JP7468365B2 - 液晶配向剤、液晶配向膜及びそれを用いた液晶表示素子 - Google Patents
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Description
これらの液晶表示素子は、液晶分子を配向するために液晶配向膜を具備している。液晶配向膜の材料は、耐熱性、機械的強度、液晶との親和性等の各種の特性が良好である点から、一般に、ポリアミック酸、ポリイミド、ポリシロキサン等の重合体からなる被膜が使用されている。
また、上記用途における液晶表示素子では、過酷な使用環境での長期使用に耐えうる特性も要求されており、特許文献4には特定化合物を含む液晶配向剤が、長時間バックライトに曝された後であっても、電圧保持率の低下が小さい液晶配向膜が得られ、信頼性の高い液晶表示素子を得ることが開示されている。
本発明は、下記を要旨とするものである。
(A)成分:下記式(1)で表される繰り返し単位及び下記式(2)で表される繰り返し単位からなる群から選ばれる少なくとも1種の繰り返し単位を有する重合体(A)。
(B)成分:下記式(B)で表される化合物(B)。
<重合体(A)>
本発明の液晶配向剤は、上記式(1)で表される繰り返し単位及び上記式(2)で表される繰り返し単位からなる群から選ばれる少なくとも1種の繰り返し単位を有する重合体(A)を含有する。
残像が少ない観点において、前記Z11、Z12はそれぞれ独立して、水素原子又はメチル基であることが好ましい。
残像が少なく、溶解性を担保する観点において、前記式(1)のX1は、前記式(4a)~(4h)、(4j)、(4l)、(4m)~(4n)から選ばれる4価の有機基であることが好ましい。
残像が少ない観点において、X1が前記式(4a)~(4n)、(5a)及び前記式(6a)からなる群から選ばれる4価の有機基であり、Y1が2価の有機基である前記式(1)で表される繰り返し単位及び前記式(2)で表される繰り返し単位からなる群から選ばれる繰り返し単位(以下、繰り返し単位(t)ともいう。)の1種以上の含有量が、合計で、全繰り返し単位に対して、好ましくは5モル%以上、より好ましくは10モル%以上、より好ましくは20モル%以上が好ましい。
X1及びX2はそれぞれ独立して、単結合、-(CH2)a-(aは1~15の整数である)、-CONH-、-NHCO-、-CON(CH3)-、-NH-、-O-、-COO-、-OCO-又は-((CH2)a1-A1)m1-を表す。このうち、複数のa1はそれぞれ独立して1~15の整数であり、複数のA1はそれぞれ独立して酸素原子又は-COO-を表し、m1は1又は2の整数である。X3は単結合、-CONH-、-NHCO-、-CON(CH3)-、-NH-、-O-、-CH2O-、-COO-又は-OCO-を表す。X4は-CONH-、-NHCO-、-O-、-COO-又は-OCO-を表す。
G1及びG2は、それぞれ独立して、フェニレン、ビフェニレン、ナフタレンなどの炭素数6~12の2価の芳香族基又はシクロプロピレン、シクロヘキシレンなどの炭素数3~8の2価の脂環式基から選ばれる2価の環状基を表す。該環状基上の任意の水素原子は、炭素数1~3のアルキル基、炭素数1~3のアルコキシ基、炭素数1~3のフッ素含有アルキル基、炭素数1~3のフッ素含有アルコキシ基又はフッ素原子で置換されていてもよい。kは0又は1の整数を表し、m及びnは、それぞれ独立して、0~3の整数であって、m及びnの合計は1~4である。
R1は、炭素数1~20のアルキル基、炭素数1~20のアルコキシ基又は炭素数2~20のアルコキシアルキル基を表す。R1を形成する任意の水素はフッ素で置換されていてもよい。
R2は炭素数1~20のアルキル基又は炭素数2~20のアルコキシアルキル基を表し、R2を形成する任意の水素はフッ素で置換されていてもよい。R3はステロイド骨格を有する構造を表す。)
前記繰り返し単位(a)の含有量は、重合体(A)が有する全繰り返し単位に対して、99モル%以下が好ましく、95モル%以下がより好ましく、90モル%以下が更に好ましい。
前記繰り返し単位(a)及び繰り返し単位(b)の含有量は、合計で、重合体(A)が有する全繰り返し単位に対して、99モル%以下が好ましく、97モル%以下がより好ましく、95モル%以下が更に好ましい。なお、この場合において、前記繰り返し単位(a)、繰り返し単位(b)以外の繰り返し単位を目的に応じて含んでもよい。
前記繰り返し単位(c)の含有量は、重合体(A)が有する全繰り返し単位に対して、99モル%以下が好ましく、95モル%以下がより好ましく、90モル%以下が更に好ましい。
前記繰り返し単位(d)の含有量は、重合体(A)が有する全繰り返し単位に対して、99モル%以下が好ましく、95モル%以下がより好ましく、90モル%以下が更に好ましい。
本発明の液晶配向剤は、前記式(B)で表される化合物(B)を含有する。化合物(B)は立体障害の少ない構造であるため、重合体(A)を含む液晶配向膜の液晶配向性が著しく阻害されず、得られる液晶配向膜は高い液晶配向性を有する。また、メチロール基を分子内に有するため、重合体(A)と化合物(B)との間、若しくは化合物(B)同士のいずれかにおいて架橋反応が生じるため、得られる液晶配向膜の膜強度を高めることができる。このため本発明の液晶配向膜を具備する液晶表示素子は、残像の発生が少なく、スペーサによるこすり付けなど物理的摩擦が発生した際でも輝点を最小にできる。また、化合物(B)は、液晶配向膜の架橋密度を高める効果が得られることから、基板由来の不純物成分を捕捉する能力に優れるため、得られる液晶配向膜は高い電圧保持率を示し、従って信頼性の高い液晶表示素子が得られる。
