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JP6638645B2 - 液晶配向剤、液晶配向膜及び液晶表示素子 - Google Patents

液晶配向剤、液晶配向膜及び液晶表示素子 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表示素子に関する。
液晶配向膜は、液晶表示素子や重合性液晶を用いた位相差板等において、液晶分子の配向を一定方向に制御するための膜である。例えば、液晶表示素子は、液晶層をなす液晶分子が、一対の基板のそれぞれの表面に形成された液晶配向膜で挟まれた構造を有する。そして、液晶表示素子では、液晶分子が、液晶配向膜によってプレチルト角を伴って一定方向に配向し、基板と液晶配向膜との間に設けられた電極への電圧印加により応答をする。その結果、液晶表示素子は、液晶分子の応答による配向変化を利用して所望とする画像の表示を行う。液晶配向膜は、液晶表示素子等において、液晶分子等とともに主要な構成部材となる。
液晶配向膜は、基板上に高分子膜を形成して構成することができる。高分子膜としては、高耐熱性で高信頼性のポリイミド膜等を使用することができる。
基板上に液晶配向膜となる高分子膜を形成する方法としては、高分子膜形成のため成分を含む液晶配向剤を使用し、基板上にその塗膜を形成して液晶配向膜となる高分子膜を得る方法が知られている。
例えば、基板上に液晶配向膜となる高分子膜としてポリイミド膜を形成する場合、方法としては、ポリアミック酸等のポリイミド前駆体を含有して調製されたワニスを用いた液晶配向剤を使用し、その塗膜を作製し、基板上でイミド化させる方法が知られている。また、別の方法として、予めイミド化させてあるポリイミドを溶媒に溶解して、所謂、溶媒可溶性ポリイミドワニスを調製し、そのポリイミドワニスを用いた液晶配向剤を使用してポリイミド膜を形成する方法がある。
近年、益々進歩する液晶表示素子の分野において、液晶配向膜は、液晶分子の配向を制御する性能(以下、液晶配向性とも言う。)に加え、液晶表示素子が高い性能を発揮できるように、多様な特性が求められるようになっている。例えば、液晶表示素子の表示品位向上に関する特性として、表示不良の改善に関する特性や透過率の向上が求められている。
そして、液晶配向膜は製造工程への適用性が考慮され、耐熱性や耐溶剤性等が求められている。併せて、液晶配向膜は、液晶表示素子の製造工程への適用性の観点から、ラビング処理に対する高い耐性が強く求められている。ラビング処理は、液晶表示素子の製造工程において、基板上に形成された高分子膜から液晶配向膜を形成する方法として知られ、現在も工業的に広く用いられている。ラビング処理では、基板上に形成されたポリイミド等の高分子膜に対し、その表面を布で擦る配向処理が行われる。
こうしたラビング処理においては、液晶配向膜が削れることで発生する粉塵や液晶配向膜に付いた傷が、表示品位を低下させるという問題が知られている。そのため、液晶配向膜にはラビング処理に対する耐性(以下、ラビング耐性とも言う。)が求められている。
高いラビング耐性を有する液晶配向膜を形成するための方法としては、液晶配向膜をなすポリイミドや、そのポリイミドを形成するためのポリイミド前駆体に種々の添加剤を加える方法(特許文献1、2)や、ラビング耐性の良好なポリイミド構造を導入する方法等が提案されている(特許文献3、4)。その他にも、ポリイミド系の液晶配向剤に、ブロックイソシアネート基を有する化合物を添加することにより、形成される液晶配向膜のラビング耐性を向上させる方法も報告されている(特許文献5)。これらの方法を用いることにより、ラビング処理時の液晶配向膜の削れ(ラビング削れとも言う。)や液晶配向膜の傷(ラビング傷とも言う。)の発生を低減することができる。
日本特開平7−120769号公報 日本特開平9−146100号公報 日本特開2008−90297号公報 日本特開平9−258229号公報 国際公開第WO/2013/122062号パンフレット
上述したように、液晶表示素子においては、強いラビング処理に対しても、ラビング削れやラビング傷の発生を防止し、強いラビング処理に適用可能な液晶配向膜が求められている。そのため、高いラビング耐性を有する液晶配向膜を形成することができる液晶配向剤が求められている。
ブロックイソシアネート基を有する化合物を添加した液晶配向剤を用いた場合、加熱することで3次元架橋が進行し、液晶配向膜の機械的強度(ラビング耐性)が向上することが知られている。しかし、一般的に、3次元架橋が進行すると、ラビング時のポリマー延伸性が低下し、配向規制力の低下が起こるとされており、良好な配向規制力と高いラビング耐性を兼ね備えた液晶配向膜が求められている。
さらに、ラビング処理の後に膜洗浄を行った場合、液晶配向膜の光学異方性が低下することが知られており、これにより、配向規制力が低下すると考えられる。
したがって、高いラビング耐性を有するだけでなく、ポリマー延伸性の阻害や膜洗浄後の光学異方性低下が少なく、良好な液晶配向性を有する液晶配向膜を形成することができる液晶配向剤が求められている。
本発明者は、鋭意研究を進めたところ、従来知られていない新規な成分を液晶配向剤に添加することで、上記の課題を解決し得ることを見出し、本発明に到達した。
具体的には、ポリイミド系の液晶配向剤に、ブロックイソシアネート基を有する化合物を含有させることにより、形成される液晶配向膜のラビング耐性を向上させるだけでなく、配向規制力に優れた液晶配向膜を提供できることを見出した。
本発明は、下記の1〜7を要旨とするものである。
1.ポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体をイミド化し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つの重合体と、下記式(1)で表されるブロックイソシアネート基を有する化合物とを含有することを特徴とする液晶配向剤。
Figure 0006638645
(但し、Zはそれぞれ独立して、炭素数1〜3のアルキル基、水酸基又は下記式(2)で表される有機基であり、Zの少なくとも1つは、下記式(2)で表される有機基である。)
Figure 0006638645
2.前記式(1)で表されるブロックイソシアネート基を有する化合物のブロック部分の熱解離温度が50〜230℃である上記1に記載の液晶配向剤。
3.前記式(1)で表されるブロックイソシアネート基を有する化合物が、下記式(X1)で表される上記1又は2に記載の液晶配向剤。
Figure 0006638645
4.前記ポリイミド前駆体が、下記式(3)で表される構造単位を有する上記1〜3のいずれか1項に記載の液晶配向剤
Figure 0006638645
(但し、Rは、水素原子又は炭素数1〜5のアルキル基であり、A及びAは、それぞれ独立して、水素原子、又は置換基を有してもよい、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数2〜10のアルケニル基若しくは炭素数2〜10のアルキニル基である。Xは、4価の有機基であり、Yは、2価の有機基である。)
5.前記ブロックイソシアネート基を有する化合物が、前記重合体100重量%に対して0.1〜10重量%含有される上記1〜4のいずれかに記載の液晶配向剤。
6.前記重合体が、一級アミン、二級アミン、カルボン酸又はウレア基を有するポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体をイミド化し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つである上記1〜5のいずれかに記載の液晶配向剤。
7.上記1〜6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。
8.上記1〜6のいずれか1項に記載の液晶配向剤を基板に塗布し、焼成して得られる
液晶配向膜。
9.上記7又は8に記載の液晶配向膜を有する液晶表示素子。
本発明の液晶配向剤によれば、高いラビング耐性を有し、良好な液晶配向性を有する液晶配向膜を提供することができる。高いラビング耐性を有することによって、ラビング処理により液晶配向膜が削れることで発生する粉塵の問題や、液晶配向膜に付いた傷が液晶表示素子の表示品位を低下させるという問題を低減することができる。
さらに、本発明によれば、良好な残像特性を示す液晶表示素子を提供することができる。
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明の液晶配向剤は、テトラカルボン酸誘導体とジアミン成分とを反応させて得られるポリイミド前駆体及びそれをイミド化し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。ポリイミド前駆体としては、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル等が含まれる。そして、本発明の液晶配向剤は、ポリイミド前駆体及びポリイミドから選ばれる少なくとも1種の重合体とともに、ブロックイソシアネート基を有する化合物(以下、単に、ブロックイソシアネート化合物とも言う。)を含有する。
