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特開2024-61619液晶配向剤、液晶配向膜、液晶素子、重合体及びジアミン
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024061619
(43)【公開日】2024-05-07
(54)【発明の名称】液晶配向剤、液晶配向膜、液晶素子、重合体及びジアミン
(51)【国際特許分類】
   G02F 1/1337 20060101AFI20240425BHJP
   C08G 73/10 20060101ALI20240425BHJP
   C08F 222/40 20060101ALI20240425BHJP
   C08G 59/16 20060101ALI20240425BHJP
【FI】
G02F1/1337 525
C08G73/10
C08F222/40
C08G59/16
【審査請求】未請求
【請求項の数】18
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023138369
(22)【出願日】2023-08-28
(31)【優先権主張番号】P 2022169456
(32)【優先日】2022-10-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000004178
【氏名又は名称】JSR株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100121821
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 強
(74)【代理人】
【識別番号】100122390
【弁理士】
【氏名又は名称】廣田 美穂
(74)【代理人】
【識別番号】100139480
【弁理士】
【氏名又は名称】日野 京子
(72)【発明者】
【氏名】西村 達哉
(72)【発明者】
【氏名】安池 伸夫
(72)【発明者】
【氏名】仲里 巧
【テーマコード(参考)】
2H290
4J036
4J043
4J100
【Fターム(参考)】
2H290AA15
2H290AA18
2H290AA33
2H290BD01
2H290BF13
2H290BF24
2H290BF25
2H290BF54
2H290DA03
4J036AK17
4J036CA25
4J036DC02
4J036GA02
4J036GA21
4J036HA12
4J036JA15
4J036KA01
4J043PA04
4J043PA19
4J043PB03
4J043QB15
4J043QB26
4J043RA05
4J043RA34
4J043RA35
4J043SA06
4J043SA31
4J043SA35
4J043SA36
4J043SA46
4J043SA47
4J043SA54
4J043SA62
4J043SB04
4J043TA22
4J043TB01
4J043TB03
4J043TB04
4J043UA032
4J043UA041
4J043UA122
4J043UA131
4J043UA132
4J043UA141
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4J043UA231
4J043UA331
4J043UA381
4J043UA421
4J043UA531
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4J043UB121
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4J043UB161
4J043UB402
4J043XA19
4J043XB27
4J043YA09
4J043YA13
4J100AB07R
4J100AB07S
4J100AM21R
4J100AM21S
4J100AM45T
4J100AM47P
4J100AM47Q
4J100AM47T
4J100AM48S
4J100BA02R
4J100BA02S
4J100BA02T
4J100BA15Q
4J100BA15R
4J100BA16P
4J100BA16T
4J100BA40Q
4J100BB18R
4J100BC04R
4J100BC04S
4J100BC43P
4J100BC43Q
4J100BC43R
4J100BC43S
4J100BC43T
4J100BC54R
4J100BC54T
4J100BC79Q
4J100BC79R
4J100BC79S
4J100BC80Q
4J100CA03
4J100CA05
4J100CA06
4J100FA19
4J100GC07
4J100GC26
4J100GC35
4J100JA32
(57)【要約】
【課題】電圧保持率が高く、プレチルト角付与特性に優れ、かつ長時間駆動した場合にもプレチルト角の変化が小さく信頼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。
【解決手段】式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する化合物[A]を液晶配向剤に含有させる。式(1-1)~式(1-3)中、m1及びm2は、それぞれ独立して1~3の整数である。Zは単結合又はカルボニル基である。「*」は結合手を表す。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
下記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する化合物[A]を含有する、液晶配向剤。
【化1】
(式(1-1)~式(1-3)中、m1及びm2は、それぞれ独立して1~3の整数である。Zは単結合又はカルボニル基である。「*」は結合手を表す。)
【請求項2】
前記複素環構造(a)に芳香族炭化水素環又は芳香族複素環が結合している、請求項1に記載の液晶配向剤。
【請求項3】
前記化合物[A]は、前記複素環構造(a)を有する重合体である、請求項1に記載の液晶配向剤。
【請求項4】
前記重合体は、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、ポリオルガノシロキサン及び付加重合体よりなる群から選択される少なくとも1種である、請求項3に記載の液晶配向剤。
【請求項5】
前記重合体は、前記複素環構造(a)を側鎖に有する、請求項3に記載の液晶配向剤。
【請求項6】
前記重合体は、前記複素環構造(a)を主鎖中に有する、請求項3に記載の液晶配向剤。
【請求項7】
前記重合体は、前記複素環構造(a)を有するジアミン化合物に由来する構造単位を有する、請求項3に記載の液晶配向剤。
【請求項8】
前記重合体は、下記式(3-1)で表される構造単位及び下記式(3-2)で表される構造単位よりなる群から選択される少なくとも1種を有する、請求項3に記載の液晶配向剤。
【化2】
(式(3-1)中、R21は、水素原子又はメチル基である。Xは、-COO-、-CONH-又は2価の芳香環基である。Xは単結合又は2価の有機基である。Aは、前記複素環構造(a)を有する2価の基である。Yは水素原子又は1価の有機基である。
式(3-2)中、R22及びR23は、それぞれ独立して水素原子又はメチル基である。Xは2価の有機基である。Aは、前記複素環構造(a)を有する2価の基である。Yは水素原子又は1価の有機基である。)
【請求項9】
前記化合物[A]は、分子量が1,000以下の低分子化合物である、請求項1に記載の液晶配向剤。
【請求項10】
前記化合物[A]は架橋性基を有する、請求項9に記載の液晶配向剤。