本発明における重合体(A)は、例えば上記X1の構造を有するテトラカルボン酸誘導体と、上記Y1の構造を有するジアミンとを、WO2013/157586号に記載されるような公知の方法で反応させることにより得ることができる。
本発明における重合体(A)は、上記の如きテトラカルボン酸誘導体及びジアミンとともに、末端封止剤を用いることにより末端修飾型の重合体であってもよい。
上記酸一無水物としては、例えば、無水マレイン酸、無水ナジック酸、無水フタル酸、無水イタコン酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物、3-ヒドロキシフタル酸無水物、トリメット酸無水物、下記式(m-1)~(m-6)のいずれかで表される化合物、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、3-(3-トリメトキシシリル)プロピル)-3,4-ジヒドロフラン-2,5-ジオン、4,5,6,7-テトラフルオロイソベンゾフラン-1,3-ジオンなどを挙げられる。
上記モノアミン化合物として、例えばアニリン、2-アミノフェノール、3-アミノフェノール、2-アミノ-m-クレゾール、2-アミノ-p-クレゾール、3-アミノ-o-クレゾール、4-アミノ-o-クレゾール、4-アミノ-m-クレゾール、5-アミノ-o-クレゾール、6-アミノ-m-クレゾール、4-アミノ-2,3-キシレノール、4-アミノ-3,5-キシレノール、6-アミノ-2,4-キシレノール、2-アミノ-4-エチルフェノール、3-アミノ-4-エチルフェノール、2-アミノ-4-tert-ブチルフェノール、2-アミノ-4-フェニルフェノール、4-アミノ-2,6-ジフェニルフェノール、4-アミノサリチル酸、5-アミノサリチル酸、6-アミノサリチル酸、2-アミノ安息香酸、3-アミノ安息香酸、4-アミノ安息香酸、2-アミノ-m-トルエン酸、3-アミノ-o-トルエン酸、3-アミノ-p-トルエン酸、4-アミノ-m-トルエン酸、6-アミノ-o-トルエン酸、6-アミノ-m-トルエン酸、3-アミノベンゼンスルホン酸、4-アミノベンゼンスルホン酸、4-アミノトルエン-3-スルホン酸、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、3-(トリフルオロメトキシ)アニリン、4-(トリフルオロメトキシ)アニリン、トリエトキシシリルアミン、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、3-アミノプロピルメトキシジエトキシシランなどを挙げられる。
上記モノイソシアネート化合物として、例えばエチルイソシアネート、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は、重合体(A)に加えて、その他の重合体を含有していてもよい。その他の重合体の種類としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレア、ポリオルガノシロキサン、セルロース誘導体、ポリアセタール、ポリスチレン又はその誘導体、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挙げることができる。尚、ポリオルガノシロキサンとしては、合成が容易である観点から、オキセタニル基及びオキシラニル基の少なくともいずれかを有することが好ましい。
例えば、ジイソプロピルエーテル、ジイソブチルエーテル、ジイソブチルカルビノール(2,6-ジメチル-4-ヘプタノール)、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ジエチルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、1,2-ブトキシエタン、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、4-ヒドロキシ-4-メチル-2-ペンタノン、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、3-エトキシブチルアセタート、1-メチルペンチルアセタート、2-エチルブチルアセタート、2-エチルヘキシルアセタート、エチレングリコールモノアセタート、エチレングリコールジアセタート、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノイソアミルエーテル、エチレングリコールモノヘキシルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル、1-(2-ブトキシエトキシ)-2-プロパノール、2-(2-ブトキシエトキシ)-1-プロパノール、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセタート、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ジメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテルアセタート、エチレングリコールモノアセタート、エチレングリコールジアセタート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセタート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセタート、2-(2-エトキシエトキシ)エチルアセタート、ジエチレングリコールアセタート、プロピレングリコールジアセテート、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、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エチル、3-メトキシプロピオン酸エチル、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、乳酸n-ブチルエステル、乳酸イソアミルエステル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジイソブチルケトン(2,6-ジメチル-4-ヘプタノン)などを挙げることができる。