以下では、本発明の液晶配向剤に含有可能な成分である、ポリイミド前駆体、ポリイミド、及びブロックイソシアネート基を有する化合物について説明する。さらに、それらを含有して構成される本発明の液晶配向剤について説明する。
<ポリイミド前駆体>
本発明の液晶配向剤に含有されるポリイミド前駆体は、ポリアミック酸及びポリアミック酸エステルを指し、下記式(3)で表される構造単位を有する。
Figure 0006638645
上記式(3)において、Rは、水素原子又は炭素数1〜5のアルキル基であり、A、Aは、それぞれ独立して、水素原子、又は置換基を有してもよい、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数2〜10のアルケニル基若しくは炭素数2〜10のアルキニル基である。
上記式(3)において、Rは、水素原子又は炭素数1〜5、好ましくは1〜2のアルキル基である。ポリアミック酸エステルは、アルキル基における炭素数が増えるに従ってイミド化が進行する温度が高くなる。そのため、Rは、熱によるイミド化のしやすさの観点から、メチル基が特に好ましい。
上記式(3)において、A及びAは、それぞれ独立して、水素原子、又は置換基を有してもよい、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数2〜10のアルケニル基若しくは炭素数2〜10のアルキニル基である。
上記炭素数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。
上記炭素数2〜10のアルケニル基としては、上記のアルキル基に存在する1つ以上のCH−CHを、CH=CHに置き換えたものが挙げられ、より具体的には、ビニル基、アリル基、1−プロペニル基、イソプロペニル基、2−ブテニル基、1,3−ブタジエニル基、2−ペンテニル基、2−ヘキセニル基、シクロプロペニル基、シクロペンテニル基、シクロヘキセニル基等が挙げられる。
上記炭素数2〜10のアルキニル基としては、前記のアルキル基に存在する1つ以上のCH−CH構造をC≡C構造に置き換えたものが挙げられ、より具体的には、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。
上記の炭素数1〜10のアルキル基、炭素数2〜10のアルケニル基及び炭素数2〜10のアルキニル基は置換基を有していてもよく、さらには置換基によって環構造を形成してもよい。尚、置換基によって環構造を形成するとは、置換基同士又は置換基と母骨格の一部とが結合して環構造となることを意味する。
この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。
置換基であるハロゲン基としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子又はヨウ素原子が挙げられる。
置換基であるアリール基としては、フェニル基が挙げられる。このアリール基には前述した他の置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるオルガノオキシ基としては、O−Rで表される構造を示すことができる。このRは同一でも異なってもよく、前述したアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基などを例示することができる。これらのRには、前述した置換基がさらに置換していてもよい。オルガノオキシ基の具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、プロピルオキシ基、ブトキシ基、ペンチルオキシ基、ヘキシルオキシ基、ヘプチルオキシ基、オクチルオキシ基等が挙げられる。
置換基であるオルガノチオ基としては、−S−Rで表される構造を示すことができる。このRとしては、前述したアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基等を例示することができる。これらのRには、前述した置換基がさらに置換していてもよい。オルガノチオ基の具体例としては、メチルチオ基、エチルチオ基、プロピルチオ基、ブチルチオ基、ペンチルチオ基、ヘキシルチオ基、ヘプチルチオ基、オクチルチオ基等が挙げられる。
置換基であるオルガノシリル基としては、−Si−(R)で表される構造を示すことができる。このRは同一でも異なってもよく、前述したアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基等を例示することができる。これらのRには、前述した置換基がさらに置換していてもよい。オルガノシリル基の具体例としては、トリメチルシリル基、トリエチルシリル基、トリプロピルシリル基、トリブチルシリル基、トリペンチルシリル基、トリヘキシルシリル基、ペンチルジメチルシリル基、ヘキシルジメチルシリル基等が挙げられる。
置換基であるアシル基としては、−C(O)−Rで表される構造を示すことができる。このRとしては、前述したアルキル基、アルケニル基、アリール基等を例示することができる。これらのRには、前述した置換基がさらに置換していてもよい。アシル基の具体例としては、ホルミル基、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、イソブチリル基、バレリル基、イソバレリル基、ベンゾイル基等が挙げられる。
置換基であるエステル基としては、−C(O)O−R、又は−OC(O)−Rで表される構造を示すことができる。このRとしては、前述したアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基等を例示することができる。これらのRには、前述した置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるチオエステル基としては、−C(S)O−R、又は−OC(S)−Rで表される構造を示すことができる。このRとしては、前述したアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基などを例示することができる。これらのRには、前述した置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるリン酸エステル基としては、−OP(O)−(OR)で表される構造を示すことができる。このRは同一でも異なってもよく、前述したアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基等を例示することができる。これらのRには、前述した置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるアミド基としては、−C(O)NH、−C(O)NHR、−NHC(O)R、−C(O)N(R)、又は−NRC(O)Rで表される構造を示すことができる。このRは同一でも異なってもよく、前述したアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基などを例示することができる。これらのRには、前述した置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるアリール基としては、前述したアリール基と同じものを挙げることができる。このアリール基には、前述した他の置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるアルキル基としては、前述したアルキル基と同じものを挙げることができる。このアルキル基には、前述した他の置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるアルケニル基としては、前述したアルケニル基と同じものを挙げることができる。このアルケニル基には、前述した他の置換基がさらに置換していてもよい。
置換基であるアルキニル基としては、前述したアルキニル基と同じものを挙げることができる。このアルキニル基には、前述した他の置換基がさらに置換していてもよい。
一般に、嵩高い構造を導入すると、アミノ基の反応性や液晶配向性を低下させる可能性があるため、A及びAとしては、水素原子、又は置換基を有してもよい炭素数1〜5のアルキル基がより好ましく、水素原子、メチル基又はエチル基が特に好ましい。
上記式(3)において、Xは、4価の有機基であれば、その構造は特に限定されるものではなく、2種類以上が混在していてもよい。Xの具体例を示すならば、以下に示すX−1〜X−47が挙げられる。なかでも、モノマーの入手性から、Xは、X−1、X−2、X−3、X−4、X−5、X−6、X−8、X−16、X−19、X−21、X−25、X−26、X−27、X−28、X−32又はX−47が好ましい。