【請求項11】
前記複素環構造(a)を有しない重合体を更に含有する、請求項1に記載の液晶配向剤。
【請求項12】
前記複素環構造(a)を有しない架橋性化合物を更に含有する、請求項1に記載の液晶配向剤。
【請求項13】
請求項1~12のいずれか一項に記載の液晶配向剤により形成された液晶配向膜。
【請求項14】
請求項1~12のいずれか一項に記載の液晶配向剤を用いて塗膜を形成する工程と、
前記塗膜に光を照射して液晶配向能を付与する工程と、
を含む、液晶配向膜の製造方法。
【請求項15】
導電膜を有する一対の基板のそれぞれの導電膜上に、請求項1~12のいずれか一項に記載の液晶配向剤を用いて塗膜を形成する工程と、
前記塗膜を形成した一対の基板を、光重合性化合物を含む液晶層を介して前記塗膜が対向するように配置して液晶セルを構築する工程と、
導電膜間に電圧を印加した状態で前記液晶セルに光照射する工程と、
を含む、液晶素子の製造方法。
【請求項16】
請求項13に記載の液晶配向膜を備える液晶素子。
【請求項17】
下記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する重合体。
【化3】
(式(1-1)~式(1-3)中、m1及びm2は、それぞれ独立して1~3の整数である。Zは単結合又はカルボニル基である。「*」は結合手を表す。)
【請求項18】
下記式(2-1)、式(2-2)又は式(2-3)で表されるジアミン。
【化4】
(式(2-1)中、Arは(p+2)価の芳香環基である。pは1~4の整数である。rは1又は2である。X11は、rが1の場合に、単結合、-O-、-S-、-CO-、-COO-、-NR-、-CO-NR-、-CH-O-、-CH-CO-又は-CH-OCO-であり、rが2の場合に、窒素原子又は*-CO-N(-*)である。「*」は結合手を表す。Rは、単結合、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-、-S-、-CO-、-COO-、-NR-若しくは-CONR-を含む炭素数2~20の2価の基Rk1、又は、2価の炭化水素基若しくは2価の基Rk1における少なくとも一部の水素原子が置換基で置き換えられてなる基である。Rは、水素原子又は1価の有機基である。Y11は、下記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する2価の基である。Rは、水素原子又は1価の有機基である。式中にX11、R、Y11、R、rが複数存在する場合、複数のX11、R、Y11、R、rは互いに同一又は異なる。)
【化5】
(式(2-2)中、Ar及びArは、それぞれ独立して2価の芳香環基である。R及びRは、それぞれ独立して単結合又は2価の有機基である。Y12は、下記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する2価の基である。kは0~3の整数である。式中にY12、Rが複数存在する場合、複数のY12、Rは互いに同一又は異なる。)
【化6】
(式(2-3)中、Ar及びArは、それぞれ独立して2価の芳香環基である。Rは3価の有機基である。X12は、単結合、-O-、-S-、-CO-、-COO-、-NR-、-CO-NR-、-CH-O-、-CH-CO-又は-CH-OCO-である。Rは、単結合、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-、-S-、-CO-、-COO-、-NR-若しくは-CO-NR-を含む炭素数2~20の2価の基Rk2、又は、2価の炭化水素基若しくは2価の基Rk2における少なくとも一部の水素原子が置換基で置き換えられてなる基である。Rは、水素原子又は1価の有機基である。Y13は、下記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する2価の基である。Rは、水素原子又は1価の有機基である。)
【化7】
(式(1-1)~式(1-3)中、m1及びm2は、それぞれ独立して1~3の整数である。Zは単結合又はカルボニル基である。「*」は結合手を表す。)
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、液晶配向剤、液晶配向膜、液晶素子、重合体及びジアミンに関する。
【背景技術】
【0002】
液晶素子としては、電極構造や液晶分子の物性等が異なる種々の駆動方式が開発されており、例えば、TN型やSTN型、VA型、MVA型、面内スイッチング型(IPS型)、FFS型、光学補償ベンド型(OCB型)等の各種液晶素子が知られている。これら液晶素子は、液晶分子を配向させるための液晶配向膜を有する。液晶配向膜は一般に、重合体成分が有機溶媒に溶解又は分散されてなる液晶配向剤を基板表面に塗布し、好ましくは加熱することによって基板上に形成される。
【0003】
液晶分子にプレチルト角を付与する技術として、従来、液晶配向剤により形成された塗膜の表面を布等により一定の方向に擦るラビング法や、感光性の塗膜に放射線を照射する光配向法が知られている。また従来、液晶組成物中に光重合性化合物を予め添加しておき、液晶セルに電圧を印加しながら放射線を照射することによりプレチルト角を付与する方法(PSA(Polymer Sustained Alignment))も提案されている。PSA技術によれば、液晶分子の応答速度を改善でき、また透過率を向上できるとされている。
【0004】
近年における液晶素子の高精細化や多用途化の要求に伴い、液晶素子には電圧保持特性や表示品位の更なる改善が求められており、これを実現するべく種々の液晶配向剤が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1には、特定の窒素含有複素環基を有するジアミンを用いて得られるポリイミド又はポリアミック酸を含む光配向組成物を用いて液晶配向膜を形成することが開示されている。
【0005】
また従来、液晶配向膜を構成する重合体成分に、光吸収によりラジカルを発生するラジカル発生構造を導入し、これによりPSA方式の液晶表示素子において液晶の応答速度を向上させたり液晶表示素子の信頼性を高めたりすることが行われている(例えば、特許文献2、3参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特表2020-509426号公報
【特許文献2】国際公開第2017/030170号
【特許文献3】特開2020-073680号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ラジカル発生構造を有する成分を液晶配向剤に配合することによって液晶素子における液晶の応答速度や信頼性の向上を図る場合、ラジカル発生構造の導入効果を十分に得る観点から、十分な量のラジカル発生構造を液晶配向剤中に導入することが望ましいといえる。その一方で、本発明者らが検討したところ、ラジカル発生構造の導入量が多い場合、生じた分解物により液晶素子の電圧保持率が低下しやすいことが分かった。さらに、液晶素子としては、ラジカル発生構造を導入した場合にも、バックライト等の光の照射による表示特性や表示品位の変化が少なく、信頼性が高いことが望まれる。
【0008】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、電圧保持率が高く、かつ信頼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主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明者らは鋭意検討し、特定の複素環構造を有する化合物を液晶配向剤の成分として用いることにより上記課題を解決するに至った。本発明によれば以下の手段が提供される。
