JP6492564B2 - 液晶配向剤、液晶配向膜、液晶表示素子、位相差フィルム、位相差フィルムの製造方法、重合体及び化合物 - Google Patents
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Description
(a)2個又は3個の芳香族環基が同一の窒素原子に結合してなる芳香族アミン構造。
(b)炭素数6以上の2価の鎖状炭化水素基、及び当該鎖状炭化水素基における少なくとも1個のメチレン基を−O−、−S−、−CO−、−NR−、−NRCO−、−COO−、−COS−又は−Si(CH3)2−(Rは水素原子又は1価の有機基である。)で置き換えた2価の基よりなる群から選ばれる鎖状構造。
(b1)炭素数1〜5の2価の鎖状炭化水素基、当該鎖状炭化水素基における少なくとも1個のメチレン基を−O−、−S−、−CO−、−NR3−、−NR3CO−、−COO−、−COS−又は−Si(CH3)2−で置き換えた2価の基、−O−、−S−、−CO−、−NR3CO−(R3は水素原子又は1価の有機基である。)、−COO−、−COS−、及び−Si(CH3)2−よりなる群から選ばれる構造。
本発明の液晶配向剤は、重合体成分として、上記構造(a)と上記構造(b)とを有する化合物(C)、及び、上記構造(a)と上記構造(b1)とを有し且つ上記構造(a)中の芳香族環基に重合に関与する反応性基が結合していない化合物(C1)、よりなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物(C’)を反応に用いて得られる重合体(P)を含む。なお、以下では、上記構造(a)を「芳香族アミン構造(a)」、上記構造(b)を「鎖状構造(b)」ともいう。
(芳香族アミン構造(a))
上記化合物(C)が有する芳香族アミン構造(a)は、2個又は3個の芳香族環基が同一の窒素原子に結合してなる構造である。芳香族環基は、芳香族環の環部分から水素原子を取り除いた基であればよく、具体的には、例えばベンゼン環、トルエン環、ナフタレン環、アントラセン環などの芳香族炭化水素環;ピリジン環、ピリミジン環、ピラジン環、ピリダジン環、トリアジン環などの芳香族複素環;などの芳香族環における環部分から水素原子を取り除いた基などが挙げられる。これらの中でも、液晶との親和性が良好である観点でベンゼン環であることが好ましい。
上記化合物(C)の分子内における芳香族アミン構造(a)の数は1個又は2個以上であり、残留DC緩和の性能を高くする観点から、好ましくは2個以上である。また、液晶配向膜の透過率及び重合体の溶解性の観点において、より好ましくは2〜4個であり、更に好ましくは2個又は3個である。
上記化合物(C)が有する鎖状構造(b)は、炭素数6以上の2価の鎖状炭化水素基であるか、又は炭素数6以上の2価の鎖状炭化水素基における少なくとも1個のメチレン基を、−O−、−S−、−CO−、−NR−、−NRCO−、−COO−、−COS−若しくは−Si(CH3)2−(Rは水素原子又は1価の有機基である。)で置き換えた基である。
上記鎖状構造(b)が炭素数6以上の2価の鎖状炭化水素基である場合、当該鎖状炭化水素基の炭素数は6〜30であることが好ましく、6〜20であることがより好ましい。
上記Rの1価の有機基としては、例えばアルキル基やアルケニル基等の炭素数1〜5の鎖状炭化水素基、及び炭素数1〜5の鎖状炭化水素基の炭素−炭素結合間に−O−、−CO−等を有する基、アミノ基の保護基などが挙げられる。アミノ基の保護基の具体例としては、例えばt−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、1,1−ジメチル−2−シアノエチルオキシカルボニル基、9−フルオレニルメ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などが挙げられ、好ましくはt−ブトキシカルボニル基である。
上記化合物(C)の分子量は、液晶配向膜の表面凹凸性を低減する点から、1,200以下であることが好ましい。したがって、化合物(C)の分子量が上記範囲に入るように上記芳香族アミン構造(a)の数及び上記鎖状構造(b)の鎖長を設定することが好ましい。より好ましくは分子量1,000以下であり、さらに好ましくは800以下である。
上記化合物(C1)は、上記芳香族アミン構造(a)と上記構造(b1)とを有する。ただし、化合物(C1)において、芳香族アミン構造(a)中の芳香族環基には、重合に関与する反応性基が結合していない。上記反応性基は、重合体(P)の主骨格に応じて異なり、例えば重合体(P)の主骨格がポリアミック酸又はポリイミドの場合、上記反応性基は酸無水物基又は1級アミノ基であり、ポリエステルの場合、上記反応性基は水酸基又はカルボキシル基であり、ポリアミドの場合、上記反応性基はカルボキシル基又は1級アミノ基である。
化合物(C1)が有する芳香族アミン構造(a)の芳香族環の説明は、化合物(C)の説明を適用することができる。化合物(C1)の一分子内における芳香族アミン構造(a)は1個であることが好ましい。
上記構造(b1)における炭素数1〜5の2価の鎖状炭化水素基の具体例としては、例えばメチレン基、エチレン基、プロパンジイル基、ブタンジイル基、ペンタンジイル基、ビニレン基、プロペンジイル基、ブテンジイル基、ペンテンジイル基等が挙げられる。これらは直鎖状でも分岐状でもよいが、直鎖状であることが好ましい。
化合物(C1)の分子内における上記構造(b1)の数は1個でもよく2個以上でもよい。好ましくは2個以上であり、2個であることが特に好ましい。化合物(C1)の分子量については上記化合物(C)の説明を適用することができる。
重合体(P)の主骨格は、中でもポリアミック酸、ポリイミド及びポリアミック酸エステル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く、上記芳香族アミン構造(a)と、上記鎖状構造(b)又は構造(b1)とを主鎖に有するポリアミック酸、ポリイミド及びポリアミック酸エステルよりなる群から選ばれる少なくとも一種であることがより好ましい。上記重合体(P)は、上記化合物(C’)をモノマーに用いて得られる重合体であることが好ましい。
上記重合体(P)がポリアミック酸(以下、「ポリアミック酸(P)」とも称する。)である場合、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。
上記ポリアミック酸(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、例えばブタンテトラカルボン酸二無水物などを;
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、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、3−オキサビシクロ[3.2.1]オクタン−2,4−ジオン−6−スピロ−3’−(テトラヒドロフラン−2’,5’−ジオン)、5−(2,5−ジオキソテトラヒドロ−3−フラニル)−3−メチル−3−シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸無水物、3,5,6−トリカルボキシ−2−カルボキシメチルノルボルナン−2:3,5:6−二無水物、ビシクロ[3.3.0]オクタン−2,4,6,8−テトラカルボン酸2:4,6:8−二無水物、ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2,3,5,6−テトラカルボン酸2:3,5:6−二無水物、4,9−ジオキサトリシクロ[5.3.1.02,6]ウンデカン−3,5,8,10−テトラオン、1,2,4,5−シクロヘキサンテトラ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、エチレンジアミン四酢酸二無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、エチレングリコールビス(アンヒドロトリメリテート)、1,3−プロピレングリコールビス(アンヒドロトリメリテート)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。なお、ポリアミック酸の合成に使用するテトラカルボン酸二無水物としては、これらの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。
上記ポリアミック酸(P)の合成に使用するジアミンは、上記芳香族アミン構造(a)と上記鎖状構造(b)とを有するジアミン(以下、「ジアミン(C)」ともいう。)、及び、上記構造(a1)と上記構造(b1)とを有する化合物(C1)、よりなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物(C’)を含むことが好ましい。
