JP2006337958A - 液晶配向剤および液晶表示素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 4位に酸素原子を介して特定のステロイド骨格が結合している、1,3−ジアミノベンゼンとその他のジアミンとの組合せおよび脂肪族テトラカルボン酸二無水物との反応生成物であるポリアミック酸またはその脱水反応生成物であるイミド化重合体を含有する垂直配向型液晶配向剤。
【選択図】 なし
Description
垂直配向型液晶セルを有する液晶表示素子に用いられる液晶配向膜に必要とされる基本特性としては、印刷性、垂直配向性、電圧保持特性などが挙げられ、さらに近年、大画面化が進むにつれて、2つの基板を接着するシール剤が液晶配向膜塗布領域にまで達するため、液晶配向膜にシール剤との接着性の向上が求められるようになってきた。
で表わされる、第1ジアミン以外の第2ジアミン、および
下記式(3)
で表わされるテトラカルボン酸二無水物とを反応せしめて生成されるポリアミック酸及び該ポリアミック酸を脱水閉環せしめて生成されるイミド化重合体の少なくともいずれか一方を含有することを特徴とする垂直配向型液晶配向剤により達成される。
また、本発明によれば、本発明の上記目的および利点は、第2に、上記の液晶配向剤から形成される液晶配向膜を具備する垂直配向型液晶表示素子によって達成される。
以下、本発明について詳細に説明する。本発明で使用されるポリアミック酸は、上記式(1)および上記式(2)で表わされるジアミンと、上記式(3)で表わされるテトラカルボン酸二無水物とを重付加させて得られる。また、本発明で使用するイミド化重合体は、上記ポリアミック酸を脱水閉環することにより得られる。
本発明の液晶配向剤は、上記式(1)および上記式(2)のそれぞれで表わされるジアミンを用いることにより垂直配向性、電圧保持特性およびシール剤接着性に優れた性能を有する。
上記式(1)および(2)のそれぞれで表わされるジアミン化合物の合計に占める上記式(1)で表される第1ジアミン化合物の割合は5〜80モル%が好ましく、特に好ましくは、5〜50モル%である。
2,3−ジアミノピリジン、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、5,6−ジアミノ−2,3−ジシアノピラジン、5,6−ジアミノ−2,4−ジヒドロキシピリミジン、2,4−ジアミノ−6−ジメチルアミノ−1,3,5−トリアジン、1,4−ビス(3−アミノプロピル)ピペラジン、2,4−ジアミノ−6−イソプロポキシ−1,3,5−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−メトキシ−1,3,5−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−フェニル−1,3,5−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−メチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−1,3,5−トリアジン、4,6−ジアミノ−2−ビニル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−5−フェニルチアゾール、2,6−ジアミノプリン、5,6−ジアミノ−1,3−ジメチルウラシル、3,5−ジアミノ−1,2,4−トリアゾール、6,9−ジアミノ−2−エトキシアクリジンラクテート、3,8−ジアミノ−6−フェニルフェナントリジン、1,4−ジアミノピペラジン、3,6−ジアミノアクリジン、ビス(4−アミノフェニル)フェニルアミンおよび下記式(4)、(5)のそれぞれで表される化合物の如く、分子内に2つの1級アミノ基および該1級アミノ基以外の窒素原子を有するジアミン;
下記式(6)で表されるモノ置換フェニレンジアミン類(但し、上記式(1)で表わされる第1ジアミンを除く);
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、ヘプタメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、4,4−ジアミノヘプタメチレンジアミン、1,4−ジアミノシクロヘキサン、イソホロンジアミン、テトラヒドロジシクロペンタジエニレンジアミン、ヘキサヒドロ−4,7−メタノインダニレンジメチレンジアミン、トリシクロ[6.2.1.02,7]−ウンデシレンジメチルジアミン、4,4’−メチレンビス(シクロヘキシルアミン)などの脂肪族および脂環式ジアミン;下記式(7)で表されるジアミノオルガノシロキサン;
上記式(3)中、R3は脂肪族性環構造を含む4価の有機基である。ここで、R3に結合する2つの酸無水物基はともに脂肪族性である。