【0010】
〔1〕 下記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する化合物[A]を含有する、液晶配向剤。
【化1】
(式(1-1)~式(1-3)中、m1及びm2は、それぞれ独立して1~3の整数である。Zは単結合又はカルボニル基である。「*」は結合手を表す。)
【0011】
〔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〕の液晶配向膜を備える液晶素子。
〔4〕 上記〔1〕の液晶配向剤を用いて塗膜を形成する工程と、前記塗膜に光を照射して液晶配向能を付与する工程と、を含む、液晶配向膜の製造方法。
〔5〕 導電膜を有する一対の基板のそれぞれの導電膜上に、上記〔1〕の液晶配向剤を用いて塗膜を形成する工程と、前記塗膜を形成した一対の基板を、光重合性化合物を含む液晶層を介して前記塗膜が対向するように配置して液晶セルを構築する工程と、導電膜間に電圧を印加した状態で前記液晶セルに光照射する工程と、を含む、液晶素子の製造方法。
〔6〕 上記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する重合体。
〔7〕 下記式(2-1)、式(2-2)又は式(2-3)で表されるジアミン。
【化2】
(式(2-1)中、Arは(p+2)価の芳香環基である。pは1~4の整数である。rは1又は2である。X11は、rが1の場合に、単結合、-O-、-S-、-CO-、-COO-、-NR-、-CO-NR-、-CH-O-、-CH-CO-又は-CH-OCO-であり、rが2の場合に、窒素原子又は*-CO-N(-*)である。「*」は結合手を表す。Rは、単結合、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-、-S-、-CO-、-COO-、-NR-若しくは-CONR-を含む炭素数2~20の2価の基Rk1、又は、2価の炭化水素基若しくは2価の基Rk1における少なくとも一部の水素原子が置換基で置き換えられてなる基である。Rは、水素原子又は1価の有機基である。Y11は、下記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する2価の基である。Rは、水素原子又は1価の有機基である。式中にX11、R、Y11、R、rが複数存在する場合、複数のX11、R、Y11、R、rは互いに同一又は異なる。)
【化3】
(式(2-2)中、Ar及びArは、それぞれ独立して2価の芳香環基である。R及びRは、それぞれ独立して単結合又は2価の有機基である。Y12は、上記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する2価の基である。kは0~3の整数である。式中にY12、Rが複数存在する場合、複数のY12、Rは互いに同一又は異なる。)
【化4】
(式(2-3)中、Ar及びArは、それぞれ独立して2価の芳香環基である。Rは3価の有機基である。X12は、単結合、-O-、-S-、-CO-、-COO-、-NR-、-CO-NR-、-CH-O-、-CH-CO-又は-CH-OCO-である。Rは、単結合、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-、-S-、-CO-、-COO-、-NR-若しくは-CO-NR-を含む炭素数2~20の2価の基Rk2、又は、2価の炭化水素基若しくは2価の基Rk2における少なくとも一部の水素原子が置換基で置き換えられてなる基である。Rは、水素原子又は1価の有機基である。Y13は、下記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する2価の基である。Rは、水素原子又は1価の有機基である。)
【発明の効果】
【0012】
本発明の液晶配向剤によれば、電圧保持率が高く、かつ信頼性に優れた液晶素子を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【0013】
《液晶配向剤》
本開示の液晶配向剤は、窒素及び酸素を環骨格中に含む特定の複素環構造を有する化合物[A]を含有する。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。なお、各成分については特に言及しない限り、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
【0014】
ここで、本明細書において、「炭化水素基」とは、鎖状炭化水素基、脂環式炭化水素基及び芳香族炭化水素基を含む意味である。「鎖状炭化水素基」とは、主鎖に環状構造を含まず、鎖状構造のみで構成された直鎖状炭化水素基及び分岐状炭化水素基を意味する。ただし、鎖状炭化水素基は飽和でも不飽和でもよい。「脂環式炭化水素基」とは、環構造としては脂環式炭化水素の構造のみを含み、芳香環構造を含まない炭化水素基を意味する。ただし、脂環式炭化水素基は脂環式炭化水素の構造のみで構成されている必要はなく、その一部に鎖状構造を有するものも含む。「芳香族炭化水素基」とは、環構造として芳香環構造を含む炭化水素基を意味する。ただし、芳香族炭化水素基は芳香環構造のみで構成されている必要はなく、その一部に鎖状構造や脂環式炭化水素の構造を含んでいてもよい。「芳香環」は、芳香族炭化水素環及び芳香族複素環を含む意味である。「有機基」とは、炭素を含む化合物(すなわち有機化合物)から任意の水素原子を取り除いてなる原子団をいう。
【0015】
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。この「幹」の部分が環構造を含むことは許容される。例えば、「特定構造を主鎖に有する」とは、その特定構造が主鎖の一部分を構成することをいう。「側鎖」とは、重合体の「幹」の部分から分岐した部分をいう。「(メタ)アクリロ」は、アクリロ及びメタクリロを包含する用語であり、「(メタ)アクリレート」は、アクリレート及びメタクリレートを包含する用語である。
【0016】
<化合物[A]>
化合物[A]は、下記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する。
【化5】
(式(1-1)~式(1-3)中、m1及びm2は、それぞれ独立して1~3の整数である。Zは単結合又はカルボニル基である。「*」は結合手を表す。)
【0017】
化合物[A]は、上記複素環構造(a)を有していればよく、重合体成分であってもよいし添加剤成分であってもよい。また、上記式(1-1)~式(1-3)におけるそれぞれの「*」で表される結合手の結合先は特に限定されない。すなわち、「*」で表される各結合手は、有機基に結合していてもよく、水素原子に結合していてもよい。複素環構造(a)の具体例としては、下記式(1-a)~式(1-g)のそれぞれで表される複素環からn個(ただし、nは1以上の整数)の水素原子を取り除いた構造が挙げられる。
【化6】
【0018】
上記式(1-1)~式(1-3)における各式中の複数の「*」のうち少なくとも1つは、芳香族炭化水素環又は芳香族複素環に結合しており、これにより複素環構造(a)に芳香族炭化水素環又は芳香族複素環が隣接していることが好ましい。複素環構造(a)に芳香族炭化水素環又は芳香族複素環が隣接している場合、光吸収に伴う複素環構造(a)のラジカル発生能をより高めることができ、液晶素子の信頼性及びプレチルト角付与特性をより優れたものとすることができる。ここで、「プレチルト角付与特性」とは、光照射等によって安定したプレチルト角を液晶分子に対して付与する性質をいい、特にPSA技術において求められる特性である。