オキサゾリン環構造を含む基を有する化合物の具体例としては、日本特開2007-286597号公報の段落[0115]に記載の、2個以上のオキサゾリン構造を含む化合物が挙げられる。
シクロカーボネート基を有する化合物の具体例としては、WO2011/155577号に記載の化合物が挙げられる。
前記式(d)で表される基のR1、R2、R3の炭素数1~3のアルキル基としては、上記式(l)、(n)で例示した基が挙げられる。
本発明の液晶配向剤における、架橋性化合物の含有量は、液晶配向剤に含まれる重合体成分100重量部に対して、0.5~20重量部が好ましく、架橋反応が進行し目的の効果を発現し、かつAC残像特性が少ない観点から、より好ましくは1~15重量部である。
上記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、本発明に係る液晶表示素子は、上記液晶配向剤を用いて形成した液晶配向膜を具備する。本発明に係る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、垂直配向型(VA-MVA型、VA-PVA型などを含む。)、面内スイッチング型(IPS型)、FFS型、光学補償ベンド型(OCB型)など種々の動作モードに適用することができる。
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。
(1-1A)
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、上記で調製した液晶配向剤を、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社商品名)、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。
IPS型又はFFS型の液晶表示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、次いで各塗布面を加熱することにより塗膜を形成する。このとき使用される基板及び透明導電膜の材質、塗布方法、塗布後の加熱条件、透明導電膜又は金属膜のパターニング方法、基板の前処理、並びに形成される塗膜の好ましい膜厚については上記(1-1A)と同様である。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。
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(1-1)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、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塗膜を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(1-1)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。
(1-3A)
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で貼り合わせ、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。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。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、さらに、用いた液晶が等方相をとる温度まで加熱した後、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。
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液晶;C-15、CB-15(メルク社商品名)として販売されているカイラル剤、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などを、添加してもよい。液晶は、異方性染料を追加で含むことができる。「染料」は、可視光領域、例えば、400nmないし700nm波長範囲内で少なくとも一部又は全体範囲内の光を集中的に吸収又は変形させることができる物質を意味する。「異方性染料」は前記可視光領域の少なくとも一部又は全体範囲で光の異方性吸収が可能な物質を意味する。前記染料の使用を通じて液晶セルの色感を調節することができる。 異方性染料の種類は特別に制限されないし、例えば、黒色染料又はカラー染料を使用できる。異方性染料の液晶に対する割合は適切に選択され、例えば、異方性染料は液晶化合物100重量部に対して好ましくは0.01~5重量部で含有させることができる。