ジアミン(C)は、上記芳香族アミン構造(a)及び上記鎖状構造(b)を重合体(P)の主鎖中に導入可能な構造を有していることが好ましく、具体的には、下記式(1)で表される化合物であることが好ましい。
B1及びB2は、少なくとも一方が単結合であることが好ましく、B1及びB2が共に単結合であることがより好ましい。
上記式(2)で表される基の具体例としては、例えば下記式(2−1)〜式(2−25)のそれぞれで表される基などが挙げられる。
L11が炭素数1〜5のアルカンジイル基を含む場合、A1及びA3の少なくとも一方は水素原子であり、A1及びA3が共に水素原子であることが好ましい。
上記式(1−2)で表される化合物は、L12が有するアルカンジイル基が炭素数6〜10である場合、A1及びA3の少なくともいずれかが1価の有機基であるか、又はB1及びB2の少なくともいずれかが2価の有機基であることが好ましい。上記式(1−1)中のA1及びA3が水素原子である場合、L12は、上記式(2)で表される基のL2及びL3が炭素数7以上の2価の鎖状炭化水素基であるものが好ましく、炭素数11以上の2価の鎖状炭化水素基であるものがより好ましい。
ジアミン(C1)は、上記芳香族アミン構造(a)及び上記構造(b1)を重合体(P)の主鎖中に導入可能な構造を有していることが好ましく、具体的には、下記式(1−3)で表される化合物であることが好ましい。
上記ジアミン(C1)の好ましい具体例としては、例えば下記式(DA−22)〜式(DA−40)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。なお、上記ジアミン(C1)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。
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;
で表される化合物などを;
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。
プレチルト角発現性基を有するポリアミック酸(P)を得るには、プレチルト角発現性基の導入しやすさの点で、プレチルト角発現性基を有するジアミンをモノマー組成に含む重合により行うことが好ましい。具体的には、その他のジアミンとしてプレチルト角発現性基を有するジアミンを用いることにより合成することができる。
ポリアミック酸(P)の合成に際してプレチルト角発現性基を有するジアミンを使用する場合、その使用量は、十分に高いプレチルト角特性を発現させる観点において、合成に使用する全ジアミンに対して、5モル%以上とすることが好ましく、10モル%以上とすることがより好ましい。
ポリアミック酸(P)の合成に際しては、上記の如きテトラカルボン酸二無水物及びジアミンとともに、適当な分子量調節剤を用いて末端修飾型の重合体を合成することとしてもよい。かかる末端修飾型の重合体とすることにより、本発明の効果を損なうことなく液晶配向剤の塗布性(印刷性)を更に改善することができる。
分子量調節剤の使用割合は、使用するテトラカルボン酸二無水物及びジアミンの合計100重量部に対して、20重量部以下とすることが好ましく、10重量部以下とすることがより好ましい。
上記ジニトロ中間体の還元反応は、好ましくは有機溶媒中、例えばパラジウム炭素、酸化白金、亜鉛、鉄、スズ、ニッケル等の触媒を用いて実施することができる。ここで使用する有機溶媒としては、例えば酢酸エチル、トルエン、テトラヒドロフラン、アルコール系等が挙げられる。ただし、ジアミン(C)及びジアミン(C1)の合成手順は上記方法に限定されるものではない。
本発明のポリアミック酸(P)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、より好ましくは0.3〜1.2当量となる割合である。
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、0〜100℃がより好ましい。また、反応時間は0.1〜24時間が好ましく、0.5〜12時間がより好ましい。
アルコールとして、例えばメチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、シクロヘキサノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、トリエチレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテルなどを;ケトンとして、例えばアセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどを;上記エステルとして、例えば、乳酸エチル、乳酸ブチル、酢酸メチル、酢酸エチル、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、シュウ酸ジエチル、マロン酸ジエチル、イソアミルプロピオネート、イソアミルイソブチレートなどを;エーテルとして、例えばジエチルエーテル、ジイソペンチルエーテル、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−n−ブチルエーテル、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、テトラヒドロフランなどを;ハロゲン化炭化水素として、例えばジクロロメタン、1,2−ジクロロエタン、1,4−ジクロロブタン、トリクロロエタン、クロルベンゼン、o−ジクロルベンゼンなどを;上記炭化水素として、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ベンゼン、トルエン、キシレンなどを;それぞれ挙げることができる。
上記重合体(P)としての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]上記合成反応により得られたポリアミック酸(P)と、水酸基含有化合物、ハロゲン化物、エポキシ基含有化合物等とを反応させることにより合成する方法、[II]テトラカルボン酸ジエステルとジアミン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とを反応させる方法によって得ることができる。
なお、本明細書において「テトラカルボン酸ジエステル」とは、テトラカルボン酸が有する4個のカルボキシル基のうち2個がエステル化され、残りの2個がカルボキシル基である化合物を意味する。「テトラカルボン酸ジエステルジハロゲン化物」とは、テトラカルボン酸が有する4個のカルボキシル基のうち2個がエステル化され、残りの2個がハロゲン化された化合物を意味する。
上記重合体(P)としてのポリイミド(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。
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15以下であり、より好ましくは10以下である。このような分子量範囲にあることで、液晶表示素子の良好な配向性及び安定性を確保することができる。
本発明の液晶配向剤は、上記の如き重合体(P)を含有するが、必要に応じてその他の成分を含有してもよい。かかるその他の成分としては、例えば、上記重合体(P)以外のその他の重合体、分子内に少なくとも一つのエポキシ基を有する化合物(以下、「エポキシ基含有化合物」という。)、官能性シラン化合物、金属キレート化合物、硬化促進剤、界面活性剤等を挙げることができる。
上記その他の重合体は、溶液特性や電気特性の改善のために使用することができる。かかるその他の重合体としては、例えば上記化合物(C’)を用いずに得られる重合体を挙げることができ、その主骨格については特に限定しない。具体的には、例えばポリアミック酸、ポリイミド、ポリアミック酸エステル、ポリオルガノシロキサン、ポリエステル、ポリアミド、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、ポリ(メタ)アクリレートなどを主骨格に有する重合体等を挙げることができる。
その他の重合体を液晶配向剤に添加する場合、その配合割合は、液晶配向剤中に含まれる重合体の合計100重量部に対して、50重量部以下とすることが好ましく、0.1〜40重量部とすることがより好ましく、0.1〜30重量部以下とすることが更に好ましい。
光配向法によって塗膜に液晶配向能を付与する場合、上記光配向性構造を有する重合体の使用割合(重合体(P)及びその他の重合体が光配向性構造を有する場合にはそれらの合計量)は、本発明の液晶配向剤の調製に使用する重合体の全体量に対して、3重量%以上とすることが好ましく、5〜100重量%とすることがより好ましく、10〜100重量%とすることが更に好ましい。