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上記式(3)において、Yは2価の有機基であり、2種類以上が混在していてもよい。Yの具体例としては、下記のY−1〜Y−108が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらの中でも、Yの具体例としては、ジアミンの反応性及びポリマーの溶解性の観点から、Y−7、Y−8、Y−13、Y−18、Y−19、Y−42,Y−43、Y−45、Y−55、Y−59、Y−74、Y−78、Y−79、Y−80、Y−81、又はY−82が好ましく、Y−19、Y−42、Y−43、Y−45、Y−74、Y−81又はY−82がより好ましい。
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本発明の液晶配向剤に含まれるポリイミド前駆体としては、後述するブロックイソシアネート基を有する化合物との間で架橋反応が進行するのに好適な構造のポリイミド前駆体が好ましく、具体的には、一級アミン、二級アミン、カルボン酸及びウレア基のうちの少なくとも一つを有するポリイミド前駆体が好ましく、一級アミン及びウレア基のうち少なくとも一つを有するポリイミド前駆体がより好ましい。
<ポリイミド前駆体の製造方法―ポリアミック酸の製造>
上記式(3)で表される構造単位を有するポリイミド前駆体であるポリアミック酸は、テトラカルボン酸誘導体であるテトラカルボン酸二無水物とジアミン成分との反応により得られる。
テトラカルボン酸二無水物とジアミン成分との反応により、ポリアミック酸を得るにあたっては、公知の合成方法を用いることができる。その合成方法は、テトラカルボン酸二無水物とジアミン成分とを有機溶媒中で反応させる方法である。テトラカルボン酸二無水物とジアミンとの反応は、有機溶媒中で比較的容易に進行し、かつ副生成物が発生しない点で有利である。
テトラカルボン酸二無水物とジアミン成分との反応に用い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。その具体例を以下に挙げる。
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−エチル−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、テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルスルホキシド、γ−ブチロラクトン、イソプロピルアルコール、メトキシメチルペンタノール、ジペンテン、エチルアミルケトン、メチルノニルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソアミルケトン、メチルイソプロピルケトン、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトール、エチルカルビトール、エチレングリコール、エチレングリコールモノアセテート、エチレングリコールモノイソプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコール−tert−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコール、ジエチレングリコールモノアセテート、ジエチ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モノアセテートモノメチルエーテル、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アセテート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アセテートモノプロピルエーテル、3−メチル−3−メトキシブチルアセテート、トリプロピレングリコールメチルエーテル、3−メチル−3−メトキシブタノール、ジイソプロピルエーテル、エチルイソブチルエーテル、ジイソブチレン、アミルアセテート、ブチルブチレート、ブチルエーテル、ジイソブチルケトン、メチルシクロへキセン、プロピルエーテル、ジヘキシルエーテル、ジオキサン、n−へキサン、n−ペンタン、n−オクタン、ジエチルエーテル、シクロヘキサノン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、乳酸メチル、乳酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n−ブチル、酢酸プロピレングリコールモノエチルエーテル、ピルビン酸メチル、ピルビン酸エチル、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メチルエチル、3−メトキシプロピオン酸エチル、3−エトキシプロピオン酸、3−メトキシプロピオン酸、3−メトキシプロピオン酸プロピル、3−メトキシプロピオン酸ブチル、ジグライム、4−ヒドロキシ−4−メチル−2−ペンタノン、3−メトキシ−N,N−ジメチルプロパンアミド、3−エトキシ−N,N−ジメチルプロパンアミド、3−ブトキシ−N,N−ジメチルプロパンアミド等が挙げられる。
これら例示された溶媒は、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。
テトラカルボン酸二無水物とジアミン成分とを有機溶媒中で反応させる際には、ジアミン成分を有機溶媒に分散あるいは溶解させた溶液を攪拌させ、テトラカルボン酸二無水物をそのまま、又は有機溶媒に分散あるいは溶解させて添加する方法、逆にテトラカルボン酸二無水物を有機溶媒に分散あるいは溶解させた溶液にジアミン成分を添加する方法、テトラカルボン酸二無水物とジアミン成分とを交互に添加する方法等が挙げられ、これらのいずれの方法を用いても良い。また、テトラカルボン酸二無水物又はジアミン成分が複数種の化合物からなる場合は、あらかじめ混合した状態で反応させても良く、個別に順次反応させても良く、さらに個別に反応させた低分子量体を混合反応させ高分子量体としても良い。
その際の重合温度は−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℃の範囲である。
また、反応は任意の濃度で行うことができるが、濃度が低すぎると高分子量の重合体を得ることが難しくなり、濃度が高すぎると反応液の粘性が高くなり過ぎて、均一な攪拌が困難となるので、テトラカルボン酸二無水物とジアミン成分の反応溶液中での合計濃度は、好ましくは1〜50重量%、より好ましくは5〜30重量%である。反応初期は高濃度で行い、その後、有機溶媒を追加することができる。
ポリアミック酸の重合反応においては、テトラカルボン酸二無水物の合計モル数と、ジアミン成分の合計モル数の比は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、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。
<ポリイミド前駆体の製造方法―ポリアミック酸エステルの製造>
上記式(3)で表される構造単位を有するポリイミド前駆体であるポリアミック酸エステルは、テトラカルボン酸誘導体及びジアミン化合物を用いて、次に示す(A)、(B)又は(C)の方法で製造することができる。
(A)ポリアミック酸から製造する場合
ポリアミック酸エステルは、テトラカルボン酸二無水物とジアミンから得られるポリアミック酸をエステル化することによって製造することができる。
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−ジメトキシー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などが挙げられる。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。
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観点から、1〜30重量%が好ましく、5〜20重量%がより好ましい。
(B)テトラカルボン酸ジエステルジクロリドとジアミンとの反応により製造する場合
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ジアミン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。
前記塩基には、ピリジン、トリエチルアミン、4−ジメチルアミノピリジンなどが使用できるが、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観点から、テトラカルボン酸ジエステルジクロリドに対して、2〜4モル倍であることが好ましい。
