル−2−ピロリドン18.2g及びγ−ブチロラクトン(γ−BL)54.6gを加えて室温で3時間重合した。続いて、500mLの水に注いで生じた沈殿をろ過にて回収し、水及びイソプロパノールで洗浄、真空乾燥することでポリアミック酸エステル(PAE−1)を6.4g得た。
[重合例10]
滴下ロート、温度計及び窒素導入管を備えた100mLの三口フラスコに、上記合成例7で得た化合物(2−10)4.91g、テトラヒドロフラン20mL及び1Mカリウムヘキサメチルジシラザンテトラヒドロフラン溶液11mLを加えて、5℃以下に氷冷した。次に、シクロヘキサン−1,4−ジカルボン酸ジクロリド1.05g及び化合物(C−1)1.70gをテトラヒドロフラン20mLに溶かした溶液を30分かけて滴下した後、室温に戻して一昼夜撹拌した。反応終了後、反応液を400mLの水に注いで析出した沈殿をろ過し、水とメタノールで洗浄した後、真空乾燥することでポリアミド(PA−2)を5.2g得た。得られたポリアミド(PA−2)の重量平均分子量は10,000であった。
Figure 0006682965
[重合例11]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(A−2)9.3g、及びジアミンとして2,2’−ジメチル−4,4’−ジアミノビフェニル10.7gをN−メチル−2−ピロリドン(NMP)80gに溶解し、室温で4時間反応を行うことにより、ポリアミック酸(PAA−8)を20重量%含有する溶液を得た。この溶液の溶液粘度は2,500mPa・sであった。
[比較重合例1]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(A−2)9.35g、及びジアミンとして化合物(D−1)10.65gをN−メチル−2−ピロリドン80gに溶解し、室温で4時間反応を行うことにより、ポリアミック酸(RPA−1)を20重量%含有する溶液を得た。この重合体溶液の溶液粘度は2,500mPa・sであった。
Figure 0006682965
<液晶配向剤の調製及び評価>
[実施例1]
1.液晶配向剤の調製
上記重合例1で得たポリアミック酸(PAA−1)を含有する溶液に、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)及びブチルセロソルブ(BC)を加えて十分に撹拌し、溶媒組成がNMP:BC=50:50(重量比)、固形分濃度2.5重量%の溶液とした。この溶液を孔径1μmのフィルターを用いて濾過することにより、液晶配向剤を調製した。
2.液晶配向剤の評価
(1)液晶配向性、電圧保持率及びコントラスト評価用の液晶セルの製造1
上記で調製した液晶配向剤を、ITO膜からなる透明電極を有するガラス基板2枚(一対)の各透明電極面上に、膜厚が0.1μmになるようにスピンナーを用いて塗布した後、80℃で1分加熱(プレベーク)した。次いで、230℃のクリーンオーブンで1時間加熱(ポストベーク)した後、それぞれの塗膜表面に、Hg−Xeランプを用いて、254nmの輝線を含む偏光の紫外線を1,000mJ/cmの照射量で基板法線方向から照射した後、さらに、230℃のクリーンオーブンで30分加熱(ポストベーク)することで、2枚(一対)の基板上にそれぞれ液晶配向膜を形成した。
次に、上記の一対の基板のうちの1枚について、液晶配向膜を形成した面の外周縁部に、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にて塗布した後、液晶配向膜の形成面が相対し、且つ光照射時の偏光面の基板面への投影方向が一致するように一対の基板を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、一対の基板間に、ネマチック液晶(メルク社製、MLC−7028)を液晶注入口から充填した後、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、これを150℃まで加熱してから室温まで徐冷することにより、液晶セル(これを「液晶セルA」とする。)を製造した。
(2)液晶配向性、電圧保持率及びコントラスト評価用の液晶セルの製造2
光配向工程における偏光紫外線の照射量を300mJ/cmに変更したほかは、「2.(1)液晶配向性、電圧保持率及びコントラスト評価用の液晶セルの製造1」と同様にして液晶セル(これを「液晶セルB」とする。)を製造した。
(3)液晶配向性の評価
上記で製造した2つの液晶セルA,Bのそれぞれにつき、交流5Vの電圧をオン・オフ(印加・解除)したときの異常ドメインの有無を偏光顕微鏡で観察した。このとき、異常ドメインが観察されなかった場合を液晶配向性「良好」、異常ドメインが表示領域中にひとつでも観察された場合を液晶配向性「不良」として評価したところ、液晶セルA,B共に、液晶配向性は「良好」と判定された。
(4)電圧保持率の評価
上記で製造した2つの液晶セルA,Bのそれぞれにつき、5Vの電圧を60マイクロ秒の印加、167ミリ秒のスパンで印加した後、印加解除から167ミリ秒後の電圧保持率を測定した。電圧保持率が99.0%以上を「良好」、98.0%以上99.0%未満を「可」、98.0%未満を「不良」としたところ、液晶セルA,B共に、電圧保持率は「良好」と判定された。なお、電圧保持率の測定装置としては、(株)東陽テクニカ社製の型式名「VHR−1」を使用した。
(4)コントラストの評価
上記で製造した2つの液晶セルA,Bのそれぞれにつき、30時間駆動した後のコントラストを調べた。評価は以下のようにして実施した。