エポキシ基含有化合物は、液晶配向膜における基板表面との接着性や電気特性を向上させるために使用することができる。このようなエポキシ基含有化合物としては、例えば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、トリメチロールプロパントリ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、N,N,N’,N’−テトラグリシジル−m−キシリレンジアミン、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好ましいものとして挙げることができる。その他、エポキシ基含有化合物の例としては、国際公開第2009/096598号記載のエポキシ基含有ポリオルガノシロキサンを用いることができる。
これらエポキシ基含有化合物を液晶配向剤に添加する場合、その配合割合は、液晶配向剤中に含まれる重合体の合計100重量部に対して、40重量部以下とすることが好ましく、0.1〜30重量部とすることがより好ましい。
上記官能性シラン化合物は、液晶配向剤の印刷性の向上を目的として使用することができる。このような官能性シラン化合物としては、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−トリエ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、9−トリメトキシシリル−3,6−ジアザノニルアセテート、9−トリメトキシシリル−3,6−ジアザノナン酸メチル、N−ベンジル−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メトキシシラン、グリシドキシメチルトリメトキシシラン、2−グリシドキシエチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等を挙げることができる。
これら官能性シラン化合物を液晶配向剤に添加する場合、その配合割合は、液晶配向剤中に含まれる重合体の合計100重量部に対して、2重量部以下とすることが好ましく、0.02〜0.2重量部とすることがより好ましい。
上記金属キレート化合物は、液晶配向剤の重合体成分がエポキシ構造を有する場合に、低温処理によって形成した膜の機械的強度を担保することを目的として液晶配向剤(特に、位相差フィルム用の液晶配向剤)中に含有される。当該金属キレート化合物としては、アルミニウム、チタニウム及びジルコニウムから選択される金属のアセチルアセトン錯体又はアセト酢酸錯体を用いることが好ましい。具体的には、例えばジイソプロポキシエチルアセトアセテートアルミニウム、トリス(アセチルアセトネート)アルミニウム、トリス(エチルアセトアセテート)アルミニウム、ジイソプロポキシビス(エチルアセトアセテート)チタニウム、ジイソプロポキシビス(アセチルアセトネート)チタニウム、トリ−n−ブトキシエチルアセトアセテートジルコニウム、ジ−n−ブトキシビス(エチルアセトアセテート)ジルコニウムなどを挙げることができる。上記金属キレート化合物を添加する場合、その使用割合は、エポキシ構造を含む構成成分の合計100重量に対して、好ましくは50重量部以下であり、より好ましくは0.1〜40重量部であり、更に好ましくは1〜30重量部である。
上記硬化促進剤は、液晶配向剤中の重合体成分がエポキシ構造を有している場合に、形成される液晶配向膜の機械的強度及び液晶配向性の経時的安定性を担保するために液晶配向剤(特に、位相差フィルム用の液晶配向剤)中に含有される。当該硬化促進剤としては、例えばフェノール基、シラノール基、チオール基、リン酸基、スルホン酸基、カルボキシル基、カルボン酸無水物基などを有する化合物を使用することができ、中でもフェノール基又はシラノール基を有する化合物が好ましい。その具体例としては、フェノール基を有する化合物として、例えばシアノフェノール、ニトロフェノール、メトキシフェノキシフェノール、チオフェノキシフェノール、4−ベンジルフェノールなどを;シラノール基を有する化合物として、例えばトリメチルシラノール、トリエチルシラノール、1,1,3,3−テトラフェニル−1,3−ジシロキサンジオール、1,4−ビス(ヒドロキシジメチルシリル)ベンゼン、トリフェニルシラノール、トリ(p−トリル)シラノール、ジフェニルシランジオールなどを、それぞれ挙げることができる。硬化促進剤を添加する場合、その使用割合は、エポキシ構造を含む構成成分の合計100重量に対して、好ましくは50重量部以下であり、より好ましくは0.1〜40重量部であり、更に好ましくは1〜30重量部である。
上記界面活性剤は、液晶配向剤の基板に対する塗布性を向上させることを目的として液晶配向剤(特に、位相差フィルム用の液晶配向剤)中に含有させることができる。このような界面活性剤としては、例えばノニオン界面活性剤、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、シリコーン界面活性剤、ポリアルキレンオキシド界面活性剤、含フッ素界面活性剤などを挙げることができる。界面活性剤の使用割合は、液晶配向剤の全量100重量部に対して、10重量部以下とすることが好ましく、1重量部以下とすることがより好ましい。
なお、その他の成分としては、上記のほか、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や酸化防止剤などを挙げることができる。
本発明の液晶配向剤は、上記の重合体(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。
上記に説明した本発明の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、本発明の液晶配向剤を用いて形成された液晶配向膜は、液晶表示素子用の液晶配向膜及び位相差フィルム用の液晶配向膜に好ましく適用することができる。以下に、本発明の液晶表示素子及び位相差フィルムについて説明する。
本発明の液晶表示素子は、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。本発明の液晶表示素子の動作モードは特に限定せず、例えばTN型、STN型、VA型(VA−MVA型、VA−PVA型などを含む。)、IPS型、FFS型、OCB型など種々の駆動方式に適用することができる。本発明の液晶表示素子は、例えば以下の(I−1)〜(I−3)の工程により製造することができる。工程(I−1)は、所望の動作モードによって使用基板が異なる。工程(I−2)及び(I−3)は各動作モード共通である。
先ず基板上に本発明の液晶配向剤を塗布し、次いで塗布面を加熱することにより基板上に塗膜を形成する。
(I−1A)例えばTN型、STN型又はVA型の液晶表示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、本発明の液晶配向剤を、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(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。パターニングされた透明導電膜を得るには、例えばパターンなし透明導電膜を形成した後、フォト・エッチングによりパターンを形成する方法;透明導電膜を形成する際に所望のパターンを有するマスクを用いる方法;などによることができる。液晶配向剤の塗布に際しては、基板表面及び透明導電膜と塗膜との接着性をさらに良好にするために、基板表面のうち塗膜を形成する面に、官能性シラン化合物、官能性チタン化合物などを予め塗布する前処理を施しておいてもよい。
TN型、STN型、IPS型又はFFS型の液晶表示素子を製造する場合、上記工程(I−1)で形成した塗膜に液晶配向能を付与する処理を施す。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。当該処理としては、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などが挙げられる。一方、VA型液晶表示素子を製造する場合には、上記工程(I−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。
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などを使用することができる。好ましい波長領域の紫外線は、光源を、例えばフィルター、回折格子などと併用する手段などにより得ることができる。放射線の照射量は、好ましくは100〜50,000J/m2であり、より好ましくは300〜20,000J/m2である。また、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℃であり、好ましくは40〜200℃であり、より好ましくは50〜150℃である。