上記の反応に用いる溶媒は、モノマー及びポリマーの溶解性から、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観点から、1〜30重量%が好ましく、5〜20重量%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、反応は、窒素雰囲気中で、外気の混入を防ぐのが好ましい。
(C)テトラカルボン酸ジエステルとジアミンから製造する場合
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ジアミン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。
前記縮合剤には、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などが使用できる。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モル倍であることが好ましく、2〜2.5モル倍がより好ましい。
前記塩基には、ピリジン、トリエチルアミン等の3級アミンが使用できる。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観点から、ジアミン成分に対して2〜4モル倍が好ましく、2.5〜3.5モル倍がより好ましい。
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モル倍が好ましい。
上述した3つのポリアミック酸エステルの製造方法の中でも、高分子量のポリアミック酸エステルを再現性良く得るため、上記(C)の製造方法が特に好ましい。
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、常温又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、イソプロピルアルコール等が挙げられる。
<ポリイミド>
本発明に用いられるポリイミドは、ポリイミド前駆体である、前記したポリアミック酸エステル又はポリアミック酸をイミド化することによって製造することができる。ポリイミド前駆体を脱水閉環させるイミド化反応は、熱イミド化又は化学的イミド化が一般的であるが、比較的低温でイミド化反応が進行する化学的イミド化が、得られるポリイミドの分子量低下が起こりにくく好ましい。
化学的イミド化は、ポリイミド前駆体を有機溶媒中において、塩基性触媒と酸無水物の存在下で攪拌することにより行うことができる。このときの反応温度は−20〜250℃、好ましくは0〜180℃であり、反応時間は1〜100時間で行うことができる。
塩基性触媒の量はポリイミド前駆体の0.5〜30モル倍、好ましくは2〜20モル倍であり、酸無水物の量はポリイミド前駆体の1〜50モル倍、好ましくは3〜30モル倍である。塩基性触媒や酸無水物の量が少ないと反応が十分に進行せず、また多すぎると反応終了後に完全に除去することが困難となる。
イミド化に用いる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る。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。
また、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など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。
有機溶媒としては、前述したポリアミック酸重合反応時に用いる溶媒を使用することができる。化学的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。
このようにして得られたポリイミド溶液は、添加した触媒が溶液内に残存しているので、本発明の液晶配向剤に用いるためには、このポリイミド溶液を、攪拌している貧溶媒に投入し、ポリイミドを沈殿回収して使用するのが好ましい。ポリイミドの沈殿回収に用いる貧溶媒としては特に限定されないが、メタノール、アセトン、ヘキサン、ブチルセルソルブ、ヘプタン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、エタノール、トルエン、ベンゼンなどが例示できる。貧溶媒に投入することにより沈殿したポリイミドは、濾過・洗浄して回収した後、常圧あるいは減圧下で、常温あるいは加熱乾燥してパウダーとすることができる。このパウダーを更に良溶媒に溶解して、再沈殿する操作を2〜10回繰り返すと、ポリイミドを精製することもできる。一度の沈殿回収操作では不純物が除ききれないときは、この精製工程を繰り返し行うことが好ましい。繰り返し精製工程を行う際の貧溶媒として、例えば、アルコール類、ケトン類、炭化水素類など3種類以上の貧溶媒を混合もしくは順次用いることで、より一層精製の効率が上がるので好ましい。
本発明の液晶配向剤に含有されるポリイミドのイミド化率は特に限定されない。ポリイミドの溶解性を考慮し、任意の値に設定すればよい。本発明の液晶配向剤に含有されるポリイミドの分子量は特に限定されないが、ポリイミドの分子量は小さ過ぎると、得られる塗膜の強度が不十分となる場合があり、逆にポリイミドの分子量が大き過ぎると、製造される液晶配向剤の粘度が高くなり過ぎて、塗膜形成時の作業性、塗膜の均一性が悪くなる場合がある。従って、本発明の液晶配向剤に用いるポリイミドの重量平均分子量は、2,000〜500,000が好ましく、より好ましくは5,000〜300,000である。
<ブロックイソシアネート化合物>
本発明の液晶配向剤は、ブロックイソシアネート基を有する化合物(以下、単に、ブロックイソシアネート化合物とも言う。)を含有する。
ブロックイソシアネート化合物は、イソシアネート基(−NCO)が保護基によりブロックされたブロックイソシアネート基を分子中に有し、液晶配向膜形成時の加熱焼成に際して、高温に曝されると保護基(ブロック部分)が熱解離して外れ、生じたイソシアネート基を介して、液晶配向膜を構成するポリイミド等の重合体との間で架橋反応が進行するものである。例えば、式(4)で表される基を分子中に有する化合物が挙げられる。
Figure 0006638645
(式(4)中、Rはブロック部の有機基を表す。)
本発明では、上記式(1)で表されるブロックイソシアネート基を有する化合物が使用される。上記式(1)中、Zはそれぞれ独立して、炭素数1〜3のアルキル基、好ましくはメチル基、水酸基、又は下記式(2)で表される有機基であり、Zの少なくとも1つは、下記式(2)で表される有機基である。
Figure 0006638645
ブロックイソシアネート化合物は、例えば、分子中にイソシアネート基を有する化合物に対して、適当なブロック剤を作用せしめることにより得ることができる。
ブロック剤としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール、n−ブタノール、2−エトキシヘキサノール、2−N,N−ジメチルアミノエタノール、2−エトキシエタノール、シクロヘキサノール等のアルコール類;フェノール、o−ニトロフェノール、p−クロロフェノール、o−、m−又はp−クレゾール等のフェノール類;ε−カプロラクタム等のラクタム類;アセトンオキシム、メチルエチルケトンオキシム、メチルイソブチルケトンオキシム、シクロヘキサノンオキシム、アセトフェノンオキシム、ベンゾフェノンオキシム等のオキシム類;ピラゾール、3,5−ジメチルピラゾール、3−メチルピラゾール等のピラゾール類;ドデカンチオール、ベンゼンチオール等のチオール類;等が挙げられる。
ブロックイソシアネート化合物は、液晶配向膜形成時の加熱焼成の温度のような高温の状態では、ブロック部分の熱解離が生じ、イソシアネート基を介して架橋反応が進行するものであるが、液晶配向剤保存時のような低温の状態では、イソシアネート基による架橋が進行しないものであることが好ましい。そのような熱反応性を実現するために、ブロックイソシアネート化合物は、ブロック部分の熱解離の温度が液晶配向剤保存時よりも相当に高いもの、例えば、50〜230℃であるものが好ましく、80〜180℃であるものがより好ましい。
ブロックイソシアネート化合物は、上記したように、それを含有する液晶配向剤を用いて形成される液晶配向膜において、ラビング耐性の向上を実現することができる。その場合、特に、1分子中、ブロックイソシアネート基を3つ以上有するブロックイソシアネート化合物が、液晶配向膜のラビング耐性の向上に有効となる。
1分子中にブロックイソシアネート基を3つ以上有する化合物は、例えば、1分子中3個以上のイソシアネート基を有する化合物に対して、上記したブロック剤を作用せしめることにより、得ることができる。