上記式(3)で表わされるテトラカルボン酸二無水物の具体例としては、1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2−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、1,3−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、1,3−ジクロロ−1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4−テトラメチル−1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4−シクロペン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、3,3’,4,4’−ジシクロヘキシル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、3,5,6−トリカルボキシノルボルナン−2−酢酸二無水物、2,3,4,5−テトラヒドロフランテトラカルボン酸二無水物、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−5−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、1,3,3a,4,5,9b−ヘキサヒドロ−5−エチル−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、1,3,3a,4,5,9b−ヘキサヒドロ−7−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、1,3,3a,4,5,9b−ヘキサヒドロ−7−エチル−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、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、1,3,3a,4,5,9b−ヘキサヒドロ−8−エチル−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、1,3,3a,4,5,9b−ヘキサヒドロ−5,8−ジメチル−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、5−(2,5−ジオキソテトラヒドロフラル)−3−メチル−3−シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸二無水物、ビシクロ[2,2,2]−オクト−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物および下記式(13)、(14)、(15)、(16)のそれぞれで示されるテトラカルボン酸二無水物などのテトラカルボン酸二無水物を挙げることができる。これらは1種単独でまたは2種類以上組み合わせて用いられる。
本発明の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化合物の使用割合は、ジアミン化合物に含まれるアミノ基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、さらに好ましくは0.3〜1.2当量となる割合である。
以上のようにして、ポリアミック酸を溶解してなる反応溶液が得られる。そして、この反応溶液を大量の貧溶媒中に注いで析出物を得た後、この析出物を減圧下乾燥することによりポリアミック酸を得ることができる。また、このポリアミック酸を再び有機溶媒に溶解させ、次いで貧溶媒で析出させる工程を1回または数回行うことにより、ポリアミック酸を精製することができる。
本発明のイミド化重合体は、上記ポリアミック酸を脱水閉環することにより調製することができる。ポリアミック酸の脱水閉環は、(I)ポリアミック酸を加熱する方法により、または(II)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およ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。
上記(I)のポリアミック酸を加熱する方法における反応温度は、好ましくは50〜200℃であり、より好ましくは60〜170℃である。反応温度が50℃未満では脱水閉環反応が十分に進行せず、反応温度が200℃を超えると得られるイミド化重合体の分子量が低下することがある。
本発明の液晶配向剤を構成するポリアミック酸およびイミド化重合体は、分子量が調節された末端修飾型のものであってもよい。この末端修飾型の重合体を用いることにより、本発明の効果が損なわれることなく液晶配向剤の塗布特性などを改善することができる。このような末端修飾型のものは、ポリアミック酸を合成する際に、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などを反応系に添加することにより合成することができる。ここで、酸一無水物としては、例えば無水マレイン酸、無水フタル酸、無水イタコン酸、n−デシルサクシニック酸無水物、n−ドデシルサクシニック酸無水物、n−テトラデシルサクシニック酸無水物、n−ヘキサデシルサクシニック酸無水物などを挙げることができる。また、モノアミン化合物としては、例えばアニリン、シクロヘキシルアミン、n−ブチルアミン、n−ペンチルアミン、n−ヘキシルアミン、n−ヘプチルアミン、n−オクチルアミン、n−ノニルアミン、n−デシルアミン、n−ウンデシルアミン、n−ドデシルアミン、n−トリデシルアミン、n−テトラデシルアミン、n−ペンタデシルアミン、n−ヘキサデシルアミン、n−ヘプタデシルアミン、n−オクタデシルアミン、n−エイコシルアミンなどを挙げることができる。また、モノイソシアネート化合物としては、例えばフェニルイソシアネート、ナフチルイソシアネートなどを挙げることができる。
本発明の液晶配向剤を構成するポリアミック酸およびイミド化重合体は、その対数粘度(ηln)の値が、好ましくは0.05〜10dl/g、より好ましくは0.1〜5dl/gである。
本発明における対数粘度(ηln)の値は、N−メチル−2−ピロリドンを溶媒として用い、濃度が0.5g/100ミリリットルである溶液について30℃で粘度の測定を行い、下記式(I)によって求められるものである。