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、例えば以下の2つの方法が挙げられる。第一の方法は、従来から知られている方法である。先ず、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、注入孔を封止することにより液晶セルを製造することができる。また、第二の方法は、ODF(One Drop Fill)方式と呼ばれる手法である。液晶配向膜を形成した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、次いで基板の全面に紫外光を照射してシール剤を硬化することにより液晶セルを製造することができる。いずれの方法による場合でも、上記のようにして製造した液晶セルにつき、用いた液晶が等方相をとる温度まで更に加熱した後、室温まで徐冷することにより、液晶充填時の流動配向を除去することが望ましい。
本発明の液晶配向剤を用いて位相差フィルムを製造する場合、工程中にほこりや静電気が発生するのを抑えつつ均一な液晶配向膜を形成することが可能である点、放射線の照射時に適当なフォトマスクを使用することによって基板上に液晶配向方向が異なる複数の領域を任意に形成できる点において、光配向法を利用することが好ましい。具体的には、以下の工程(II−1)〜(II−3)を経ることによって製造することができる。
先ず、本発明の液晶配向剤を基板上に塗布して塗膜を形成する。ここで使用される基板としては、トリアセチルセルロース(TAC)、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、ポリアミド、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネートなどの合成樹脂からなる透明基板を好適に例示することができる。これらのうち、TACは、液晶表示素子における偏光フィルムの保護層として一般的に使用されている。また、ポリメチルメタクリレートは、溶媒の吸湿性が低い点、光学特性が良好である点及び低コストである点において位相差フィルム用の基板として好ましく使用することができる。なお、液晶配向剤の塗布に使用する基板に対しては、基板表面と塗膜との密着性を更に良好にするために、基板表面のうち塗膜を形成する面に従来公知の前処理が実施されていてもよい。
塗布後、塗布面を加熱(ベーク)して塗膜を形成する。この時の加熱温度は、40〜150℃とすることが好ましく、80〜140℃とすることがより好ましい。加熱時間は、0.1〜15分とすることが好ましく、1〜10分とすることがより好ましい。基板上に形成される塗膜の膜厚は、好ましくは1〜1,000nmであり、より好ましくは5nm〜500nmである。
次いで、上記のようにして基板上に形成された塗膜に対し光を照射することにより、塗膜に液晶配向能を付与する。ここで、照射する光の波長、光の種類、使用する光源の説明については上記工程(I−2)の光配向処理の説明を適用することができる。光の照射量は、0.1〜1,000mJ/cm2とすることが好ましく、1〜500mJ/cm2とすることがより好ましく、2〜200mJ/cm2とすることが更に好ましい。
次いで、上記のようにして光照射した後の塗膜上に、重合性液晶を塗布して硬化させる。これにより、重合性液晶を含む塗膜(液晶層)を形成する。ここで使用される重合性液晶は、加熱及び光照射のうちの少なくとも一種の処理によって重合する液晶化合物又は液晶組成物である。このような重合性液晶としては、従来公知のものを使用することができ、具体的には、例えば非特許文献1(「UVキュアラブル液晶とその応用」、液晶、第3巻第1号(1999)、pp34〜42)に記載されているネマチック液晶を挙げることができる。また、コレステリック液晶;ディスコティック液晶;カイラル剤を添加されたツイストネマティック配向型液晶などであってもよい。重合性液晶は、複数の液晶化合物の混合物であってもよい。重合性液晶は更に、公知の重合開始剤、適当な溶媒などを含有する組成物であってもよい。
液晶配向剤を用いて形成された塗膜上に上記のような重合性液晶を塗布するには、例えばバーコーター法、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適宜の塗布方法を採用することができる。
塗膜の加熱温度は、使用する重合性液晶の種類によって適宜に選択されるべきである。例えばメルク社製のRMS03−013Cを使用する場合、40〜80℃の範囲の温度で加熱することが好ましい。加熱時間は、好ましくは0.5〜5分である。
照射光としては、200〜500nmの範囲の波長を有する非偏光の紫外線を好ましく使用することができる。光の照射量としては、50〜10,000mJ/cm2とすることが好ましく、100〜5,000mJ/cm2とすることがより好ましい。
形成される液晶層の厚さとしては、所望の光学特性によって適宜に設定される。例えば波長540nmの可視光における1/2波長板を製造する場合は、形成した位相差フィルムの位相差が240〜300nmとなるような厚さが選択され、1/4波長板であれば、位相差が120〜150nmとなるような厚さが選択される。目的の位相差が得られる液晶層の厚さは、使用する重合性液晶の光学特性によって異なる。例えばメルク製のRMS03−013Cを使用する場合、1/4波長板を製造するための厚さは、0.6〜1.5μmの範囲である。
[重合体の重量平均分子量Mw]
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、又はリチウムブロミド及びリン酸含有N,N−ジメチルホルムアミド溶液
温度:40℃
圧力:68kgf/cm2
[重合体のイミド化率]
ポリイミドを含有する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1H−NMRを測定した。得られた1H−NMRスペクトルから、下記数式(EX−1)を用いてイミド化率を求めた。
イミド化率(%)=(1−E1/E2×α)×100 …(EX−1)
(数式(EX−1)中、E1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、E2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。)
[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。
[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。
第二段階の反応はウルマン縮合反応により合成した。窒素気流下、2L三口フラスコに、上記のジベンジル中間体(DA−1−1)を76.4g(0.16モル)、4−ヨードニトロベンゼン81.5g(0.33モル)、フェナントロリン59g(0.33モル)、リン酸三カリウム139g(0.65モル)、ヨウ化銅9.4g(0.05モル)及びジメチルアセトアミド600mLを加え、混合溶解させ、還流下において24時間撹拌して反応を行った。反応終了後、反応液を濾過し、触媒を除去したのちに、そのろ液を蒸留水2000mLに注ぎ、結晶を析出させた。析出した固体を濾過により回収してエタノールで十分洗浄し、テトラヒドロフランから再結晶させることでニトロ中間体(上記式(DA−1−2)で表される化合物)35g(0.05モル)得た。
第三段階目の反応は、水素還元反応により合成した。窒素気流下、500mL三口フラスコに、上記のニトロ中間体(DA−1−2)を35g、5%Pd/Cを3g、エタノール50mL、テトラヒドロフラン50mL及びヒドラジン一水和物35mLを加えた後に水素で置換し直し、水素存在下、室温にて反応させた。HPLCにて反応追跡し、反応の進行を確認した後にろ過した。ろ液に酢酸エチル1000mLを加え、蒸留水100mLを加え分液精製した。上記抽出精製を5回繰り返した後、有機層から減圧蒸留にて溶媒を除去することにより固体を析出させた。析出した固体をテトラヒドロフラン、エタノールの混合溶媒から再結晶させることで化合物(DA−1)を18.5g(0.04モル)得た。
下記スキーム3に従い、化合物(DA−1)と同様の合成反応処方を用いて化合物(DA−3)を得た。なお、第二段階の反応は、非特許文献2(The Journal of Organic Chemistry,2002,67,6479)に記載の手法を用いて合成した。
下記スキーム4に従い、化合物(DA−1)と同様の合成反応処方を用いて化合物(DA−4)を得た。なお、第二段階の反応は加水分解反応により合成し、第三段階は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による縮合反応により合成した。
下記スキーム8に従い、化合物(DA−1)と同様の合成反応処方を用いて化合物(DA−8)を得た。なお、モノニトロモノヨード中間体(上記式(DA−8−1)で表される化合物)の合成における第一段階はフリーデルクラフツ反応により合成し、第二段階は、強酸であるトリフルオロメタンスルホン酸の存在下、トリエチルシランによるシランカルボニル基の還元反応を用いて合成した。