そのような1分子中にブロックイソシアネート基を3つ以上有する化合物の具体例としては、次の式(X1)で表される化合物が挙げられる。
Figure 0006638645
本発明の液晶配向剤にブロックイソシアネート化合物を含有させる場合、ブロックイソシアネート化合物は1種単独で用いてもよく、また2種以上を組合せて用いてもよい。
また、ブロックイソシアネート化合物は、液晶配向剤中の重合体成分100重量%に対して、0.1〜10重量%、好ましくは0.2〜8重量%の割合で含有される。
ブロックイソシアネート化合物の含有量が前記範囲の下限未満であると、熱硬化が不十分となって、満足な液晶配向膜でのラビング耐性向上効果が得られない。一方、ブロックイソシアネート化合物の含有量が前記範囲の上限を超えると、ポリマーの延伸性が低下し、形成される液晶配向膜の液晶配向性が低下する懸念がある。一方、液晶配向膜の有機溶剤安定性は、ブロックイソシアネート化合物の含有量が多いほど、良好であると考えられる。
<液晶配向剤>
本発明の液晶配向剤は、液晶配向膜を形成するための塗布液であり、樹脂被膜を形成するための樹脂成分が有機溶媒に溶解した溶液である。ここで、前記の樹脂成分は、上述したポリイミド前駆体及びポリイミドからなる群から選ばれる少なくとも1種の重合体を含む樹脂成分である。樹脂成分の液晶配向剤中の含有量は、1〜20重量%が好ましく、より好ましくは3〜15重量%、さらに好ましくは3〜10重量%である。
尚、本発明において、前記の樹脂成分は、全てが上述した重合体であってもよく、それ以外の他の重合体が混合されていてもよい。その際、樹脂成分中における上述した重合体以外の他の重合体の含有量は0.5〜15重量%、好ましくは1〜10重量%である。
本発明の液晶配向剤に用いる有機溶媒は、上述した重合体等の樹脂成分及び上述したブロックイソシアネート化合物を溶解させる有機溶媒であれば特に限定されない。その具体例を以下に挙げる。
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、2−ピロリドン、N−エチルピロリドン、N−ビニルピロリドン、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルスルホキシド、γ−ブチロラクトン、3−メトキシ−N,N−ジメチルプロパンアミド、3−エトキシ−N,N−ジメチルプロパンアミド、3−ブトキシ−N,N−ジメチルプロパンアミド、1,3−ジメチル−イミダゾリジノン、エチルアミルケトン、メチルノニルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソアミルケトン、メチルイソプロピルケトン、シクロヘキサノン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジグライム、4−ヒドロキシ−4−メチル−2−ペンタノン等が挙げられる。これらは単独で使用しても、混合して使用してもよい。
本発明の液晶配向剤は、上記以外の成分を含有してもよい。その例としては、液晶配向剤を塗布した際の膜厚均一性や表面平滑性を向上させる溶媒や化合物、液晶配向膜と基板との密着性を向上させる化合物などである。
膜厚の均一性や表面平滑性を向上させる溶媒(貧溶媒)の具体例としては次のものが挙げられる。
例えば、イソプロピルアルコール、メトキシメチルペンタノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトール、エチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、エチレングリコール、エチレングリコールモノアセテート、エチレングリコールモノイソプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコール−tert−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコール、ジエチレングリコールモノアセテート、ジエチ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モノアセテートモノメチルエーテル、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アセテート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アセテートモノプロピルエーテル、3−メチル−3−メトキシブチルアセテート、トリプロピレングリコールメチルエーテル、3−メチル−3−メトキシブタノール、ジイソプロピルエーテル、エチルイソブチルエーテル、ジイソブチレン、アミルアセテート、ブチルブチレート、ブチルエーテル、ジイソブチルケトン、メチルシクロへキセン、プロピルエーテル、ジヘキシルエーテル、1−ヘキサノール、n−へキサン、n−ペンタン、n−オクタン、ジエチルエーテル、乳酸メチル、乳酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n−ブチル、酢酸プロピレングリコールモノエチルエーテル、ピルビン酸メチル、ピルビン酸エチル、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メチルエチル、3−メトキシプロピオン酸エチル、3−エトキシプロピオン酸、3−メトキシプロピオン酸、3−メトキシプロピオン酸プロピル、3−メトキシプロピオン酸ブチル、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール、1−ブトキシ−2−プロパノール、1−フェノキシ−2−プロパノール、プロピレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールジアセテート、プロピレングリコール−1−モノメチルエーテル−2−アセテート、プロピレングリコール−1−モノエチルエーテル−2−アセテート、ジプロピレングリコール、2−(2−エトキシプロポキシ)プロパノール、乳酸メチルエステル、乳酸エチルエステル、乳酸n−プロピルエステル、乳酸n−ブチルエステル、乳酸イソアミルエステル等の低表面張力を有する溶媒等が挙げられる。
これらの貧溶媒は1種類でも複数種類を混合して用いてもよい。上記のような溶媒を用いる場合、その含有量は、液晶配向剤に含まれる溶媒全体の5〜80重量%であることが好ましく、より好ましくは20〜60重量%である。
膜厚の均一性や表面平滑性を向上させる化合物としては、フッ素系界面活性剤、シリコーン系界面活性剤、ノ二オン系界面活性剤等が挙げられる。
より具体的には、例えば、エフトップEF301、EF303、EF352(以上は、トーケムプロダクツ社商標)、メガファック(F171、F173、R−30(以上は、大日本インキ社商標)、フロラードFC430、FC431(以上は、住友スリーエム社商標)、アサヒガードAG710、サーフロンS−382、SC101、SC102、SC103、SC104、SC105、SC106(以上は、旭硝子社商標)等が挙げられる。
これらの界面活性剤の使用割合は、液晶配向剤に含有される樹脂成分の100重量部に対して、好ましくは0.01〜2重量部、より好ましくは0.01〜1重量部である。
液晶配向膜と基板との密着性を向上させる化合物の具体例としては、次に示す官能性シラン含有化合物やエポキシ基含有化合物等が挙げられる。
例えば、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、2−アミノプロピルトリメトキシシラン、2−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、3−ウレイドプロピルトリメトキシシラン、3−ウレイドプロピルトリエトキシシラン、N−エトキシカルボニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−エトキシカルボニル−3−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−トリエトキシシリルプロピルトリエチレントリアミン、N−トリメトキシシリルプロピルトリエチレントリアミン、10−トリメトキシシリル−1,4,7−トリアザデカン、10−トリエトキシシリル−1,4,7−トリアザデカン、9−トリメトキシシリル−3,6−ジアザノニルアセテート、9−トリエトキシシリル−3,6−ジアザノニルアセテート、N−ベンジル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−ベンジル−3−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−ビス(オキシエチレン)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−ビス(オキシエチレン)−3−アミノプロピルトリエトキシシラン、エチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリ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、トリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ネオペンチル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、グリセリンジグリシジルエーテル、2,2−ジブロモネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、1,3,5,6−テトラグリシジル−2,4−ヘキサンジオール、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等が挙げられる。