光重合性基を有する化合物(重合体又は添加剤)を含む液晶配向剤を用いて基板上に塗膜を形成した場合、上記(1-3A)と同様にして液晶セルを構築し、その後、一対の基板の有する導電膜間に電圧を印加した状態で液晶セルに光照射する工程を経ることにより液晶表示素子を製造する方法を採用してもよい。この方法によれば、PSAモードのメリットを少なく光照射量で実現可能である。液晶セルに対する光照射は、電圧印加により液晶を駆動させた状態で行ってもよく、あるいは液晶を駆動させない程度に低い電圧を印加した状態で行ってもよい。印加する電圧は、例えば0.1~30Vの直流又は交流とすることができる。照射する光の条件については、上記(1-3B)の説明を適用することができる。ここでの光照射処理が、液晶層と接触した状態での光照射の処理に相当する。
(ジアミン)
DA-1~DA-22:それぞれ、下記式(DA-1)~式(DA-22)で表される化合物
(テトラカルボン酸二無水物)
CA-1~CA-8:それぞれ、下記式(CA-1)~式(CA-8)で表される化合物
(テトラカルボン酸ジエステルジハロゲン化物)
CE-1:下記式(CE-1)で表される化合物
(モノカルボン酸塩化物)
E-1:アクリロイルクロリド
(化合物B)
B-1~B-10:それぞれ、下記式(B-1)~式(B-10)で表される化合物
(添加剤)
c-1~c-3:それぞれ、下記式(c-1)~式(c-3)で表される化合物
F-1:N-α-(9-フルオレニルメチルオキシカルボニル)-N-τ-t-ブトキシカルボニル-L-ヒスチジン(下記式(F-1)で表される化合物)
s-1:3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン(下記式(s-1)で表される化合物)
s-2:3-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン(下記式(s-2)で表される化合物)
M-1:3-ピコリルアミン
(有機溶媒)
NMP:N-メチル-2-ピロリドン、GBL:γ-ブチロラクトン、
BCS:ブチルセロソルブ、DIBK:ジイソブチルケトン、
NEP:N-エチル-2-ピロリドン、DAA:ジアセトンアルコール
PC:プロピレンカーボネート、DME:ジプロピレングリコールジメチルエーテル、
DPM:ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、
PB:プロピレングリコールモノブチルエーテル、
PGDAC:プロピレングリコールジアセテート、
DEDE:ジエチレングリコールジエチルエーテル、
GVL:γ-バレロラクトン、 DML:N,N-ジメチルラクトアミド
E型粘度計TVE-22H(東機産業社製)を用い、サンプル量が1.1mL、コーンロータTE-1(1°34’、R24)であり、温度25℃で測定した。
[分子量]
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(Mn)と重量平均分子量(Mw)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・H2O)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、30,000)、及び、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、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、1,000の4種類を混合したサンプル、及び150,000、30,000、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した。
ポリイミド粉末20mgをNMR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%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、9.5ppm~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はポリアミド酸(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。
<合成例1>
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの四つ口フラスコに、CA-2(2.25g、8.99mmol)、DA-6(2.97g、8.99mmol)、及びDA-7(3.43g、9.01mmol)とNMP(34.6g)を加えて溶解させ、60℃で4時間反応させた。その後、CA-3(1.75g、8.92mmol)とNMP(6.99g)を加え、40℃で4時間反応させポリアミック酸溶液を得た。
このポリアミック酸溶液(40g)にNMPを加えて6.5重量%に希釈した後、イミド化触媒として無水酢酸(7.06g)、及びピリジン(2.19g)を加え、80℃で4時間反応させた。この反応溶液をメタノール(463g)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。このポリイミドのイミド化率は74%であり、Mnは12500、Mwは38500であった。
得られたポリイミド粉末(2.0g)にNMP(18.0g)を加え、M-1をポリイミド固形分に対して1重量%となるように添加し、70℃にて12時間攪拌して溶解させ、固形分濃度が10%のポリイミド(PI-V-1)の溶液を得た。