下記スキーム10に従い、化合物(DA−1)と同様の合成反応処方を用いて化合物(DA−10)を得た。なお、モノニトロモノヒドロキシ中間体(上記式(DA−10−1)で表される化合物)の合成における第一段階はフリーデルクラフツ反応により合成し、第二段階はリチウムブロマイドによるメトキシ基の脱保護反応により合成し、第三段階は、強酸であるトリフルオロメタンスルホン酸の存在下、トリエチルシランによるシランカルボニル基の還元反応を用いて合成した。
[合成例1−11;化合物(DA−22)の合成]
下記スキーム11に従い、化合物(DA−22)を得た。なお、第一段階目の合成は、クネーフェナーゲル反応により中間体(下記式(DA−22−1)で表される化合物)を得た。第二段階は化合物(DA−1)と同様の手法により還元を行った。
下記スキーム12に従い、化合物(DA−22−1)を亜鉛存在下、水を触媒として還元することにより化合物(DA−23)を得た。
・ポリアミック酸の合成
[合成例2−1;重合体(PAm−1)の合成]
反応容器中に、テトラカルボン酸二無水物及びジアミンを、下記表1に記載の混合割合(モル部)でかつ合計重量が30gとなるように仕込み、さらにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)170gを加えて溶解し、60℃において6時間反応を行った。次いで、得られた反応混合物を大過剰のメタノール中に注ぎ、反応生成物を沈澱させた。回収した沈殿物をメタノールで洗浄した後、減圧下40℃において15時間乾燥することにより、重合体(PAm−1)を得た。なお、表1中の数値は、テトラカルボン酸二無水物については、反応に使用したテトラカルボン酸二無水物の全体量に対する使用割合(モル%)を示し、ジアミンについては、反応に使用したジアミンの全体量に対する使用割合(モル%)を示す。次いで、上記で得た重合体(PAm−1)を15重量%になるようにNMPに溶解し、それぞれの溶液粘度を測定した。測定結果は下記表1に併せて示した。また、上記で得た重合体溶液につき、20℃で3日間静置したところゲル化することはなく、保存安定性は良好であった。
テトラカルボン酸二無水物及びジアミンの混合割合を下記表1及び表2に記載の数値に変更した以外は合成例2−1と同じ操作を行い、重合体(PAm−2)〜重合体(PAm−18)をそれぞれ得た。各重合体の溶液粘度を合成例2−1と同様に測定した結果を下記表1及び表2に併せて示した。また、上記で得た重合体溶液のそれぞれにつき、20℃で3日間静置したところ、重合体(PAm−14)を除いていずれもゲル化することはなく、保存安定性は良好であった。重合体(PAm−14)はゲル化が進行し、流動性がなくなっていた。
[合成例3−1;重合体(PIm−1)の合成]
テトラカルボン酸二無水物及びジアミンを下記表2に記載の混合割合(モル部)でかつ合計重量が30gとなるように仕込み、さらにNMP170gを加え、合成例2−1と同様の操作にてポリアミック酸を合成した。次いで、NMP200gを追加し、ピリジン及び無水酢酸を下記表2に示す量(数値は、酸二無水物の合計100モル部に対するモル部を示す。)を添加し、80℃で6時間脱水閉環反応を行った。次いで、反応混合物を大過剰のメタノール中に注ぎ、反応生成物を沈澱させた。回収した沈殿物をメタノールで洗浄した後、減圧下40℃において15時間乾燥することにより、重合体(PIm−1)を得た。
次いで、上記で得た重合体(PIm−1)を15重量%になるようにNMPに溶解し、それぞれの溶液粘度を測定した。また、イミド化率についても測定した。それらの測定結果は下記表2に示した。さらに、上記で得た重合体溶液につき、20℃で3日間静置したところゲル化することはなく、保存安定性は良好であった。
テトラカルボン酸二無水物及びジアミンの混合割合を下記表2に記載の数値に変更した以外は合成例3−1と同じ操作を行い、重合体(PIm−2)を得た。重合体(PIm−2)の溶液粘度を合成例3−1と同様に測定した結果及びイミド化率の測定結果を下記表2に併せて示した。また、上記で得た重合体溶液につき、20℃で3日間静置したところゲル化することはなく、保存安定性は良好であった。
(テトラカルボン酸二無水物)
AN−1;1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物
AN−2;ピロメリット酸二無水物
AN−3;2,3,5−トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物
AN−4;エチレンジアミン四酢酸二無水物
AN−5;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
AN−6;ビシクロ[3.3.0]オクタン−2,4,6,8−テトラカルボン酸2:4,6:8−二無水物
AN−7;1,3−プロピレングリコールビス(アンヒドロトリメリテート)
AN−8;1,2,3,4−シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物
DA−11;1,7−ビス(4−アミノフェノキシ)ヘプタン
DA−12;4,4’−ジアミノジフェニルアミン
DA−13;下記式(DA−13)で表される化合物
DA−14;下記式(DA−14)で表される化合物
DA−15;下記式(DA−15)で表される化合物
DA−16;4,4’−ジアミノジフェニルメタン
DA−17;4−アミノフェニル−4’−アミノベンゾエート
DA−18;上記式(DA−18)で表される化合物
DA−19;4−(4−アミノフェノキシカルボニル)−1−(4−アミノフェニル)ピペリジン
DA−20;4−(テトラデカオキシ)ベンゼン−1,3−ジアミン
DA−21;3,5−ジアミノ安息香酸コレスタニル
[合成例4−1;重合体(PSi−1)の合成]
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。ここに脱イオン水100gを滴下漏斗から30分かけて滴下した後、還流下で混合しつつ、80℃において6時間反応を行った。反応終了後、有機層を取り出し、これを0.2重量%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、オキシラニル基を有するポリオルガノシロキサンを粘調な透明液体として得た。このオキシラニル基を有するポリオルガノシロキサンについて、1H−NMR分析を行ったところ、化学シフト(δ)=3.2ppm付近にオキシラニル基に基づくピークが理論強度どおりに得られ、反応中にオキシラニル基の副反応が起こっていないことが確認された。このオキシラニル基を有するポリオルガノシロキサンのエポキシ当量を測定したところ186g/当量であった。
次いで、100mLの三口フラスコに、上記で得たオキシラニル基を有するポリオルガノシロキサン9.3g、メチルイソブチルケトン26g、4−フェノキシ桂皮酸3g及びUCAT 18X(商品名、サンアプロ(株)製)0.10gを仕込み、80℃において12時間、撹拌下に反応を行った。反応終了後、反応混合物をメタノールに投入して生成した沈殿物を回収し、これを酢酸エチルに溶解して溶液とし、該溶液を3回水洗した後、溶剤を留去することにより、オキシラニル基と桂皮酸構造を有するポリオルガノシロキサン(PSi−1)を白色粉末として6.3g得た。このポリオルガノシロキサン(PSi−1)についてGPCで測定したポリスチレン換算の重量平均分子量Mwは3,500であった。
(1)液晶配向剤の調製
重合体として合成例2−4で得た重合体(PAm−4)50重量部及び合成例2−11で得た重合体(PAm−11)50重量部を、γ−ブチロラクトン(GBL)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)及びブチルセロソルブ(BC)からなる混合溶媒(GBL:NMP:BC=40:40:20(重量比))に溶解し、固形分濃度が3.5重量%の溶液とした。この溶液を孔径0.2μmのフィルターで濾過することにより液晶配向剤を調製した。
上記で調製した液晶配向剤をガラス基板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、庫内を窒素置換した200℃のオーブンで1時間加熱(ポストベーク)することにより、平均膜厚1,000Åの塗膜を形成した。この塗膜を原子間力顕微鏡(AFM)にて観察し、中心平均粗さ(Ra)を測定した。評価は、Raが2.0nm未満の場合を表面凹凸性「良好」、2.0nm以上5.0nm未満であった場合を「可」、5.0nm以上の場合を「不良」として行った。本実施例ではRa=0.8nmであり、表面凹凸性は「良好」であった。
(3)透過率の評価
上記で得た塗膜に対し、分光光度計(日立製作所(株)製の150−20型ダブルビーム)を用いて、波長400nmにおける光線透過率(%)を評価した。評価は、光線透過率が97%以上であった場合を「良好」、95%以上97%未満であった場合を「可」、95%未満であった場合を「不良」とした。その結果、この塗膜は99.0%であり、透過性「良好」であった。