【0019】
芳香族炭化水素環の具体例としては、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環等が挙げられる。芳香族複素環としては、ピリジン環、ピラジン環、ピリミジン環、ピリダジン環及びイミダゾール環等の窒素含有芳香族複素環;フラン環等の酸素含有芳香族複素環;チオフェン環等の硫黄含有芳香族複素環;等が挙げられる。複素環構造(a)中の環に隣接する芳香族炭化水素環又は芳香族複素環は、上記の中でも、芳香族炭化水素環又は窒素含有芳香族複素環が好ましく、ベンゼン環、ナフタレン環又はピリジン環がより好ましい。
【0020】
複素環構造(a)中の環に隣接する芳香族炭化水素環又は芳香族複素環は置換基を有していてもよい。当該置換基としては、例えば、ハロゲン原子(フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等)、炭素数1~20の1価の炭化水素基、炭素数1~20のアルコキシ基、炭素数1~20の1価のハロゲン化炭化水素基、炭素数1~20のハロゲン化アルコキシ基、水酸基、保護された水酸基、アミノ基、保護されたアミノ基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシ基、保護されたカルボキシ基等が挙げられる。また、複素環構造(a)中の環に結合する芳香族炭化水素環又は芳香族複素環は、芳香族炭化水素環又は芳香族複素環に結合する置換基と共に、膜に液晶配向性を付与する構造を形成していてもよい。
【0021】
液晶素子の信頼性の向上を図り、かつ光照射によってプレチルト角付与を十分に行わせる観点から、上記式(1-2)中のm1は1又は2が好ましく、1がより好ましい。
また、同様の観点から、上記式(1-3)中のm2は1又は2が好ましく、1がより好ましい。Zは単結合が好ましい。
【0022】
複素環構造(a)は、複素環構造(a)が持つ塩基性により、また光照射に伴う分解後においても分解物が発生せず、これにより電圧保持率及び信頼性の低下を抑制しつつプレチルト角付与特性を改善できるものと考えられる。中でも特に、プレチルト角付与特性の改善効果が高い点で、上記式(1-2)又は式(1-3)で表される構造が好ましく、上記式(1-2)で表される構造がより好ましい。なお、上記式(1-2)又は式(1-3)で表される構造において、プレチルト角付与特性の改善効果が高い理由は定かではないが、一つの仮説として、上記式(1-2)や式(1-3)では光照射に伴い多段階でラジカルを発生し、ラジカルの発生量が多いことに起因するものと考えられる(下記スキーム参照)。
【化7】
【0023】
化合物[A]を含む本開示の液晶配向剤の具体的態様としては、以下の態様が挙げられる。
〔1〕上記複素環構造(a)を有する重合体を含有する液晶配向剤(以下、「第1の液晶配向剤」ともいう)
〔2〕重合体成分と、上記複素環構造(a)を有する化合物(ただし、重合体を除く)とを含有する液晶配向剤(以下、「第2の液晶配向剤」ともいう)
なお、第1の液晶配向剤は、上記複素環構造(a)を有する化合物(ただし、重合体を除く)を更に含んでいてもよい。これらのうち、プレチルト角付与特性の改善効果が高い点において、上記〔1〕の態様が好ましい。以下、各態様の液晶配向剤について具体的に説明する。
【0024】
(第1の液晶配向剤)
上記複素環構造(a)を有する重合体(以下、「重合体[A]」ともいう)の主鎖は特に限定されない。得られる液晶素子の電圧保持特性や液晶配向性を優れたものにする観点から、重合体[A]は、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、ポリオルガノシロキサン及び付加重合体よりなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましく、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド及び付加重合体よりなる群から選択される少なくとも1種がより好ましく、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択される少なくとも1種が更に好ましい。また、重合体[A]は、複素環構造(a)を主鎖中に有していてもよいし、側鎖に有していてもよい。電圧保持率及び信頼性の向上効果、並びにプレチルト角付与特性の改善効果をより高めることができる点において、重合体[A]は、複素環構造(a)を側鎖に有することが好ましい。以下、各重合体について詳しく説明する。
【0025】
重合体[A]がポリアミック酸、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択される少なくとも1種である場合、重合体[A]は、複素環構造(a)を有するジアミン化合物に由来する構造単位を有することが好ましい。
【0026】
(ポリアミック酸)
重合体[A]としてのポリアミック酸(以下、「ポリアミック酸(A)」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化合物とを反応させることにより得ることができる。
【0027】
・テトラカルボン酸二無水物
ポリアミック酸(A)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及び芳香族テトラカルボン酸二無水物を挙げることができる。脂肪族テトラカルボン酸二無水物は、鎖状テトラカルボン酸二無水物及び脂環式テトラカルボン酸二無水物を含む。
【0028】
鎖状テトラカルボン酸二無水物の具体例としては、例えばブタンテトラカルボン酸二無水物等が挙げられる。脂環式テトラカルボン酸二無水物の具体例としては、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、5-(2,5-ジオキソテトラヒドロフラン-3-イル)-3a,4,5,9b-テトラヒドロナフト[1,2-c]フラン-1,3-ジオン、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、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等が挙げられる。
【0029】
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)、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)、3,3’,4,4’-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、4,4’-ビフタル酸二無水物等が挙げられる。また、ポリアミック酸(A)の合成に使用するテトラカルボン酸二無水物としては、上記の他、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。
【0030】
・ジアミン化合物
ポリアミック酸(A)の合成に際しては、複素環構造(a)を有するジアミン(以下、「特定ジアミン」ともいう)を好ましく使用できる。特定ジアミンは、上記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される部分構造を有していればよく、その他の部分の構造は特に限定されない。特定ジアミンの好ましい具体例としては、下記式(2-1)で表される化合物、下記式(2-2)で表される化合物、及び下記式(2-3)で表される化合物が挙げられる。
【化8】