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの四つ口フラスコに、CA-2(1.20g、4.80mmol)、DA-8(1.46g、9.59mmol)、DA-9(1.74g、7.18mmol)、及びDA-7(2.74g、7.20mmol)とNMP(28.58g)を加えて溶解させ、60℃で2時間反応させた。その後、CA-5(1.05g、4.81mmol)とNMP(4.19g)を加え、室温で4時間反応させ、さらにCA-3(2.78g、14.18mmol)とNMP(11.1g)を加え、室温で4時間反応させポリアミック酸溶液を得た。
このポリアミック酸溶液(40g)にNMPを加えて6.5重量%に希釈した後、イミド化触媒として無水酢酸(8.90g)、及びピリジン(2.76g)を加え、80℃で4時間反応させた。この反応溶液をメタノール(472g)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。このポリイミドのイミド化率は74%であり、Mnは13000、Mwは39000であった。
得られたポリイミド粉末に固形分濃度が10重量%になるようにNMPを加え、M-1をポリイミド固形分に対して1重量%となるように添加し、70℃にて12時間攪拌して溶解させ、ポリイミド(PI-V-2)の溶液を得た。
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの四つ口フラスコに、DA-2を5.86g(24.0mmol)、DA-10を5.46g(16.0mmol)、DA-4を1.73g(16.0mmol)、DA-1を7.69g(24.0mmol)、及びNMPを194g加えて、窒素を送りながら撹拌し溶解させた。このジアミン溶液を撹拌しながらCA-1を17.1g(76.4mmol)添加し、更に固形分濃度が12重量%になるようにNMPを加え、40℃で24時間撹拌してポリアミック酸溶液(粘度:549mPa・s)を得た。ポリアミック酸は、Mnが12400、Mwが33000であった。
このポリアミック酸溶液(225g)にNMPを加えて9.0重量%に希釈した後、イミド化触媒として無水酢酸(17.1g)、及びピリジン(3.54g)を加えて、55℃で3時間反応させた。この反応液をメタノール(1111g)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、60℃で12時間乾燥し、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66%であり、Mnは11000、Mwは28000であった。
得られたポリイミド粉末に固形分濃度が15重量%になるようにNMPを加え、70℃で24時間撹拌し溶解させてポリイミド(PI-I-3)の溶液を得た。
撹拌装置及び窒素導入管付きの5Lの四つ口フラスコに、DA-5を5.73g(20.0mmol)量り取り、NMPを固形分濃度が7%となるように加え、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水冷下で撹拌しながら、CA-3を2.94g(15.0mmol)添加し、NMPを固形分濃度が6%となるように加え、窒素雰囲気下23℃で1時間撹拌した。その後、DA-3を11.9g(40.0mmol)、DA-11を6.01g(40.0mmol)量り取り、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水冷下で撹拌しながら、CA-3を15.9g(81.0mmol)添加し、固形分濃度が15重量%になるようにNMPを加え、s-1をポリアミック酸固形分に対して1重量%となるように添加し、窒素雰囲気下23℃で6時間撹拌してポリアミック酸(PAA-I-4)の溶液を得た。ポリアミック酸は、Mnが12000、Mwが30000であった。
撹拌装置付きの500mLの四つ口フラスコを窒素雰囲気とし、DA-4を2.80g(25.9mmol)、DA-2を1.58g(6.47mmol)、NMPを111g、及び塩基としてピリジン6.18g(78.1mmol)を加え、撹拌して溶解させた。次にこのジアミン溶液を撹拌しながらCE-1を9.89g(30.4mmol)添加し、15℃で一晩反応させた。一晩攪拌後、E-1を0.38g(4.21mmol)加えて、15℃で4時間反応させた。得られたポリアミック酸エステルの溶液を、1230gの水に撹拌しながら投入し、析出した白色沈殿をろ取し、続いて、1230gのIPAで5回洗浄し、乾燥することで白色のポリアミック酸エステル樹脂粉末10.2gを得た。収率は、83.0%であった。また、このポリアミック酸エステルは、Mnが20,786、Mwは40,973であった。
得られたポリアミック酸エステルに固形分濃度が10重量%になるようにGBLを加え、室温で24時間攪拌し溶解させて、ポリアミック酸エステル(PAE-I-5)の溶液を得た。
撹拌装置付き及び窒素導入管付きの四つ口フラスコに、DA-8を0.46g(3.00mmol)、DA-13を3.00g(15.0mmol)、DA-14を2.56g(12.0mmol)、NMPを11.0g、及びGBLを8.10g加えて、窒素を送りながら撹拌し溶解させた。このジアミン溶液を撹拌しながらCA-6を4.76g(24.0mmol)添加し、GBLを10.9g加えて、室温で2時間攪拌した。次に、GBLを10.8g加えて攪拌した後、CA-5を1.31g(6.01mmol)添加し、GBLを14.3g加えて、室温で24時間攪拌した。得られたポリアミック酸溶液の25℃における粘度は2,041mPa・sであった。また、ポリアミック酸は、Mnが14,200、Mwが30,110であった。その後、s-2をポリアミック酸固形分に対して1重量%となるように添加し、NMPとGBLの混合比率が、重量比でNMP:GBL=20:80となり、固形分濃度が15重量%になるように、NMP及びGBLを添加して、ポリアミック酸(PAA-I-6)の溶液を得た。