(4)配向性の評価
上記で得た塗膜に対し、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300J/m2を基板法線方向から照射して配向処理を施した。この配向膜付きガラス基板を、MORITEX社製液晶配向膜検査装置(LayScan)を用い、屈折率異方性(nm)を測定した。評価は、0.020nm以上であった場合を「良好」、0.020nm未満0.010nm以上であった場合を「可」、0.010未満であった場合を「不良」とした。その結果、この基板の屈折率異方性は0.037nmであり、配向性「良好」であった。
図1に示すFFS型液晶表示素子10を作製した。先ず、パターンを有さないボトム電極15、絶縁層14としての窒化ケイ素膜、及び櫛歯状にパターニングされたトップ電極13がこの順で形成された電極対を片面に有するガラス基板11aと、電極が設けられていない対向ガラス基板11bとを一対とし、ガラス基板11aの透明電極を有する面と対向ガラス基板11bの一面とに、それぞれ上記(1)で調製した液晶配向剤を、スピンナーを用いて塗布して塗膜を形成した。次いで、この塗膜を80℃のホットプレートで1分間プレベークを行った後、庫内を窒素置換したオーブン中で230℃にて15分間加熱(ポストベーク)して、平均膜厚1,000Åの塗膜を形成した。ここで使用したトップ電極13の平面模式図を図2に示した。なお、図2(a)は、トップ電極13の上面図であり、図2(b)は、図2(a)の破線で囲った部分C1の拡大図である。本実施例では、電極の線幅d1が4μm、電極間の距離d2が6μmのトップ電極を有する基板を使用した。また、トップ電極13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。図3に、この液晶表示素子の駆動電極の構成を示した。この場合、ボトム電極15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。
次に、基板の外側両面に偏光板を貼り合わせることにより、FFS型液晶表示素子を製造した。このとき、偏光板のうちの1枚は、その偏光方向が液晶配向膜の偏光紫外線の偏光面の基板面への射影方向と平行となるように貼付し、もう1枚はその偏光方向が先の偏光板の偏光方向と直交するように貼付した。
上記の方法を繰り返し、合計5個のFFS型液晶表示素子を製造し、下記の液晶配向性の評価、耐熱性の評価、ベゼルムラ耐性、残像特性及びコントラスト特性の評価に1個ずつを供した。ただし、いずれの場合も電圧印加下の紫外線照射は行わなかった。また、コントラスト特性の評価に用いる液晶セルについては偏光板を貼り合わせなかった。
上記で製造したFFS型液晶表示素子につき、5Vの電圧をON・OFF(印加・解除)したときの明暗の変化における異常ドメインの有無を顕微鏡によって倍率50倍で観察した。評価は、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」とし、異常ドメインが観察された場合を液晶配向性「不良」として行った。この液晶表示素子では液晶配向性「良好」であった。
(7)電圧保持率の評価
上記で製造したFFS型液晶表示素子につき、23℃において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(VHR)を測定したところ、電圧保持率は99.4%であった。なお、測定装置としては、(株)東陽テクニカ製、VHR−1を使用した。
(8)耐熱性の評価
上記の(7)電圧保持率の評価と同様に電圧保持率を測定し、その値を初期VHR(VHRBF)とした。次いで、初期VHR測定後の液晶表示素子につき、100℃のオーブン中に500時間静置した。その後、この液晶表示素子を室温下に静置して室温まで放冷した後、上記同様に電圧保持率を測定し、その値をVHRAFとした。また、下記数式(EX−2)により、熱ストレスの付与前後の電圧保持率の変化率(△VHR(%))を求めた。
△VHR(%)=((VHRBF−VHRAF)÷VHRBF)×100 …(EX−2)
耐熱性の評価は、変化率ΔVHRが4%未満であった場合を耐熱性「良好」、4%以上5%未満であった場合を耐熱性「可」、5%以上であった場合を耐熱性「不良」として行った。その結果、ΔVHRは2.9%であり、この液晶表示素子の耐熱性は「良好」であった。
上記で製造したFFS型液晶表示素子につき、25℃、50%RHの条件下に30日保管し、その後、交流電圧5Vで駆動して点灯状態を観察した。評価は、シール剤周辺にて、輝度差(モアブラック又はモアホワイト)が視認されなければ「優良」、視認されるが、点灯後5分以内に輝度差が消失すれば「良好」、5分超20分以内に輝度差が消失すれば「可」、20分経過しても輝度差が視認される場合を「不良」とした。その結果、この液晶表示素子の輝度差が視認されず、「優良」と判断された。
(10)残像特性の評価(DC残像評価)
上記で製造した光配向型液晶表示素子を25℃、1気圧の環境下においた。ボトム電極を4系統の駆動電極すべての共通電極として、ボトム電極の電位を0V電位(グランド電位)に設定した。電極B及び電極Dを共通電極と短絡して0V印加状態としつつ、電極A及び電極Cに交流電圧3.5V及び直流電圧1Vからなる合成電圧を2時間印加した。2時間経過後、直ちに電極A〜電極Dのすべてに交流1.5Vの電圧を印加した。そして、全駆動電極に交流1.5Vの電圧を印加し始めた時点から、駆動ストレス印加領域(電極A及び電極Cの画素領域)と駆動ストレス非印加領域(電極B及び電極Dの画素領域)との輝度差が目視で確認できなくなるまでの時間を測定し、これを残像消去時間とした。なお、この時間が短いほど、残像が生じ難いこととなる。残像消去時間が30秒未満であった場合を「良好」、30秒以上120秒未満であった場合を「可」、120秒以上であった場合を「不良」として評価したところ、本実施例の液晶表示素子の残像消去時間は1秒であり、残像特性「良好」と評価された。
(11)駆動ストレス後のコントラスト特性の評価(AC残像評価)
上記で製造したFFS型液晶セル(偏光板を貼り合わせていないもの)を交流電圧10Vで30時間駆動した後に、光源と光量検出器の間に偏光子と検光子を配置した装置を使用して、下記数式(EX−3)で表される最小相対透過率(%)を測定した。
最小相対透過率(%)=(β−B0)/(B100−B0)×100 …(EX−3)
(数式(EX−3)中、B0は、ブランクでクロスニコル下の光の透過量である。B100は、ブランクでパラニコル下の光の透過量である。βは、クロスニコル下で偏光子と検光子の間に液晶表示素子を挟み最小となる光透過量である。)
暗状態の黒レベルは液晶表示素子の最小相対透過率で表され、暗状態での黒レベルが小さいほどコントラスト特性が優れる。最小相対透過率が0.5%未満のものを「良好」とし、0.5%以上1.0%未満のものを「可」とし、1.0%以上のものを「不良」とした。その結果、この液晶表示素子の最小相対透過率は0.2%であり、コントラスト特性は「良好」と判断された。
液晶配向剤の調製に使用した重合体の種類及び量を、それぞれ下記表3に記載した通りとした以外は、上記実施例1−1と同様にして液晶配向剤をそれぞれ調製し、液晶表示素子を製造して評価した。評価結果は下記表3に示した。
(1)液晶配向剤の調製
重合体として合成例2−1で得た重合体(PAm−1)を、γ−ブチロラクトン(GBL)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)及びブチルセロソルブ(BC)からなる混合溶媒(GBL:NMP:BC=40:40:20(重量比))に溶解し、固形分濃度が3.5重量%の溶液とした。この溶液を孔径0.2μmのフィルターで濾過することにより液晶配向剤を調製した。
上記で調製した液晶配向剤をガラス基板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、庫内を窒素置換した200℃のオーブンで1時間加熱(ポストベーク)することにより、平均膜厚1,000Åの塗膜を形成した。この塗膜を上記実施例1−1の(2)と同様にして塗布膜の表面凹凸性の評価を行った。その結果、この塗膜のRaは0.9nmであり、表面凹凸性は「良好」であった。
(3)透過率の評価
上記で得た塗膜に対し、上記実施例1−1の(3)と同様に透過率を評価した。その結果、この塗膜の透過率は98.5%であり、透過性「良好」であった。
上記で得た塗膜に対し、コット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1000rpm、ステージ移動速度20cm/秒、毛足押し込み長さ0.4mmでラビング処理を7回実施した。得られた基板上のラビング削れによる異物(塗膜の欠片)を光学顕微鏡にて観察し、500μm×500μmの領域内の異物数を計測した。評価は、異物の数が3個以下の場合をラビング耐性「良好」、4個以上7個以下の場合を「可」、8個以上の場合をラビング耐性「不良」として行った。その結果、異物は観測されず、この塗膜のラビング耐性は「良好」であった。