基板との密着性を向上させる化合物を使用する場合、その使用量は、液晶配向剤に含有される樹脂成分の100重量部に対して0.1〜30重量部であることが好ましく、より好ましくは1〜20重量部である。使用量が0.1重量部未満であると密着性向上の効果は期待できず、30重量部よりも多くなると形成される液晶配向膜の液晶配向性が低下する場合がある。
本発明の液晶配向剤には、上記の他、本発明の効果が損なわれない範囲であれば、液晶配向膜の誘電率や導電性などの電気特性を変化させる目的で、誘電体や導電物質、さらには、液晶配向膜にした際の膜の硬度や緻密度を高める目的の架橋性化合物を添加してもよい。
<液晶配向膜>
本発明の液晶配向剤は、好ましくは、基板に塗布する前に濾過した後、基板に塗布し、プリベークによる乾燥、次いで、加熱焼成をすることで塗膜とすることができる。そして、この塗膜面をラビング処理することにより、液晶配向膜を形成することができる。
本発明の液晶配向剤は、上述したブロックイソシアネート化合物を含有し、形成される液晶配向膜は高いラビング耐性を有する。
本発明の液晶配向剤を基板に塗布する場合、使用する基板としては、透明性の高い基板を使用することができる。基板としては、例えば、ガラス基板の他、アクリル基板やポリカーボネート基板等のプラスチック基板を用いることができる。液晶表示素子の製造において、本発明の液晶配向剤を用いる場合、液晶駆動のためのITO(Indium Tin Oxide)電極等が形成された基板を用い、液晶配向膜を形成することが好ましい。また、反射型の液晶表示素子を製造する場合は、片側の基板のみにならば、シリコンウエハ等の不透明な基板でも使用でき、この場合の電極は、アルミニウム等の光を反射する材料を使用することもできる。
本発明の液晶配向剤を基板上に塗布する方法としては、例えば、スクリーン印刷、オフセット印刷、フレキソ印刷又はインクジェット法が挙げられる。その他の塗布方法としては、ディップ法、ロールコータ法、スリットコータ法、スピンナー法又はスプレー法等があり、目的に応じてこれらを用いてもよい。
液晶配向剤を塗布した後のプリベークによる乾燥の工程は、必ずしも必要とされないが、塗布後から加熱焼成までの時間が基板ごとに一定していない場合や、塗布後ただちに加熱焼成されない場合には、乾燥工程を含める方が好ましい。このプリベークによる乾燥は、基板の搬送等により塗膜形状が変形しない程度に溶媒が蒸発していればよく、また、液晶配向剤に含有される上述したブロックイソシアネート化合物が反応しない温度で行われることが好ましい。
乾燥手段については特に限定されない。具体例を挙げるならば、50〜120℃、好ましくは80〜120℃のホットプレート上で、0.5〜30分、好ましくは1〜5分乾燥させる方法が好ましい。
液晶配向剤を塗布した基板の焼成は、ホットプレート、熱循環型オーブン又はIR(赤外線)型オーブンの加熱手段により、120〜350℃の温度で行うことができる。焼成温度は、液晶配向剤に含有されるブロックイソシアネート化合物の反応性を考慮し、好ましくは140〜300℃であり、さらに好ましくは180〜250℃である。ただし、液晶表示素子の製造工程で必要とされる、シール剤硬化などの熱処理温度より、10℃以上高い温度で焼成することが好ましい。
焼成後の塗膜の厚みは、厚すぎると液晶表示素子の消費電力の面で不利となり、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、好ましくは10〜200nm、より好ましくは50〜100nmである。
上記のようにして基板上に形成された塗膜面のラビング処理は、既存のラビング装置を使用することができる。この際のラビング布の材質としては、コットン、レーヨン、ナイロン等が挙げられる。ラビング処理の条件としては、一般的に、回転速度300〜2000rpm、送り速度5〜100mm/s、押し込み量0.1〜1.0mmという条件が用いられる。その後、純水やアルコールなどを用いて超音波洗浄により、ラビングにより生じた残渣が除去される。
本発明の液晶配向剤は、上記した方法により基板上に液晶配向膜を形成した後は、その液晶配向膜付き基板を用い、公知の方法で液晶表示素子を製造することができる。
<液晶表示素子>
本発明の液晶表示素子は、上記した手法により、本発明の液晶配向剤から液晶配向膜付き基板を得た後、公知の方法で液晶セルを作製し、液晶表示素子としたものである。
液晶表示素子の作製方法の一例は、以下の通りである。まず、液晶配向膜の形成された1対の基板を用意し、それらを、好ましくは1〜30μm、より好ましくは2〜10μmのスペーサーを挟んで、ラビング方向が0°〜270°の任意の角度となるように設置して周囲をシール剤で固定する。次いで、基板間に液晶を注入して封止する。液晶封入の方法については特に制限されず、作製した液晶セル内を減圧にした後に液晶を注入する真空法、液晶を滴下した後に封止を行う滴下法等が例示できる。
以下に実施例を挙げ、本発明をさらに詳しく説明する。尚、本発明はこれらに限定して解釈されるものではない。
実施例及び比較例で使用する主な化合物の構造と略号は以下のとおりである。
<テトラカルボン酸ジエステル、テトラカルボン酸二無水物>
Y-1:1,2,3,4−ブタンテトラカルボン酸二無水物
Y-2:ピロメリット酸二無水物
Y-3:2,5-ビス(エトキシカルボニル)ベンゼン-1,4-ジカルボン酸
Y-4:2,4−ビス(メトキシカルボニル)シクロブタン−1,3−ジカルボン酸
<ジアミン>
Z-1:ビス(4−アミノフェノキシ)メタン
Z-2:1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)プロパン
Z-3:4,4’-ジアミノジフェニルアミン
Z-4:1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン
Z-5:1,3−ビス(4−アミノフェネチル)ウレア
<縮合剤>
DBOP:ジフェニル(2,3−ジヒドロ−2−チオキソ−3−ベンゾオキサゾリル)ホスホナート
<構造式>
Figure 0006638645
<ブロックイソシアネート化合物>
Figure 0006638645
Figure 0006638645
以下に、本実施例及び比較例で行った評価方法について示す。
[粘度]
ポリアミック酸溶液、ポリイミド溶液又はポリアミック酸エステル溶液の粘度は、E型粘度計TVE−22H(東機産業社製)を用い、サンプル量1.1mL、コーンロータTE−1(1°34’、R24)、温度25℃で測定した。
[固形分濃度]
ポリアミック酸溶液、ポリイミド溶液又はポリアミック酸エステル溶液の固形分濃度の算出は以下のようにして行った。
持手付アルミカップNo.2(アズワン社製)に、ポリアミック酸溶液、ポリイミド溶液又はポリアミック酸エステル溶液をおよそ1.1g取り、オーブンDNF400(ヤマト科学社製)にて2時間、200℃の温度で加熱した。その後、室温5分間放置し、アルミカップ内に残った固形分の重量を計量した。この固形分重量、及び元の溶液重量の値から固形分濃度を算出した。
[分子量]
ポリアミック酸溶液、ポリイミド溶液又はポリアミック酸エステル溶液の分子量はGPC(常温ゲル浸透クロマトグラフィー)装置によって測定し、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド換算値として数平均分子量(以下、Mnとも言う。)と重量平均分子量(以下、Mwとも言う。)を算出した。
GPC装置:Shodex社製(GPC−101)
カラム:Shodex社製(KD803、KD805の直列)
カラム温度:50℃
溶離液:N,N−ジメチルホルムアミド(添加剤として、臭化リチウム−水和物(LiBr・HO)が30mmol/L、リン酸・無水結晶(o−リン酸)が30mmol/L、テトラヒドロフラン(THF)が10ml/L)
流速:1.0ml/分