(式(2-1)中、Arは(p+2)価の芳香環基である。pは1~4の整数である。rは1又は2である。X11は、rが1の場合に、単結合、-O-、-S-、-CO-、-COO-、-NR-、-CO-NR-、-CH-O-、-CH-CO-又は-CH-OCO-であり、rが2の場合に、窒素原子又は*-CO-N(-*)である。「*」は結合手を表す。Rは、単結合、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-、-S-、-CO-、-COO-、-NR-若しくは-CONR-を含む炭素数2~20の2価の基Rk1、又は、2価の炭化水素基若しくは2価の基Rk1における少なくとも一部の水素原子が置換基で置き換えられてなる基である。Rは、水素原子又は1価の有機基である。Y11は、下記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する2価の基である。Rは、水素原子又は1価の有機基である。式中にX11、R、Y11、R、rが複数存在する場合、複数のX11、R、Y11、R、rは互いに同一又は異なる。)
【化9】
(式(2-2)中、Ar及びArは、それぞれ独立して2価の芳香環基である。R及びRは、それぞれ独立して単結合又は2価の有機基である。Y12は、複素環構造(a)を有する2価の基である。kは0~3の整数である。式中にY12、Rが複数存在する場合、複数のY12、Rは互いに同一又は異なる。)
【化10】
(式(2-3)中、Ar及びArは、それぞれ独立して2価の芳香環基である。Rは3価の有機基である。X12は、単結合、-O-、-S-、-CO-、-COO-、-NR-、-CO-NR-、-CH-O-、-CH-CO-又は-CH-OCO-である。Rは、単結合、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-、-S-、-CO-、-COO-、-NR-若しくは-CO-NR-を含む炭素数2~20の2価の基Rk2、又は、2価の炭化水素基若しくは2価の基Rk2における少なくとも一部の水素原子が置換基で置き換えられてなる基である。Rは、水素原子又は1価の有機基である。Y13は、下記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する2価の基である。Rは、水素原子又は1価の有機基である。)
【0031】
上記式(2-1)~式(2-3)において、Ar、Ar、Ar、Ar又はArで表される芳香環基は、芳香環からt個(Arの場合、tは3~6の整数であり、Ar、Ar、Ar又はArの場合、tは2である)の水素原子を取り除いた基である。当該芳香環としては、上記において芳香族炭化水素環又は芳香族複素環として例示した環と同様の環が挙げられる。これらのうち、芳香族炭化水素環又は窒素含有複素環が好ましく、ベンゼン環、ナフタレン環又はピリジン環がより好ましい。なお、Ar、Ar、Ar、Ar又はArで表される芳香環基は、環部分に置換基を有していてもよい。当該置換基の具体例としては、複素環構造(a)に隣接する芳香族炭化水素環又は芳香族複素環が有していてもよい置換基として例示した基が挙げられる。
【0032】
又はRで表される基が1価の有機基である場合、当該有機基としては、炭素数1~10の1価の炭化水素基、1価の熱脱離性基が挙げられる。1価の熱脱離性基としては、tert-ブトキシカルボニル基(Boc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、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、9-フルオレニルメチルオキシカルボニル基等が挙げられる。これらのうち、熱による脱離性に優れ、かつ脱離した構造の膜中における残存量を少なくできる点で、Boc基が特に好ましい。
【0033】
rが2の場合のX11は、窒素原子又は*-CO-N(-*)である。この場合、上記式(2-1)で表される特定ジアミンは、2個の基「-R-Y11-R」が窒素原子に結合した構造を有している。
【0034】
又はRで表される基が炭素数1~20の2価の炭化水素基又は2価の基(Rk1、Rk2)である場合において、炭化水素基の具体例としては、炭素数1~20の鎖状炭化水素基(ただし、2価の基(Rk1、Rk2)の場合には炭素数2~20の鎖状炭化水素基)、炭素数3~20の脂環式炭化水素基、炭素数6~20の芳香族炭化水素基が挙げられる。2価の炭化水素基若しくは2価の基(Rk1、Rk2)における少なくとも一部の水素原子が置換基で置き換えられている場合、置換基としては、複素環構造(a)に隣接する芳香族炭化水素環又は芳香族複素環が有していてもよい置換基として例示した基が挙げられる。また、R又はRで表される2価の有機基は、シンナメート構造やカルベン構造、アゾベンゼン構造等の光配向性部位を有していてもよい。
【0035】
又はRで表される基が1価の有機基である場合、当該1価の有機基としては、炭素数1~30の1価の炭化水素基、当該炭化水素基の炭素-炭素結合間に-O-、-S-、-CO-、-COO-、-NR11-又は-CO-NR11-を含む炭素数2~30の1価の基(以下、「1価の基Rk3」ともいう)、1価の炭化水素基又は1価の基Rk3における少なくとも一部の水素原子が置換基で置き換えられた基等が挙げられる。R又はRにおいて炭化水素基は、鎖状炭化水素基、脂環式炭化水素基及び芳香族炭化水素基のいずれであってもよい。R11は、水素原子又は1価の有機基であり、1価の有機基としてはR又はRで表される基として例示した基と同様の基が挙げられる。置換基としては、複素環構造(a)に隣接する芳香族炭化水素環又は芳香族複素環が有していてもよい置換基として例示した基が挙げられる。
【0036】
又はRで表される1価の有機基は、シンナメート構造やカルベン構造、アゾベンゼン構造等の光配向性部位を有していてもよく、光照射によらずに液晶配向膜にプレチルト角を付与可能な構造(例えば、炭素数4~20の直鎖アルキレン構造、炭素数4~20のハロゲン化直鎖アルキレン構造、ベンゼン環又はシクロヘキサン環に対して炭素数2~20のアルキル基、炭素数2~20のアルコキシ基、炭素数2~20のハロゲン化アルキル基、炭素数2~20のハロゲン化アルコキシ基、ハロゲン原子又はシアノ基が結合した構造、ベンゼン環及びシクロヘキサン環のうち1種以上の環が単結合又は連結基を介して2個以上連結した構造、ステロイド構造等)を有していてもよい。
【0037】
光吸収によるラジカル発生能をより高め、信頼性により優れた液晶素子を得る観点及びプレチルト角付与特性を十分に高める観点から、上記式(2-1)中のR及びRの一方又は両方は、芳香族炭化水素環又は芳香族複素環でY11に結合していることが好ましく、ベンゼン環、ナフタレン環又はピリジン環でY11に結合していることがより好ましい。また同様の観点から、上記式(2-2)中のR及びRの一方又は両方は、芳香族炭化水素環又は芳香族複素環でY13に結合していることが好ましく、ベンゼン環、ナフタレン環又はピリジン環でY13に結合していることがより好ましい。
【0038】
11、Y12及びY13は、上記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造を有する。例えば、上記式(2-1)で表される化合物について、上記式(1-1)中の2個の結合手はそれぞれ、上記式(2-1)中のR又はRに結合しており、上記式(1-2)中の〔(m1×2)+2〕個の結合手のうち任意の2個の結合手はそれぞれ、上記式(2-1)中のR又はRに結合しており、上記式(1-3)中の〔(m2×2)+2〕個の結合手のうち任意の2個の結合手はそれぞれ、上記式(2-1)中のR又はRに結合している。
【0039】