(5)配向性の評価
上記で得られたラビング配向処理を施した配向膜付きガラス基板を、上記実施例1−1の(4)と同様に配向性を評価とした。その結果、この基板では屈折率異方性が0.031nmであり「良好」であった。
(6)ラビング法を用いたFFS型液晶表示素子の製造
上記実施例1−1の(5)と同様にして、図1に示すFFS型液晶表示素子を作製した。ここで使用したトップ電極13の平面模式図を図4に示す。なお、図4(a)は、トップ電極13の上面図であり、図4(b)は、図4(a)の破線で囲った部分C1の拡大図である。本実施例では、電極の線幅d1が4μm、電極間の距離d2が6μmのトップ電極を有する基板を使用した。
上記で製造したラビングFFS型液晶表示素子につき、上記実施例1−1の(6)と同様にして液晶配向性の評価を行った。その結果、この液晶表示素子では液晶配向性「良好」であった。
(8)電圧保持率及び耐熱性の評価
上記で製造したラビングFFS型液晶表示素子につき、上記実施例1−1の(7)と同様にして電圧保持率(VHRBF)を測定するとともに、上記実施例1−1の(8)と同様にして、熱ストレス付与前後の電圧保持率の変化率により液晶表示素子の耐熱性を評価した。その結果、VHRBFは99.4%であった。また、ΔVHRは1.6%であり、耐熱性「良好」と判断された。
(9)シール剤周辺のムラ耐性(ベゼルムラ耐性)
上記実施例1−1の(9)と同様にしてベゼルムラ耐性を評価した。その結果、この液晶表示素子の輝度差が視認されず、ベゼルムラ耐性「優良」と判断された。
上記実施例1−1(10)と同様にしてDC残像評価を行った。その結果、この液晶表示素子の残像消去時間は、2秒であり「良好」と評価された。
(11)駆動ストレス後のコントラスト特性の評価(AC残像評価)
上記実施例1−1(10)と同様にしてAC残像評価を行った。なお、この場合にも偏光板を貼り合わせていない液晶セルを用いて評価を行った。その結果、最小相対透過率は0.1%であり、コントラスト特性は「良好」と判断された。
液晶配向剤の調製に使用した重合体の種類及び量をそれぞれ下記表4に記載した通りとした以外は、上記実施例2−1と同様にして液晶配向剤をそれぞれ調製し、液晶表示素子を製造して評価した。ただし、比較例2−4については液晶配向性が悪く、液晶セルに関する評価は行わなかった。評価結果は下記表4及び表5に示した。
また、芳香族アミン構造のみを有するジアミンを用いた比較例1−1、2−2、2−3では、液晶表示素子の耐熱性、ベゼルムラ耐性及びコントラスト特性が「不良」であった。なお、PAm−14を用いた比較例4は、重合体の保存安定性、塗膜の表面凹凸性、透過率が悪く、液晶の配向性が悪かったため、液晶表示素子として使用に値するものではなかった。さらに比較例2−5では、耐熱性及びベゼルムラ耐性が「不良」であった。また、塗膜の透過率、ラビング耐性及び配向性、並びに液晶表示素子における液晶の配向性、電圧保持率、耐熱性、ベゼルムラ耐性、残像特性及びコントラスト特性を総合的に見ると、いずれの比較例も実施例より劣る結果となった。
(1)液晶配向剤の調製
重合体として合成例2−3で得た重合体(PAm−3)50重量部及び合成例2−16で得た重合体(PAm−16)50量部を、NMP及びBCの混合溶媒(NMP:BC=50:50(重量比))に溶解し、固形分濃度6.5重量%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を調製した。
(2)印刷性の評価
上記(1)で調製した液晶配向剤を、液晶配向膜印刷機(日本写真印刷(株)製)を用いてITO膜からなる透明電極付きガラス基板の透明電極面に塗布し、80℃のホットプレート上で1分間加熱(プレベーク)して溶媒を除去した後、200℃のホットプレート上で10分間加熱(ポストベーク)して、平均膜厚600Åの塗膜を形成した。この塗膜を倍率20倍の顕微鏡で観察して印刷ムラ及びピンホールの有無を調べた。評価は、印刷ムラ及びピンホールの双方とも観察されなかった場合を印刷性「良好」、印刷ムラ及びピンホールの少なくともいずれかが僅かに観察された場合を印刷性「可」、印刷ムラ及びピンホールの少なくともいずれかが多く見られた場合を印刷性「不良」として行った。本実施例では、印刷ムラ及びピンホールの双方とも観察されず、印刷性は「良好」であった。
(3)透過率の評価
上記で得た塗膜に対し、上記実施例1−1の(3)と同様に透過率を評価した。その結果、この塗膜の透過率は98.4%であり、「良好」であった。
上記(1)で調製した液晶配向剤を、液晶配向膜印刷機(日本写真印刷(株)製)を用いてITO膜からなる透明電極付きガラス基板の透明電極面に塗布し、80℃のホットプレート上で1分間加熱(プレベーク)して溶媒を除去した後、200℃のホットプレート上で10分間加熱(ポストベーク)して、平均膜厚600Åの塗膜を形成した。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い、液晶配向能を付与した。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。また、上記の操作を繰り返し、液晶配向膜を有する基板を一対(2枚)得た。
次に、上記一対の基板のうちの一方の基板に、液晶配向膜を有する面の外縁に直径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、一対の基板を液晶配向膜面が相対するように重ね合わせて圧着し、接着剤を硬化した。次いで、液晶注入口より一対の基板間にネマチック液晶(メルク社製、MLC−6221)を充填した後、アクリル系光硬化型接着剤で液晶注入口を封止することによりTN型液晶セルを製造した。
上記(4)で製造した液晶セルにつき、クロスニコル下で5Vの電圧をオン・オフしたときの異常ドメインの有無を顕微鏡によって倍率50倍で観察した。評価は上記実施例1−1の(6)と同様にして行った。その結果、この液晶表示素子では液晶配向性「良好」であった。
上記(4)で製造した液晶セルにつき、He−Neレーザー光を用いる結晶回転法によって液晶分子の基板面からの傾きの角度を測定し、この値を初期プレチルト角θINとした。結晶回転法は、非特許文献3(T.J.Scheffer et.al.,J.Appl.Phys.vol.48,p1783(1977))及び非特許文献4(F.Nakano et.al.,JPN.J.Appl.Phys.vol.19,p2013(1980))に記載の方法に準拠して行った。
次いで、初期プレチルト角θINを測定した後の液晶セルに5Vの交流電圧を100時間印加した。その後、上記と同様の方法により再度プレチルト角を測定し、この値を電圧印加後のプレチルト角θAFとした。これらの測定値を下記数式(EX−4)に代入して、電圧印加の前後におけるプレチルト角の変化量(Δθ(°))を求めた。
Δθ=|θAF−θIN| …(EX−4)
Δθが、3%未満であった場合をプレチルト角安定性「良好」、3%以上4%未満であった場合をプレチルト角安定性「可」、4%以上であった場合をプレチルト角安定性「不良」と評価したところ、この液晶表示素子のプレチルト角変化率は1.6%であり、プレチルト角安定性「良好」と判断された。
上記実施例1−1の(7)と同様にして電圧保持率(VHRBF)を測定するとともに、上記実施例1−1の(8)と同様にして、熱ストレス付与前後の電圧保持率の変化率により液晶表示素子の耐熱性を評価した。その結果、VHRBFは98.6%であった。また、ΔVHRは2.1%であり、耐熱性「良好」と判断された。
(8)シール剤周辺のムラ耐性(ベゼルムラ耐性)
上記実施例1−1の(9)と同様にしてベゼルムラ耐性を評価した。その結果、この液晶表示素子の輝度差が視認されず、「優良」と判断された。
(9)残像特性の評価(DC残像評価)
上記実施例1−1(10)と同様にしてDC残像評価を行った。その結果、この液晶表示素子の残像消去時間は12秒であり「良好」と評価された。
(1)液晶配向剤の調製
重合体として合成例3−2で得た重合体(PIm−2)20重量部及び合成例2−3で得た重合体(PAm−3)80重量部をNMP及びBCを加えて、固形分濃度6.5重量%、溶媒の混合比がNMP:BC=50:50(重量比)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を調製した。
(2)印刷性の評価
上記(1)で調製した液晶配向剤を用いて、上記実施例3−1の(2)と同様にして印刷性を調べたところ、印刷ムラ及びピンホールの双方とも観察されず、印刷性は「良好」であった。
(3)透過率の評価
上記で得た塗膜に対し、上記実施例1−1の(3)と同様に透過率を評価した。その結果、この塗膜は99.2%であり、塗膜の透過性は「良好」であった。