下記表1に示す、ジアミン、テトラカルボン酸誘導体及び有機溶媒を使用し、それぞれ、上記合成例と同様の手順で実施することにより、下記表1に示すポリイミド(PAA-I-7、(PI-V-8)、(PI-V-9)、(PAA-I-10)、及び(PI-I-11)の各溶液を得た。これらを、上記合成例1~6と合わせて表1に示す。
表1中、括弧内の数値は、テトラカルボン酸成分については、合成に使用したテトラカルボン酸誘導体の合計量100モル部に対する各化合物の配合割合(モル部)を表し、ジアミン酸成分については、合成に使用したジアミンの合計量100モル部に対する各化合物の配合割合(モル部)を表す。末端修飾剤については、合成に使用したジアミンの合計量100モル部に対する配合割合(モル部)を表す。有機溶媒については、合成に使用した有機溶媒の合計量100重量部に対する各有機溶媒の配合割合(重量部)を表す。
<合成例12>
日本特開2018-54761号の段落[0091]に記載の方法に従って、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(ECETS)を用いて反応性ポリオルガノシロキサン重合体を得た。次に、日本特開2018-54761号の段落[0093]に記載の方法に従って、下記式(P-S1)で表されるポリオルガノシロキサンの重合体を得た。なお、式(P-S1)における数値は合成に用いた各シラン化合物の合計に対する各化合物の使用割合を示す。
日本特開2018-54761号の段落[0091]に記載の方法に従って、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(ECETS)を用いて反応性ポリオルガノシロキサン重合体を得た。次に、日本特開2018-54761号の段落[0093]に記載の方法に従って、下記式(P-S2)で表されるポリオルガノシロキサンの重合体を得た。なお、式(P-S2)における数値は合成に用いた各シラン化合物の合計に対する各化合物の使用割合を示す。
[液晶配向剤の調製]
合成例1で得られたポリイミド(PI-V-1)の溶液及び合成例2で得られたポリイミド(PI-V-2)の溶液を用いて、NMP及びBCSにより希釈し、更に化合物(B-3)を全ての重合体100重量部に対して5重量部となるように添加し室温で攪拌した。次いで、この得られた溶液を孔径0.5μmのフィルターでろ過することにより、重合体の成分比率が(PI-V-1):(PI-V-2)=30:70(固形分換算重量比)、溶媒組成比がNMP:BCS=60:40(重量比)、重合体固形分濃度が4.5%、化合物(B-3)の配合割合が5重量部となる液晶配向剤(V1)を得た(下記の表2-1~表2-3参照)。この液晶配向剤に、濁りや析出などの異常は見られず、均一な溶液であることが確認された。
下記表2-1~表2-3に示す重合体及び添加剤を使用した以外は、実施例1と同様に実施することにより、液晶配向剤(V2)~(V11)、(I12-P)~(I29-P)、(I30-U)~(I37-U)、(V38)~(V43)、(I44-P)~(I47-P)、(R-V1)~(R-V2)、(R-I3-P)~(R-I4-P)を得た。
表2-1~表2-3中、括弧内の数値は、重合体及び添加剤についてはそれぞれ液晶配 剤の調製に使用した重合体成分の合計100重量部に対する各重合体成分又は添加剤の配合割合(重量部)を表す。有機溶媒については、液晶配向剤の調製に使用した有機溶媒の合計量100重量部に対する各有機溶媒の配合割合(重量部)を表す。
1-1.PSA型液晶表示素子の作製
画素サイズが200μm×600μmでライン/スペースがそれぞれ3μmのITO電極パターンが形成されているITO電極基板(縦:35mm、横:30mm、厚さ:0.7mm)と、高さ3.2μmのフォトスペーサーがパターニングされているITO電極付きガラス基板(縦:35mm、横:30mm、厚さ:0.7mm)を準備し、純水及びイソプロピルアルコールで洗浄した。次に、各ITO面上に孔径1.0μmのフィルターで濾過した液晶配向剤(V1)~(V11)、(V38)~(V43)及び(R-V1)~(R-V2)をそれぞれスピンコートし、ホットプレート上にて70℃で90秒間、熱循環型クリーンオーブンにて230℃で30分間の加熱処理をして、膜厚が100nmの液晶配向膜付きのITO基板を得た。
なお、このITO電極パターンが形成されているITO電極基板は、クロスチェッカー(市松)模様に4分割されており4つのエリアごとで別々に駆動ができるようになっている。
その後、得られた液晶セルに15Vの直流電圧を印加し、全ての画素エリアが駆動した状態で、光源に高圧水銀ランプを使用した紫外線照射装置を用いて、波長365nmのバンドパスフィルターを通した紫外線を10J/cm2照射して、垂直配向型液晶表示素子を得た。紫外線照射量の測定にはORC社製UV-M03AにUV-35の受光器を接続し用いた。
(i)長期交流駆動による残像評価
上記1-1で作製した液晶表示素子を用いて、4つの画素エリアのうち対角線の2つのエリアに60Hz、20Vp-pの交流電圧を印加し、23℃の温度下で168時間駆動させた。その後、4つの画素エリアすべてを5Vp-pの交流電圧で駆動させ、画素の輝度差を目視で観察した。輝度差がほぼ確認できない状態を良好とし、輝度差が確認された場合を不良とした。評価結果を表3-1~表3-3に示す。
(ii)電圧保持率評価
40mm×30mmのITO電極付きガラス基板(縦:40mm、横:30mm、厚さ:1.1mm)を2枚準備し、上記1-1と同様の手順でITO面上に膜厚が100nmの液晶配向膜を作製した。一方の基板の液晶配向膜面に、直径4μmのビーズスペーサー(日揮触媒化成社製、真絲球、SW-D1)を塗布した。