ポリイミドを室温で減圧乾燥した後、重水素化ジメチルスルホキシドに溶解させ、テトラメチルシランを基準物質として室温で1H−NMRを測定し、下記式(II)で示される式により求めた。
A1:NH基のプロトン由来のピーク面積(10ppm)
A2:その他のプロトン由来のピーク面積
α :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
本発明の液晶配向剤は、構成するポリアミック酸およびイミド化重合体が、好ましくは、有機溶媒中に溶解含有されて構成される。
本発明の液晶配向剤を調製する際の温度は、好ましくは0℃〜200℃、より好ましくは20℃〜60℃である。
本発明の液晶表示素子は、例えば次の方法によって製造することができる。
(1)パターニングされた透明導電膜が設けられている基板の一面に、本発明の液晶配向剤を例えばロールコーター法、スピンナー法、印刷法、インクジェット法などの方法によって塗布し、次いで、塗布面を加熱することにより塗膜を形成する。ここに、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(SnO2)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(In2O3−SnO2)からなるITO膜などを用いることができる。これらの透明導電膜のパターニングには、フォト・エッチング法や予めマスクを用いる方法が用いられる。反射電極にはAlやAgなどの金属、あるいは、これらの金属を含有する合金などを用いることができる。十分な反射率を有してさえいればこれらに限定されるものではない。液晶配向剤の塗布に際しては、基板表面および透明導電膜や反射電極と塗膜との接着性をさらに良好にするために、基板の該表面に、官能性シラン含有化合物、官能性チタン含有化合物などを予め塗布することもできる。液晶配向剤塗布後の加熱温度は、好ましくは80〜300℃であり、より好ましくは120〜250℃である。ポリアミック酸を含有する本発明の液晶配向剤は、塗布後に有機溶媒を除去することによって配向膜となる塗膜を形成するが、さらに加熱することによって脱水閉環を進行させ、よりイミド化された塗膜とすることもできる。形成される塗膜の膜厚は、好ましくは0.001〜1μmであり、より好ましくは0.005〜0.5μmである。
液晶としては、ネマティック型液晶およびスメクティック型液晶を挙げることができる。その中でもネマティック型液晶が好ましく、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、例えばコレスチルクロライド、コレステリルノナエート、コレステリルカーボネートなどのコレステリック型液晶や商品名「C−15」「CB−15」(メルク社製)として販売されているようなカイラル剤などを添加して使用することもできる。さらに、p−デシロキシベンジリデン−p−アミノ−2−メチルブチルシンナメートなどの強誘電性液晶も使用することができる。
また、液晶セルの外表面に貼り合わさ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膜と称される偏光膜を酢酸セルロース保護膜で挟んだ偏光板またはH膜そのものからなる偏光板を挙げることができる。
液晶表示素子にクロスニコル下で電圧をオン・オフしたときの異常ドメインの観察を行い、異常ドメインのないものを「良好」、あるものを「不良」とした。
液晶表示素子に5Vの電圧を60マイクロ秒の印加時間、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。測定装置は(株)東陽テクニカ製VHR−1を使用した。
本発明の液晶配向剤を、スピンコーターを用いて、膜厚200nmでITO膜が形成されている透明電極付きガラス基板に塗布し、焼成によって液晶配向膜を形成した後、エポキシ樹脂系シール剤を用いて同種2枚の液晶配向膜付き基板を張り合わせ、引っ張り試験機を用いて、シール剤の接着性評価を行った。
本発明の液晶配向剤を、液晶配向膜印刷機(日本写真印刷機(株)製)を用いて、膜厚200nm、幅20μmのITO膜が100μm間隔でストライプ状に形成されている透明電極付きガラス基板の透明電極面に塗布し、焼成によって液晶配向膜を形成した後、この液晶配向膜の周辺部、中央部を倍率20倍の顕微鏡にて観察し、塗布ムラの無い場合を「良好」、塗布ムラのある場合を「不良」と判定した。
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 224g(1.0モル)、ジアミン化合物としてp−フェニレンジアミン 99g(0.8モル)と上記式(1)中R1が式(1−1)で表されるジアミン化合物 87g(0.2モル)をN−メチル−2−ピロリドン4,500gに溶解させ、60℃で4時間反応させた。次いで、反応溶液を大過剰のメチルアルコール中に注いで反応生成物を沈澱させた。その後、メチルアルコールで洗浄し、減圧下40℃で24時間乾燥させることにより、対数粘度0.55dl/gのポリアミック酸370gを得た。得られたポリアミック酸30gをN−メチル−2−ピロリドン570gに溶解させ、ピリジン5.8gおよび無水酢酸7.5g(ピリジン、無水酢酸共にポリアミック酸の繰り返し単位に対して1当量)を添加し110℃で4時間脱水閉環させ、上記と同様にして沈殿、洗浄、減圧を行い、対数粘度0.51dl/g、イミド化率51%のイミド化重合体(これを「P−1」とする)18gを得た。