上記で調製した液晶配向剤を、ITO膜からなる透明電極付きガラス基板(厚さ1mm)の透明電極面上に液晶配向膜印刷機(日本写真印刷(株)製)を用いて塗布した。次いで、80℃のホットプレート上で1分間加熱(プレベーク)し、さらに200℃のホットプレート上で60分間加熱(ポストベーク)して、平均膜厚800Åの塗膜(液晶配向膜)を形成した。この操作を繰り返し、透明導電膜上に液晶配向膜を有するガラス基板を一対(2枚)得た。次に、上記一対の基板のうちの一方の基板につき、液晶配向膜を有する面の外縁に直径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、一対の基板を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、液晶注入口より一対の基板間にネマチック液晶(メルク社製、MLC−6608)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することによりVA型液晶セルを製造した。
上記(4)で製造した液晶セルにつき、実施例1−1の(6)と同様に液晶配向性の評価を行ったところ、この液晶セルの液晶配向性は「良好」であった。また、実施例1−1の(7)と同様にして電圧保持率(VHRBF)を測定するとともに、上記実施例1−1の(8)と同様にして耐熱性(熱ストレス付与前後の電圧保持率の変化率)の評価を行った。その結果、VHRBFは99.0%であった。また、ΔVHRは2.3%であり、耐熱性「良好」と判断された。
(6)シール剤周辺のムラ耐性(ベゼルムラ耐性)
上記実施例1−1の(9)と同様にしてベゼルムラ耐性を評価した。その結果、この液晶セルの輝度差が視認されず、「良好」と判断された。
(1)液晶配向剤の調製
合成例2−1で得た重合体(PAm−1)100重量部、及び合成例4−1で得た重合体(PSi−1)10重量部を、NMP及びBCからなる混合溶媒(NMP:BC=50:50(重量比))に溶解し、固形分濃度が3.5重量%の溶液とした。この溶液を孔径0.2μmのフィルターで濾過することにより液晶配向剤を調製した。
(2)位相差フィルムの製造
基板としてのTACフィルムの一面に、上記で調製した液晶配向剤をバーコーターを用いて塗布し、オーブン内にて120℃で2分間ベークして膜厚100nmの塗膜を形成した。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10mJ/cm2を基板法線から垂直に照射した。次いで、重合性液晶(RMS03−013C、メルク社製)を孔径0.2μmのフィルターでろ過した後、この重合性液晶を光照射後の塗膜上にバーコーターにより塗布して重合性液晶の塗膜を形成した。温度50℃に調整したオーブン内で1分間ベークした後、Hg−Xeランプを用いて365nmの輝線を含む非偏光の紫外線1,000mJ/cm2を塗膜面に対して垂直の方向から照射し、重合性液晶を硬化して液晶層を形成することにより位相差フィルムを製造した。
上記(2)で製造した位相差フィルムにつき、クロスニコル下での目視及び偏光顕微鏡(倍率2.5倍)によって異常ドメインの有無を観察することにより液晶配向性(光配向性)を評価した。評価は、目視にて配向性が良好かつ偏光顕微鏡にて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」、目視では異常ドメインが観察されなかったが偏光顕微鏡にて異常ドメインが観察された場合を液晶配向性「可」、目視及び偏光顕微鏡にて異常ドメインが観察された場合を液晶配向性「不良」として行った。その結果、この位相差フィルムは液晶配向性「良好」と評価された。
上記(2)で製造した位相差フィルムを用いて、液晶配向剤により形成した塗膜の基板との密着性について評価した。先ず、ガイドの付いた等間隔スペーサーを用い、カッターナイフにより位相差フィルムの液晶層側の面から切り込みを入れ、1cm×1cmの範囲に10個×10個の格子パターンを形成した。各切込みの深さは、液晶層表面から基板厚さの中ほどまで達するようにした。次いで、上記格子パターンの全面を覆うようにセロハンテープを密着させた後、該セロハンテープを引き剥がした。引き剥がし後の格子パターンの切込み部をクロスニコル下における目視によって観察して密着性を評価した。評価は、切込み線に沿った部分及び格子パターンの交差部分に剥離が確認されなかった場合を密着性「良好」、上記部分に剥離が観察された格子目の個数が、格子パターン全体の個数に対して15%未満の場合を密着性「可」、上記部分に剥離が観察された格子目の個数が、格子パターン全体の個数に対して15%以上であった場合を密着性「不良」として行った。その結果、この位相差フィルムは密着性「良好」であった。
Claims (16)
- 下記式(1)で表される化合物(C)及び下記式(1−3)で表される化合物(C1)よりなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物(C’)を反応に用いて得られる重合体(P)を含有する液晶配向剤。
- 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及びポリイミド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。
- 前記B1及び前記B2の少なくともいずれかが単結合である、請求項1又は2に記載の液晶配向剤。
- 前記化合物(C)は、下記式(1−1)で表される化合物である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の液晶配向剤。
- 前記重合体(P)は、テトラカルボン酸二無水物と、前記化合物(C’)を含むジアミンとを反応させて得られるポリアミック酸、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ばれる少なくとも一種であり、
前記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、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、3−オキサビシクロ[3.2.1]オクタン−2,4−ジオン−6−スピロ−3’−(テトラヒドロフラン−2’,5’−ジオン)、5−(2,5−ジオキソテトラヒドロ−3−フラニル)−3−メチル−3−シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸無水物、3,5,6−トリカルボキシ−2−カルボキシノルボルナン−2:3,5:6−二無水物、4,9−ジオキサトリシクロ[5.3.1.02,6]ウンデカン−3,5,8,10−テトラオン、ビシクロ[3.3.0]オクタン−2,4,6,8−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、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、1,3−プロピレングリコールビス(アンヒドロトリメリテート)及びピロメリット酸二無水物よりなる群から選ばれる少なくとも一種を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の液晶配向剤。 - 前記化合物(C’)の分子量が1,000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。
- 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。
- 請求項9に記載の液晶配向膜を具備する液晶表示素子。
- 請求項9に記載の液晶配向膜を具備する位相差フィルム。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の液晶配向剤を基板上に塗布して塗膜を形成する工程と、前記塗膜に光照射する工程と、前記光照射した後の塗膜上に重合性液晶を塗布して硬化させる工程と、を含む位相差フィルムの製造方法。
- 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ばれる重合体であって、
テトラカルボン酸二無水物、テトラカルボン酸ジエステル化合物及びテトラカルボン酸ジエステルジハロゲン化物よりなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物と、下記式(1−1)で表される化合物、下記式(1−2)で表される化合物、及び下記式(1−3)で表される化合物よりなる群から選ばれる少なくとも一種を含むジアミンと、を反応に用いて得られる重合体。
- 下記式(1−1)で表される化合物。
- 下記式(1−2)で表される化合物。
- 下記式(1−3)で表される化合物。
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