又はRで表される基が2価の有機基である場合、当該2価の有機基としては、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-、-S-、-CO-、-COO-、-NR10-又は-CO-NR10-を含む炭素数2~20の2価の基(以下、「2価の基Rk4」ともいう)、2価の炭化水素基又は2価の基Rk4における少なくとも一部の水素原子が置換基で置き換えられた基等が挙げられる。R又はRにおいて炭化水素基は、鎖状炭化水素基、脂環式炭化水素基及び芳香族炭化水素基のいずれであってもよい。R10は、水素原子又は1価の有機基であり、1価の有機基としてはR又はRで表される基として例示した基と同様の基が挙げられる。置換基としては、複素環構造(a)に隣接する芳香族炭化水素環又は芳香族複素環が有していてもよい置換基として例示した基が挙げられる。
【0040】
特定ジアミンの具体例としては、下記式(DA-1)~式(DA-28)のそれぞれで表される化合物等が挙げられる。なお、構造式中の「Boc」はtert-ブトキシカルボニル基を表す(以下同じ)。
【化11】
【化12】
【0041】
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り合成することができる。その一例としては、特定ジアミンにおいて1級アミノ基に代えてニトロ基を有するジニトロ体を合成し、次いで、得られたジニトロ体のニトロ基を適当な還元系を用いてアミノ化する方法が挙げられる。
【0042】
ジニトロ体を合成する方法は、目的とする化合物に応じて適宜選択することができる。例えば、上記式(DA-1)で表される化合物を得るためのジニトロ体(DA-1-1)は下記スキーム1に従い得ることができる。また、上記式(DA-2)で表される化合物を得るためのジニトロ体(DA-2-1)は下記スキーム2に従い得ることができる。
【化13】
【化14】
【0043】
ジニトロ体の還元反応は、好ましくは有機溶媒中、例えばパラジウム炭素、白金炭素、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、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。
【0044】
ポリアミック酸(A)の合成に使用するジアミン化合物は特定ジアミンのみであってもよい。また、ポリアミック酸(A)の合成に使用するジアミン化合物としては、特定ジアミンと、複素環構造(a)を有しないジアミン(以下、「その他のジアミン」ともいう)とを併用してもよい。
【0045】
その他のジアミンとしては、例えば脂肪族ジアミン、芳香族ジアミン、ジアミノオルガノシロキサン等が挙げられる。脂肪族ジアミンは、鎖状ジアミン及び脂環式ジアミンを含む。
【0046】
その他のジアミンの具体例としては、鎖状ジアミンとして、例えばm-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、1,3-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン等を;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)等を;
芳香族ジアミンとして、例えばドデカノキシジアミノベンゼン、テトラデカノキシジアミノベンゼン、ペンタデカノキシジアミノベンゼン、ヘキサデカノキシジアミノベンゼン、オクタデカノキシジアミノベンゼン、コレスタニルオキシジアミノベンゼン、コレステリルオキシジアミノベンゼン、ジアミノ安息香酸コレスタニル、ジアミノ安息香酸コレステリル、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-ブチルシクロヘキサン、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、1,1-ビス(4-((アミノフェノキシ)メチル)フェニル)-4-ヘプチルシクロヘキサン、1,1-ビス(4-((アミノフェニル)メチル)フェニル)-4-(4-ヘプチルシクロヘキシル)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)
【化15】
(式(E-1)中、XI及びXIIは、それぞれ独立して、単結合、-O-、*-COO-又は*-OCO-(ただし、「*」はジアミノフェニル基側との結合手を表す)である。Rは、炭素数1~3のアルカンジイル基である。RIIは、単結合又は炭素数1~3のアルカンジイル基である。RIIIは、炭素数1~20のアルキル基、アルコキシ基、フルオロアルキル基又はフルオロアルコキシ基である。aは0又は1である。bは0~3の整数である。cは0~2の整数である。dは0又は1である。ただし、1≦a+b+c≦3である。)
で表される化合物などの配向性基含有ジアミン:
パラ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アミン、4,4’-ジアミノジフェニルスルフィド、4-アミノフェニル-4’-アミノベンゾエート、4,4’-ジアミノアゾベンゼン、1,2-ビス(4-アミノフェノキシ)エタン、1,2-ビス(4-アミノフェノキシ)エタン、1,3-ビス(4-アミノフェノキシ)プロパン、1,5-ビス(4-アミノフェノキシ)ペンタン、1,6-ビス(4-アミノフェノキシ)ヘキサン、1,7-ビス(4-アミノフェノキシ)ヘプタン、ビス[2-(4-アミノフェニル)エチル]ヘキサン二酸、N,N-ビス(4-アミノフェニル)メチルアミン、N,N’-ジ(5-アミノ-2-ピリジル)-N,N’-ジ(tert-ブトキシカルボニル)エチレンジアミン、4,4’-(2,2’-オキシビス(エタン-2,1-ジイル)ビス(オキシ))ジアニリン、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、2,2’-ビス(トリフルオロメチル)-4,4’-ジアミノビフェニル、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、2,2-ビス(4-アミノフェニル)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、2,4-ジアミノピリミジン、3,6-ジアミノアクリジン、3,6-ジアミノカルバゾール、N-メチル-3,6-ジアミノカルバゾール、N,N’-ビス(4-アミノフェニル)-ベンジジン、N,N’-ビス(4-アミノフェニル)-N,N’-ジメチルベンジジン、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、1-(4-アミノフェノキシ)-2-(4-(4’-アミノフェニル)フェノキシ)エタン、3,5-ジアミノ-N,N-ビス(ピリジン-3-イルメチル)ベンズアミド、下記式(f-1)~式(f-34)
【化16】
【化17】
のそれぞれで表されるジアミン等を;
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等を;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。ポリアミック酸(A)の合成に使用するその他のジアミンとしては、1種を単独で又は2種以上を適宜選択して使用することができる。
【0047】
上記式(E-1)における「-X-(R-XII-」で表される2価の基としては、炭素数1~3のアルカンジイル基、*-O-、*-COO-又は*-O-C-O-(ただし、「*」を付した結合手がジアミノフェニル基と結合する。)であることが好ましい。RIIIで表される基は直鎖状であることが好ましい。ジアミノフェニル基における2つのアミノ基は、他の基に対して2,4-位又は3,5-位にあることが好ましい。
【0048】