光源と光量検出器との間に偏光子と検光子とを設置した装置を使用し、偏光子と検光子との間に、上記で製造した液晶セルを配置して、クロスニコル下における光透過量βを調べ、これらの値を下記数式(1)に代入して最小相対透過率(%)を算出した。
最小相対透過率(%)=(β−B0)/(B100−B0)×100 (1)
(式(1)中、B0はクロスニコル下におけるブランクの光透過量であり、B100はパラニコル下におけるブランクの光透過量であり、βはクロスニコル下において偏光子と検光子との間に液晶セルを配置した状態で測定した光透過量である。)
上記数式(1)で計算される最小相対透過率は、暗状態における黒レベルの程度を示し、この最小相対透過率の値が小さいほど、コントラストに優れると評価することができる。上記最小相対透過率が0.5%未満であった場合をコントラスト「良好」、0.5〜1.0%であった場合をコントラスト「可」、1.0%を超えた場合をコントラスト「不良」として評価したところ、液晶セルA,B共に、コントラストは「良好」と判定された。
[実施例2〜6及び比較例1]
ポリアミック酸(PAA−1)を含有する溶液の代わりに、それぞれ下記表1に示した種類の重合体を含有する溶液を使用したほかは、実施例1と同様にして液晶配向剤を調製し、該液晶配向剤を使用して液晶セルの製造及び各種の評価を行った。なお、実施例5,6では、液晶セルの製造において光配向工程での偏光紫外線の照射量を下記表1に記載の通りに変更した。評価結果は下記表1に示した。
Figure 0006682965
上記表1から理解されるように、重合体[P]を含む液晶配向剤を用いて形成した液晶配向膜は光感度が高く、よって当該液晶配向膜を具備する液晶セルは、優れた液晶配向性及び高い電圧保持率を示すほか、コントラスト特性にも優れていることが確認された。また、特定部分構造中に縮合環を有する重合体[P]を用いた実施例5,6では、300mJ/cmよりもさらに少ない照射量で光配向処理を行った場合にも、良好な液晶配向性、電圧保持率及びコントラスト特性を示した。
[実施例7、8]
ポリアミック酸(PAA−6)又はポリアミック酸(PAA−7)を含む溶液を用いて実施例1と同様に液晶配向剤をそれぞれ調製し、この液晶配向剤を使用して液晶セルの製造及び各種の評価を行った。その結果を下記表2に示した。
[実施例9]
ポリアミック酸エステル(PAE−1)を用い、液晶配向剤の溶剤組成をNMP:γ−BL:BC=40:40:20(重量比)で固形分濃度2.5重量%となるように調製した以外は実施例1と同様に液晶配向剤の評価を行った。結果を表2に示す。
[実施例10]
ポリアミド(PA−2)を用い、液晶配向剤の溶剤組成をNMP:BC=80:20(重量比)で固形分濃度2.5重量%となるように調製した以外は実施例1と同様に液晶配向剤の評価を行った。結果を表2に示す。
Figure 0006682965
[実施例11]
下記表3に示す重合体組成で、液晶配向剤の溶剤組成をNMP:γ−BL:BC=40:40:20(重量比)で固形分濃度2.5重量%となるように調製した以外は実施例1と同様に液晶配向剤の評価を行った。その結果を下記表3に示した。
[実施例12]
下記表3に示す重合体組成で、液晶配向剤の溶剤組成をNMP:BC=80:20(重量比)で固形分濃度2.5重量%となるように調製した以外は実施例1と同様に液晶配向剤の評価を行った。その結果を下記表3に示した。
Figure 0006682965
実施例7〜12からも、重合体[P]を含む液晶配向剤によれば、少ない露光量で優れた液晶配向性を示す有機膜を得ることができ、また高い電圧保持率及びコントラスト特性を示す液晶セルを得ることができることが確認された。

Claims (5)

  1. 下記式(1)で表される部分構造を主鎖に有する重合体[P]を含有する、液晶配向剤。
    Figure 0006682965
    (式(1)中、Rは、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜3のアルキル基、炭素数1〜3のフルオロアルキル基、又はArに結合して環の一部を構成する2価の連結基であり、Rは、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜3のアルキル基、炭素数1〜3のフルオロアルキル基、又はArに結合して環の一部を構成する2価の連結基である。R、R、R及びRは、それぞれ独立に、水素原子、フッ素原子、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る。Ar及びArは、それぞれ独立に、芳香環は複素環を有する環式基であり、前記環式基は環部分に置換基を有していてもよい。「*」は結合手であることを示す。)
  2. 前記重合体[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、ポリアミド、ポリエステル、及びポリエーテルよりなる群から選ばれる少なくとも一種である、請求項1に記載の液晶配向剤。
  3. 請求項1又は2に記載の液晶配向剤を用いて形成された液晶配向膜。
  4. 請求項3に記載の液晶配向膜を具備する液晶素子。
  5. 請求項1又は2に記載の液晶配向剤を基板上に塗布して塗膜を形成し、該塗膜に放射線を照射する、液晶配向膜の製造方法。
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