その後、得られた液晶セルに15Vの直流電圧を印加した状態で、光源に高圧水銀ランプを使用した紫外線照射装置を用いて、波長365nmのバンドパスフィルターを通した紫外線を15J/cm2照射して、垂直配向型液晶表示素子を得た。なお、紫外線照射量の測定にはORC社製UV-M03AにUV-35の受光器を用いた。次に、この液晶表示素子をLEDランプ照射下の80℃オーブン中で200時間静置した後、室温中に静置して室温まで自然冷却した。その後、60℃において1Vの電圧を60マイクロ秒の印加時間、1667ミリ秒のスパンで印加した後、印加解除から1,000ミリ秒後の電圧保持率を測定した。測定装置としては、東陽テクニカ社製を使用した。
一対のガラス基板(縦:40mm、横:30mm、厚さ:1.1mm)上に上記1-1と同様の手順で液晶配向膜を作製した。各液晶配向膜面に対して、UMT-2(ブルカー・エイエックスエス株式会社製)を用いてスクラッチ試験を行った。
UMT-2のセンサーにはFVLを選択し、スクラッチ部先端には1.6mmのサファイア球を取り付けた。
スクラッチ部先端を液晶配向膜表面に荷重40mNで接触させた状態で、横0.5mm、縦2.0mmの範囲を、スクラッチした。この時スクラッチ部先端の移動方向は横への往復とし、移動速度は5.0mm/秒で行った。スクラッチエリアの縦方向への移動は、液晶配向膜付きの基板を縦方向に20μm/秒で移動させて行った。
偏光顕微鏡(ECLIPSE E600WPOL)(ニコン社製)の上下の偏光板の偏光軸が90°(クロスニコル)となるようにした状態で、スクラッチ試験を行った箇所を観察し、光が透過するかを観察した。スクラッチ試験を行った箇所について、輝点や光抜けが全く見られない状態を良好、スクラッチした箇所全体が光抜けとなった状態を不良として表6に示す。
始めに、電極付きの基板を準備した。基板は、縦30mm×横50mm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ITO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ITO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。
液晶配向剤(I12-P)~(I29-P)、(R-I3-P)~(R-I4-P)から得られた塗膜に対しては、80℃のホットプレート上で5分間乾燥させた後、230℃の熱風循環式オーブンで20分間焼成を行い、膜厚100nmのポリイミド膜を得た。その後、塗膜面に偏光板を介して消光比26:1の直線偏光した波長254nmの紫外線を500mJ/cm2照射し、次いで230℃の熱風循環式オーブンで30分間焼成を行い、膜厚100nmの液晶配向膜付き基板を得た。
次に、上記一組の液晶配向膜付きガラス基板の一方にシール剤を印刷し、もう一方の基板を液晶配向膜面が向き合うように貼り合わせ、シール剤を硬化させて空セルを作製した。この空セルに減圧注入法によって、液晶MLC-3019(メルク社製)を注入し、注入口を封止して、FFS駆動液晶表示素子を得た。その後、得られた液晶セルを120℃で1時間加熱し、一晩放置してから残像特性の評価を実施した。
(i)長期交流駆動による残像評価
上記2-1で作製した液晶セルを用い、60℃の恒温環境下、周波数60Hzで±5Vの交流電圧を120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。
この角度Δが0.3°未満の時を良好、Δが0.3°以上の時を不良であるとした。評価結果を、表3-1~表3-3に示す。
(ii)電圧保持率評価
40mm×30mmのITO電極付きガラス基板(縦:40mm、横:30mm、厚さ:1.1mm)を2枚準備し、上記2-1と同様の手順でITO面上に膜厚が100nmの液晶配向膜を作製した。一方の基板の液晶配向膜面に、直径4μmのビーズスペーサー(日揮触媒化成社製、真絲球、SW-D1)を塗布した。
次に、シール剤(三井化学社製XN-1500T)で周囲を塗布した。次いで、もう一方の基板の液晶配向膜が形成された側の面を内側にして、先の基板と張り合わせた後、シール材を硬化させて空セルを作製した。この空セルに液晶MLC-3019(メルク社製商品名)を減圧注入法によって注入し、液晶表示素子を作製した。次に、この液晶表示素子をLEDランプ照射下の80℃オーブン中で200時間静置した後、室温中に静置して室温まで自然冷却した。その後、1-2の(ii)と同様の手順で評価を行った。
(iii)スクラッチ耐性評価
上記2-1と同様の液晶配向膜を用いて、液晶をMLC-3019とした以外は、上記1-2の(iii)と同様の手順で行った。
先ず、上記2-1と同様の一対のガラス基板の各表面に、孔径1.0μmのフィルターで濾過した液晶配向剤(I30-U)~(I37-U)をインクジェット塗布装置(HIS-200、日立プラントテクノロジー社製)を用いて塗布した。塗布は、塗布面積が70×70mm、ノズルピッチが0.423mm、スキャンピッチが0.5mm、塗布速度が40mm/秒、塗布から乾燥までに60秒間引き置きする条件で行った。次に、80℃のホットプレート上で5分間乾燥させた後、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、純水中にて1分間超音波照射をして洗浄を行い、水滴を除去した。その後、80℃で15分間乾燥して、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。その後、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-7026-100(メルク社製)を注入し、注入口を封止して、FFS方式の液晶表示素子を得た。その後、得られた液晶表示素子を120℃で1時間加熱し、23℃で一晩放置してから残像評価の評価に使用した。