テトラカルボン酸二無水物およびジアミン化合物を表1に記載のものに変更した以外は合成例1と同様にして、表1に示す対数粘度およびイミド化率の重合体(これらを「P−2」〜「P−7」とする)を得た。なお「P−4」、および「P−7」はポリアミック酸でイミド化されていない。
酸無水物A:2,3,5−トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物
酸無水物B:ピロメリット酸二無水物
ジアミンA :上記式(1)中R1が式(1−1)で表されるジアミン化合物
ジアミンB :上記式(1)中R1が式(1−2)で表されるジアミン化合物
ジアミンC :p−フェニレンジアミン
ジアミンD :4,4’−ジアミノジフェニルメタン
ジアミンE :コレスタニル−3,5−ジアミノベンゾエート
ジアミンF :2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]プロパン
実施例における垂直配向性、電圧保持率およびシール剤接着性は以下の方法により評価した。
合成例1で得られたイミド化重合体(P−1)を、N−メチル−2−ピロリドン/エチレングリコールモノブチルエーテル混合溶剤(重量比50/50)に溶解させて、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をP−1に対して20重量%加え、固形分濃度3.5重量%の溶液とし、十分な攪拌後、この溶液を孔径1μmのフィルターを用いて濾過した後、ガラス基板の一面に設けられたITO膜からなる透明導電膜上にスピンナーを用いて塗布し、ホットプレート上で、80℃で1分の仮乾燥を行い、次いでクリーンオーブンで、200℃で1時間乾燥することにより、乾燥膜厚50nmの液晶配向膜を有する透明電極基板を作成した。次に、一対の透明電極/透明電極基板の上記液晶配向膜塗布基板の液晶配向膜を有するそれぞれの外縁に、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塗布した後、液晶配向膜面が相対するように重ね合わせて圧着し、接着剤を硬化させた。次いで、液晶注入口より基板間に、ネガ型液晶(メルク社製、MLC−2038)を充填した後、アクリル系光硬化接着剤で液晶注入口を封止し、液晶表示素子を作製した。作製した液晶表示素子にクロスニコル下で、電圧をオン・オフしたときの異常ドメインの観察を行い、異常ドメインのないものを「良好」、あるものを「不良」とした。結果を表2に示す。
作製した液晶表示素子に5Vの電圧を60μ秒の印加時間、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。測定装置は(株)東陽テクニカ製VHR−1を使用した。結果を表2に示す。
上記の液晶表示素子の作成法と同様にして、P−1の液晶配向膜を有する透明電極基板を作成した。次に、一対の透明電極/透明電極基板を上記液晶配向膜塗布基板の液晶配向膜を有するそれぞれの中心部分に、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塗布した後、液晶配向膜面が相対するように重ね合わせて圧着し、接着剤を硬化させた。引っ張り試験機を用いて、シール剤の接着性評価を行った。2Kgfの圧力を掛けた際に剥がれなかったものを「良好」、剥がれたものを「不良」とした。結果を表2に示す。
合成例1で得られたイミド化重合体(P−1)を、N−メチル−2−ピロリドン/エチレングリコールモノブチルエーテル混合溶剤(重量比50/50)に溶解させて、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をP−1に対して20重量%加え、固形分濃度3.5重量%の溶液とし、十分な攪拌後、この溶液を孔径1μmのフィルターを用いて濾過し、本発明の液晶配向剤を調製した。上記液晶配向剤をガラス基板の一面に設けられたITO膜からなる透明導電膜上に、液晶配向膜印刷機(日本写真印刷機(株)製)を用いて塗布し、ホットプレート上で、80℃で1分の仮乾燥を行い、次いでクリーンオーブンで、200℃で1時間乾燥することにより、乾燥膜厚50nmの液晶配向膜を形成した。この液晶配向膜は塗布ムラが観察されず、従って実施例1で調製した液晶配向剤の印刷性を「良好」と判定した。
重合体「P−2」〜「P−7」について、表2に示す溶剤組成、添加剤量を採用する以外は実施例1と同様に液晶配向剤を調製し、実施例1と同様にして、垂直配向性、電圧保持率、シール剤接着性、印刷性を評価した。結果を表2に示す。
添加剤: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
BL :γ−ブチロラクトン
NMP :N−メチル−2−ピロリドン
BC :エチレングリコールモノブチルエーテル
Claims (3)
- 上記式(3)で表わされるテトラカルボン酸二無水物が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、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−ジオンまたは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−ジオンである、請求項1に記載の垂直配向型液晶配向剤。
- 請求項1記載の液晶配向剤から形成された液晶配向膜を具備することを特徴とする垂直配向型液晶表示素子。
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