検量線作成用標準サンプル:東ソー社製 TSK 標準ポリエチレンオキサイド(重量平均分子量(Mw): 約900,000、150,000、100,000及び30,000)、並びにポリマーラボラトリー社製 ポリエチレングリコール(ピークトップ分子量(Mp):約12,000、4,000及び1,000)。測定は、ピークが重なるのを避けるため、900,000、100,000、12,000及び1,000の4種類を混合したサンプル、並びに150,000、30,000及び4,000の3種類を混合したサンプルの2サンプルを別々に測定。
[ポリイミドのイミド化率の測定]
ポリイミド粉末20mgをNMR(核磁気共鳴)サンプル管(NMRサンプリングチューブスタンダード,φ5(草野科学社製))に入れ、重水素化ジメチルスルホキシド(DMSO−d6,0.05重量%TMS(テトラメチルシラン)混合品)(0.53ml)を添加し、超音波をかけて完全に溶解させた。この溶液をNMR測定機(JNW−ECA500)(日本電子データム社製)にて500MHzのプロトンNMRを測定した。イミド化率は、イミド化前後で変化しない構造に由来するプロトンを基準プロトンとして決め、このプロトンのピーク積算値と、9.5〜10.0ppm付近に現れるアミド酸のNH基に由来するプロトンピーク積算値とを用い以下の式によって求めた。
イミド化率(%)=(1−α・x/y)×100
上記式において、xはアミド酸のNH基由来のプロトンピーク積算値、yは基準プロトンのピーク積算値、αはポリアミック酸(イミド化率が0%)の場合におけるアミド酸のNH基プロトン1個に対する基準プロトンの個数割合である。
[ラビング耐性]
ラビング耐性の評価は、基板上に形成されたポリイミド膜のラビング処理後の付着物量を観察することにより行った。具体的には、後述する実施例及び比較例により得られた液晶配向剤を1.0μmのフィルターで濾過した後、ITO蒸着ガラス基板上にスピンコートし、温度80℃のホットプレート上で5分間の乾燥、温度230℃で20分間の焼成を経て膜厚100nmのポリイミド膜を得た。このポリイミド膜をレーヨン布でラビング(ロール径120mm、回転数1000rpm、移動速度20mm/sec、押し込み長0.5mm)し、液晶配向膜を形成した。
次いで、共焦点レーザー顕微鏡を用いて液晶配向膜の膜表面状態を観察し、倍率10倍での付着物を観察した(観察領域:約680μm×680μm、顕微鏡倍率:100倍)。付着物がほぼ無い場合は「○」、付着物が観察される場合は「×」とした。
[液晶配向性−1]光学異方性の有機溶剤安定性
実施例及び比較例により得られた液晶配向剤を1.0μmのフィルターで濾過した後、ITO蒸着ガラス基板上にスピンコートし、温度80℃のホットプレート上で5分間の乾燥、温度230℃で20分間の焼成を経て膜厚100nmのポリイミド膜を得た。このポリイミド膜をレーヨン布でラビング(ロール径120mm、回転数1000rpm、移動速度20mm/sec、押し込み長0.4mm)し、液晶配向膜を形成した。
モリテックス社製の液晶配向膜評価システム「レイ・スキャン ラボH」(LYS−LH30S−1A)を用いて光学異方性の測定を行った。
次いで、イソプロピルアルコール/純水=50/50(重量比)の混合溶液中にて1分間超音波洗浄を行い、80℃で10分間乾燥した。
その後、再度、モリテックス社製の液晶配向膜評価システム「レイ・スキャン ラボH」(LYS−LH30S−1A)を用いて光学異方性の測定を行った。
イソプロピルアルコール/純水=50/50混合溶液洗浄前後での、LAW-ANISOTROPYの変化量が5%未満の場合は「○」、5%以上の場合は「×」とした。
[液晶セルの作製]
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、ベタ状のパターンを備えたIZO電極が形成されている。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で横約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。
第3層目の画素電極は、中央部分が屈曲した、くの字形状の電極要素を複数配列して構成された櫛歯状の形状を有する。各電極要素の短手方向の幅は3μmであり、電極要素間の間隔は6μmである。各画素を形成する画素電極が、中央部分の屈曲した、くの字形状の電極要素を複数配列して構成されているため、各画素の形状は長方形状ではなく、電極要素と同様に中央部分で屈曲する、太字のくの字に似た形状を備える。そして、各画素は、その中央の屈曲部分を境にして上下に分割され、屈曲部分の上側の第1領域と下側の第2領域を有する。
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。
次に、得られた液晶配向剤を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。100℃のホットプレート上で100秒間乾燥させた後、230℃の熱風循環式オーブンで20分間焼成を行い、膜厚60nmのポリイミド膜を得た。このポリイミド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:500rpm、移動速度:30mm/sec、押し込み長:0.3mm、ラビング方向:3層目IZO櫛歯電極に対して10°傾いた方向)した後、イソプロピルアルコールと純水の3/7(体積比)の混合溶媒中にて、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後、80℃で15分間乾燥して液晶配向膜付き基板を得た。また、対向基板として、裏面にITO電極が形成されている高さ4μmの柱状スペーサーを有するガラス基板にも、上記と同様にしてポリイミド膜を形成し、上記と同様の手順で、配向処理が施された液晶配向膜付き基板を得た。これら2枚の液晶配向膜付き基板を1組とし、基板上に液晶注入口を残した形でシール剤を印刷し、もう1枚の基板を、液晶配向膜面が向き合いラビング方向が逆平行になるようにして張り合わせた後、シール剤を硬化させてセルギャップが4μmの空セルを作製した。この空セルに減圧注入法によって、液晶MLC−2041(メルク社製)を注入し、注入口を封止して、FFS方式の液晶セルを得た。その後、得られた液晶セルを110℃で30分加熱し、23℃で一晩放置してから各評価に使用した。
[液晶配向性−2]長期駆動FFSセルでの配向規制力
上記した方法により作製した液晶セルに対して、60℃の恒温環境下、周波数30Hzで相対透過率が100%となる交流電圧を100時間印加した。
その後、液晶セルの画素電極と対向電極との間をショートさせた状態にし、そのまま室温に一日放置した。
放置の後、液晶セルを偏光軸が直交するように配置された2枚の偏光板の間に設置し、電圧無印加の状態でバックライトを点灯させておき、透過光の輝度が最も小さくなるように液晶セルの配置角度を調整した。そして、第1画素の第2領域が最も暗くなる角度から第1領域が最も暗くなる角度まで液晶セルを回転させたときの回転角度を角度Δとして算出した。第2画素でも同様に、第2領域と第1領域とを比較し、同様の角度Δを算出した。そして、第1画素と第2画素の角度Δ値の平均値を液晶セルの角度Δとして算出した。この液晶セルの角度Δの値が0.2度以下の場合を○、0.2度以上の場合を×と定義した。
(合成例1)
撹拌子を入れた2000mLのセパラブルフラスコに、Z-1を97.92g(425.3mmol)取り、N−メチル−2−ピロリドン924.8gを加え、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、Y-1を83.41g(420.7mmol)添加し、更にN−メチル−2−ピロリドンを102.8g加え、窒素雰囲気下、23℃で15時間撹拌してポリアミック酸溶液を得た。このポリアミック酸溶液の温度25℃における粘度は172mPa・sであった。
得られたポリアミック酸溶液562.0gに、NMPを加え6重量%に希釈した後、イミド化触媒として無水酢酸197.5g及びピリジン76.55gを加え、50℃で5時間反応させた。この反応溶液をメタノール5772ml中に投入し、得られた沈殿物を濾別した。この沈殿物をメタノールで洗浄し、100℃で減圧乾燥しポリイミド粉末を得た。このポリイミド粉末のイミド化率は85%であり、Mnは9,800、Mwは19,300であった。
(合成例2)
撹拌子を入れた1000mLの四つ口フラスコに、Z-2を51.7g(200.0mmol)取り、N−メチル−2−ピロリドン672.2gを加え、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、Y-2を41.7g(191.2mmol)添加し、更にN−メチル−2−ピロリドンを168.1g加え、窒素雰囲気下、23℃で2時間撹拌した後に、50℃で24時間撹拌してポリアミック酸溶液(PA−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135mPa・sであった。また、このポリアミック酸のMnは12,600、Mwは0,900であった。