(i)長期交流駆動による残像評価
上記3-1と同様の液晶配向膜を用いて、液晶をMLC-7026-100とした以外は、上記2-2の(i)と同様の手順で評価を行った。なお、評価は、得られた角度Δが0.2°未満の時を良好とし、Δが0.2°以上の時を不良とした。
(ii)電圧保持率評価
上記3-1と同様の液晶配向膜を用いて、液晶をMLC-7026-100とした以外は、上記2-2の(ii)と同様の手順で評価を行った。
(iii)スクラッチ耐性評価
上記3-1と同様の液晶配向膜を用いて、液晶をMLC-7026-100とした以外は、上記2-2の(iii)と同様の手順で評価を行った。
なお、2019年2月5日に出願された日本特許出願2019-018889号の明細書、特許請求の範囲、図面、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 (12)
- 下記の(A)成分と(B)成分を含有することを特徴とする液晶配向剤。
(A)成分:下記式(1)で表される繰り返し単位及び下記式(2)で表される繰り返し単位からなる群から選ばれる少なくとも1種の繰り返し単位を有する重合体(A)。
(B)成分:下記式(B)で表される化合物(B)。
- 前記重合体(A)において、前記X1が前記式(4a)~(4n)、(5a)及び式(6a)からなる群から選ばれる4価の有機基であり、かつY1が2価の有機基である前記式(1)で表される繰り返し単位及び前記式(2)で表される繰り返し単位からなる群から選ばれる繰り返し単位の1種以上の含有量が、合計で、全繰り返し単位に対して、5モル%以上である、請求項1又は2に記載の液晶配向剤。
- 前記重合体(A)において、X1が4価の有機基であり、かつY1が下記式(V1)~(V3)のいずれかで表されるジアミンに由来する2価の有機基である前記式(1)で表される繰り返し単位及び前記式(2)で表される繰り返し単位からなる群から選ばれる1種の以上の繰り返し単位(繰り返し単位(a))を含み、その含有量が、合計で、全繰り返し単位に対して、1モル%以上である、請求項1又は2に記載の液晶配向剤。
- 前記重合体(A)において、X1が4価の有機基であり、かつY1が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エーテル、4,4’-ジアミノアゾベンゼン、1,4-ビス(4-アミノフェニル)-ピペラジン、2,2’-ジメチル-4,4’-ジアミノビフェニル、1,3-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン、1,4-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン、ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]エーテル、4,4’-ビス(4-アミノフェノキシ)ビフェニル、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、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、1,3-ビス(3-アミノプロピル)-テトラメチルジシロキサン、下記式(z-1)、(z-2)、(z-3)、(z-5)のいずれかで表されるジアミン、下記式(H)で表されるジアミン及び下記式(H2)~(H3)のいずれかで表されるジアミンからなる群から選ばれるジアミンに由来する2価の有機基である前記式(1)で表される繰り返し単位及び前記式(2)で表される繰り返し単位からなる群から選ばれる1種以上の繰り返し単位(繰り返し単位(c))を含み、その含有量が、合計で、全繰り返し単位に対して、5モル%以上である、請求項1又は2に記載の液晶配向剤。
- 前記重合体(A)において、X1が4価の有機基であり、かつY1がラジカル開始機能を有するジアミン及び光重合性基を末端に有するジアミンからなる群から選ばれるジアミンに由来する2価の有機基である前記式(1)で表される繰り返し単位及び前記式(2)で表される繰り返し単位からなる群から選ばれる繰り返し単位(繰り返し単位(b))を1種以上含み、その含有量が、合計で、全繰り返し単位に対して、1モル%以上である、請求項1又は2に記載の液晶配向剤。
- 前記重合体(A)が、繰り返し単位(a)及び(b)を含み、繰り返し単位(a)及び繰り返し単位(b)の含有量が、合計で、全繰り返し単位に対して、99モル%以下である、請求項6に記載の液晶配向剤。
- 前記液晶配向剤が、さらに、ポリオルガノシロキサンを含み、前記ポリオルガノシロキサンがオキセタニル基及びオキシラニル基の少なくともいずれかを有する、請求項1~7のいずれか一項に記載の液晶配向剤。
- 前記重合体(A)が2種類以上からなる、請求項1~8のいずれか一項に記載の液晶配向剤。
- 前記(B)成分が、前記(A)成分100重量部に対して、0.1~30重量部含有される、請求項1~9のいずれか一項に記載の液晶配向剤。
- 請求項1~10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。
- 請求項11に記載の液晶配向膜を具備する液晶表示素子。
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