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を挙げることができる。
【化18】
【0049】
ポリアミック酸(A)の合成に際し、特定ジアミンの使用割合は、ポリアミック酸(A)の合成に使用するジアミン化合物の合計量に対し、1モル%以上であることが好ましく、5モル%以上であることがより好ましく、10モル%以上であることが更に好ましい。特定ジアミンの使用割合が上記範囲であると、液晶素子の電圧保持率、信頼性及びプレチルト角付与特性の改善効果が十分に得られる点で好適である。また、ポリアミック酸(A)の合成に際し、特定ジアミンの使用割合は、ポリアミック酸(A)の合成に使用するジアミン化合物の合計量に対し、100モル%以下であればよい。その他のジアミンの使用により所望の特性を付与する場合、特定ジアミンの使用割合は、ポリアミック酸(A)の合成に使用するジアミン化合物の合計量に対し、95モル%以下であることが好ましく、70モル%以下であることがより好ましい。
【0050】
(ポリアミック酸の合成)
ポリアミック酸(A)は、上記のようなテトラカルボン酸二無水物とジアミン化合物とを、必要に応じて分子量調整剤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(A)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との使用割合は、ジアミン化合物のアミノ基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、0.3~1.2当量となる割合がより好ましい。
【0051】
分子量調整剤としては、例えば無水マレイン酸、無水フタル酸及び無水イタコン酸等の酸一無水物;アニリン、シクロヘキシルアミン及びn-ブチルアミン等のモノアミン化合物;フェニルイソシアネート及びナフチルイソシアネート等のモノイソシアネート化合物等を挙げることができる。分子量調整剤の使用割合は、使用するテトラカルボン酸二無水物及びジアミン化合物の合計100質量部に対して、20質量部以下とすることが好ましく、10質量部以下とすることがより好ましい。
【0052】
ポリアミック酸(A)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。
【0053】
反応に使用する有機溶媒としては、例えば非プロトン性極性溶媒、フェノール系溶媒、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、炭化水素等を挙げることができる。これらの有機溶媒のうち、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1群の有機溶媒)から選択される1種以上、又は、第1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2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2群の有機溶媒の使用割合は、第1群の有機溶媒及び第2群の有機溶媒の合計量に対して、好ましくは50質量%以下であり、より好ましくは40質量%以下であり、更に好ましくは30質量%以下である。
【0054】
特に好ましい有機溶媒は、N-メチル-2-ピロリドン、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、γ-ブチロラクトン、テトラメチル尿素、ヘキサメチルホスホルトリアミド、m-クレゾール、キシレノール及びハロゲン化フェノールよりなる群から選択される1種以上を溶媒として使用するか、あるいはこれらの1種以上と他の有機溶媒との混合物を、上記割合の範囲で使用することが好ましい。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化合物の合計量(y)が、反応溶液の全量(x+y)に対して、0.1~50質量%になる量とすることが好ましい。
【0055】
以上のようにして、ポリアミック酸(A)を溶解してなる反応溶液が得られる。この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(A)を単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよく、又は単離したポリアミック酸(A)を精製したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。ポリアミック酸(A)を脱水閉環してポリイミドとする場合には、上記反応溶液をそのまま脱水閉環反応に供してもよく、反応溶液中に含まれるポリアミック酸(A)を単離したうえで脱水閉環反応に供してもよく、又は単離したポリアミック酸(A)を精製したうえで脱水閉環反応に供してもよい。ポリアミック酸(A)の単離及び精製は公知の方法に従って行うことができる。
【0056】
(ポリアミック酸エステル)
重合体[A]としてのポリアミック酸エステルは、例えば、[I]上記合成反応により得られたポリアミック酸(A)とエステル化剤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化合物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化合物とを反応させる方法、等によって得ることができる。
【0057】
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。
【0058】
方法[I]で使用するエステル化剤としては、例えば水酸基含有化合物、アセタール系化合物、ハロゲン化物、エポキシ基含有化合物等が挙げられる。これらの具体例としては、水酸基含有化合物として、例えばメタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、フェノール、クレゾール等のフェノール類等を;アセタール系化合物として、例えばN,N-ジメチルホルムアミドジエチルアセタール、N,N-ジエチルホルムアミドジエチルアセタール等を;ハロゲン化物として、例えば臭化メチル、臭化エチル、臭化ステアリル、塩化メチル、塩化ステアリル、1,1,1-トリフルオロ-2-ヨードエタン等を;エポキシ基含有化合物として、例えばプロピレンオキシド等を、それぞれ挙げることができる。
【0059】
方法[II]で使用するテトラカルボン酸ジエステルは、例えばポリアミック酸(A)の合成の説明において例示したテトラカルボン酸二無水物を、メタノールやエタノール等のアルコール類を用いて開環することにより得ることができる。なお、方法[II]で使用するテトラカルボン酸誘導体はテトラカルボン酸ジエステルのみであってもよいが、テトラカルボン酸二無水物を併用してもよい。ジアミン化合物については、ポリアミック酸の合成で例示した特定ジアミンを単独で使用してもよいし、又はその他のジアミンを併用してもよい。
【0060】
方法[II]の反応は、有機溶媒中、適当な脱水触媒の存在下で行うことが好ましい。有機溶媒としては、ポリアミック酸(A)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。脱水触媒としては、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、リン系縮合剤等が挙げられる。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。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。
【0061】