(合成例3)
撹拌子を入れた5000mLのセパラブルフラスコに、Y-3を 51.2g(165.0mmol)、Y-4を 91.6g(352.0mmol)投入した後、N−メチル−2−ピロリドン2739gを加えて撹拌して溶解させた。次いで、トリエチルアミンを109.6g(1083mmol)、Z-3を32.9g(165.0mmol)、Z-4を48.2g(165.0mmol)、及びZ-5を65.6g(220.0mmol)を加えて撹拌して溶解させた。
この溶液を撹拌しながら、DBOPを415.4g(1084mmol)添加し、更にN−メチル−2−ピロリドンを376.3g加え、室温で16時間撹拌してポリアミック酸エステルの溶液を得た。このポリミック酸エステル溶液の温度25℃における粘度は26.2mPa・sであった。
このポリミック酸エステル溶液をイソプロピルアルコールの23579g中に投入し、得られた沈殿物を濾別した。この沈殿物をイソプロピルアルコールで洗浄した後に温度100℃で減圧乾燥し、ポリアミック酸エステルの粉末を得た。このポリアミック酸エステルのMnは10,300、Mwは20,600であった。
(比較例1)
合成例1で得たポリイミド粉末41.8gを、撹拌子の入った1000mL三角フラスコに取り、N−メチル−2−ピロリドン306.3gを加え、室温で18時間撹拌して溶解させた。続いて、N−メチル−2−ピロリドン194.9g、及びブチルセロソルブ30.88gを加え、2時間撹拌して固形分濃度7.11重量%のポリイミド溶液を得て、比較例1の液晶配向剤(C−1)とした。
液晶配向剤(C−1)を用いてポリイミド膜を作製し、該ポリイミド膜のラビング耐性、光学異方性の有機溶剤安定性、及び長期駆動FFSセルでの配向規制力を、上記した方法に基づいて評価した。得られた結果を表1に示す。
(実施例1)
ポリイミドの固形分に対して3.00重量%となる量で、添加成分であるブロックイソシアネート化合物(X1)を加えた以外は、比較例1と同様にして、合成例1で得たポリイミド粉末を用いて、実施例1の液晶配向剤(E−1)を調製した。
液晶配向剤(E−1)を用いてポリイミド膜を作製し、該ポリイミド膜のラビング耐性、光学異方性の有機溶剤安定性、及び長期駆動FFSセルでの配向規制力を、上記した方法に基づいて評価した。得られた結果を表1に示す。
(比較例2)
合成例2で得たポリアミック酸溶液12.5gを、撹拌子の入った100mL三角フラスコに取り、N−メチル−2−ピロリドン1.21g、及びブチルセロソルブ5.87gを加え、2時間撹拌して固形分濃度6.06重量%のポリアミック酸溶液を得て、比較例2の液晶配向剤(C−2)とした。
液晶配向剤(C−2)を用いてポリイミド膜を作製し、該ポリイミド膜のラビング耐性、光学異方性の有機溶剤安定性、及び長期駆動FFSセルでの配向規制力を、上記した方法に基づいて評価した。得られた結果を表1に示す。
(実施例2)
ポリアミック酸の固形分に対して3.00重量%となる量で、添加成分であるブロックイソシアネート化合物(X1)を加えた以外は、比較例2と同様にして、合成例2で得たポリアミック酸溶液を用いて、実施例2の液晶配向剤(E−2)を調製した。
液晶配向剤(E−2)を用いてポリイミド膜を作製し、該ポリイミド膜のラビング耐性、光学異方性の有機溶剤安定性、及び長期駆動FFSセルでの配向規制力を、上記した方法に基づいて評価した。得られた結果を表1に示す。
(比較例3)
合成例3で得たポリアミック酸エステル粉末5.81gを、撹拌子の入った100mL三角フラスコに取り、N−メチル−2−ピロリドン42.6gを加え、室温で18時間撹拌して溶解させた。続いて、N−メチル−2−ピロリドン18.8g、及びブチルセロソルブ22.4gを加え、2時間撹拌して固形分濃度6.00重量%のポリアミック酸エステル溶液を得て、比較例3の液晶配向剤(C−3)とした。
液晶配向剤(C−3)を用いてポリイミド膜を作製し、該ポリイミド膜のラビング耐性、光学異方性の有機溶剤安定性、及び長期駆動FFSセルでの配向規制力を、上記した方法に基づいて評価した。得られた結果を表1に示す。
(実施例3)
ポリアミック酸エステルの固形分に対して3.00重量%となる量で、添加成分であるブロックイソシアネート化合物(X1)を加えた以外は、比較例3と同様にして、合成例3で得たポリアミック酸エステル粉末を用いて、実施例3の液晶配向剤(E−3)を調製した。
液晶配向剤(E−3)を用いてポリイミド膜を作製し、該ポリイミド膜のラビング耐性、光学異方性の有機溶剤安定性、及び長期駆動FFSセルでの配向規制力を、上記した方法に基づいて評価した。得られた結果を表1に示す。
(比較例4)
ポリアミック酸の固形分に対して3.00重量%となる量で、添加成分であるブロックイソシアネート化合物(X2)を加えた以外は、比較例2と同様にして、合成例2で得たポリアミック酸溶液を用いて、比較例4の液晶配向剤(C−4)を調製した。
液晶配向剤(C−4)を用いてポリイミド膜を作製し、該ポリイミド膜のラビング耐性、光学異方性の有機溶剤安定性、及び長期駆動FFSセルでの配向規制力を、上記した方法に基づいて評価した。得られた結果を表1に示す。
Figure 0006638645
表1に示すように、実施例1〜3の液晶配向剤を用いて形成された液晶配向膜は、良好なラビング耐性を有する上に、液晶配向性にも優れることがわかった。
一方、比較例1〜3の液晶配向剤を用いて形成された液晶配向膜は、ラビング耐性が低い上に、光学異方性の有機溶剤安定性が乏しいことがわかった。そして、添加成分としてブロックイソシアネート化合物(X2)を含有する液晶配向剤を用いて形成される液晶配向膜の液晶配向性は、本発明の液晶配向膜に比べて劣ることがわかった。
以上から、実施例1〜3の液晶配向剤は、良好なラビング耐性、及び良好な液晶配向性を兼ね備えた液晶配向膜を形成できることがわかった。
本発明の液晶配向剤を用いて形成された液晶配向膜は、高いラビング耐性と良好な液晶配向性を有する。したがって、優れた表示品位を実現するために、強いラビング処理が必要とされる、大型の液晶TVや、高精細な画像を表示するスマートフォン等の携帯用情報端末用の液晶表示素子用の配向膜として好適に用いることができる。すなわち、本発明の液晶配向膜を有する本発明の液晶表示素子は、大型のTVや、高精細な画像を表示するスマートフォン等の携帯用情報端末用の表示素子として好適に用いることができる。
なお、2014年3月17日に出願された日本特許出願2014−053902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 (8)

  1. ポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体をイミド化し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つの重合体と、下記式(X1)で表されるブロックイソシアネート基を有する化合物とを含有することを特徴とする液晶配向剤。
    Figure 0006638645
  2. 前記式(X1)で表されるブロックイソシアネート基を有する化合物のブロック部分の熱解離温度が50〜230℃である請求項1に記載の液晶配向剤。
  3. 前記ポリイミド前駆体が、下記式(3)で表される構造単位を有する請求項1又は2に記載の液晶配向剤。
    Figure 0006638645
    (但し、Rは、水素原子又は炭素数1〜5のアルキル基であり、A及びAは、それぞれ独立して、水素原子、又は置換基を有してもよい、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数2〜10のアルケニル基若しくは炭素数2〜10のアルキニル基である。Xは、4価の有機基であり、Yは、2価の有機基である。)
  4. 前記ブロックイソシアネート基を有する化合物が、前記重合体100重量%に対して0.1重量%〜10重量%含有される請求項1〜3のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  5. 前記重合体が、一級アミン、二級アミン、カルボン酸又はウレア基を有するポリイミド前駆体及び該ポリイミド前駆体をイミド化し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つである請求項1〜4のいずれか1項に記載の液晶配向剤。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の液晶配向剤から得られる液晶配向膜。
  7. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の液晶配向剤を基板に塗布し、焼成する液晶配向膜の製造方法。
  8. 請求項6に記載の液晶配向膜を有する液晶表示素子。
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