方法[III]で使用するテトラカルボン酸ジエステルジハロゲン化物は、例えば上記の如くして得たテトラカルボン酸ジエステルを、塩化チオニル等の適当な塩素化剤と反応させることにより得ることができる。なお、方法[III]で使用するテトラカルボン酸誘導体はテトラカルボン酸ジエステルジハロゲン化物のみであってもよいが、テトラカルボン酸二無水物を併用してもよい。また、ジアミン化合物については、ポリアミック酸(A)の合成の説明において例示した特定ジアミンを単独で使用してもよいし、又はその他のジアミンを併用してもよい。
【0062】
方法[III]の反応は、有機溶媒中、適当な塩基の存在下で行うことが好ましい。有機溶媒としては、ポリアミック酸(A)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。塩基としては、例えばピリジン、トリエチルアミン等の3級アミン;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等を好ましく使用することができる。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。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。
【0063】
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。なお、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く、又は単離したポリアミック酸エステルを精製したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。ポリアミック酸エステルの単離及び精製は公知の方法に従って行うことができる。
【0064】
(ポリイミド)
重合体[A]としてのポリイミドは、例えば、上記の如くして合成されたポリアミック酸(A)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。
【0065】
ポリイミドは、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。反応に使用するポリイミドは、そのイミド化率が20%以上であることが好ましく、30~99%であることがより好ましく、40~99%であることが更に好ましい。このイミド化率は、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。
【0066】
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加熱する方法により、又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。
【0067】
ポリアミック酸の溶液中に脱水剤及び脱水閉環触媒を添加する方法において、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等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、1-メチルピペリジン等の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。
【0068】
このようにしてポリイミドを含有する反応溶液が得られる。この反応溶液は、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く、ポリイミドを単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよく、又は単離したポリイミドを精製したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。これらの精製操作は公知の方法に従って行うことができる。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って得ることもできる。
【0069】
以上のようにして得られる重合体[A]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15質量%の溶液としたときに、20~1,800mPa・sの溶液粘度を持つものであることが好ましく、50~1,500mPa・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、重合体の溶液粘度(mPa・s)は、重合体の良溶媒(例えばγ-ブチロラクトン、N-メチル-2-ピロリドン等)を用いて調製した濃度15質量%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。
【0070】
重合体[A]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、重合体[A]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につき、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8以下であり、より好ましくは5以下である。重合体[A]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のMw及びMw/Mnが上記範囲にあることで、液晶素子の良好な液晶配向性を確保することができる。
【0071】
(付加重合体)
重合体[A]としての付加重合体(以下、「付加重合体(A)」ともいう)は、下記式(3-1)で表される構造単位及び下記式(3-2)で表される構造単位よりなる群から選択される少なくとも1種を有することが好ましい。
【化19】
(式(3-1)中、R21は、水素原子又はメチル基である。Xは、-COO-、-CONH-又は2価の芳香環基である。Xは単結合又は2価の有機基である。Aは、複素環構造(a)を有する2価の基である。Yは1価の有機基である。
式(3-2)中、R22及びR23は、それぞれ独立して水素原子又はメチル基である。Xは2価の有機基である。Aは、複素環構造(a)を有する2価の基である。Yは1価の有機基である。)
【0072】
上記式(3-1)及び式(3-2)において、Xで表される基が2価の芳香環基である場合、当該2価の芳香環基としては、ベンゼン環又はナフタレン環から2個の水素原子を取り除いた基が好ましい。芳香環基を構成する環は置換基を有していてもよい。置換基としては、複素環構造(a)に隣接する芳香族炭化水素環又は芳香族複素環が有していてもよい置換基として例示した基が挙げられる。
【0073】
又はXで表される2価の有機基としては、R又はRで表される基が2価の有機基である場合として例示した基と同様の基が挙げられる。Y又はYで表される1価の有機基としては、R又はRで表される基が1価の有機基である場合として例示した基と同様の基が挙げられる。
【0074】
上記式(3-1)で表される構造単位を与える単量体の具体例としては、下記式(MA-3)~式(MA-10)のそれぞれで表される化合物が挙げられる。上記式(3-2)で表される構造単位を与える単量体の具体例としては、下記式(MA-1)又は式(MA-2)で表される化合物が挙げられる。
【化20】
【0075】
付加重合体(A)の合成に際しては、複素環構造(a)を有しない単量体(以下、「その他の単量体」ともいう)を併用してもよい。その他の単量体としては、(メタ)アクリル化合物、スチレン化合物、共役ジエン化合物、マレイミド化合物等が挙げられる。
【0076】
その他の単量体の具体例としては、(メタ)アクリル化合物として、(メタ)アクリル酸等の不飽和カルボン酸;(メタ)アクリル酸アルキル(例えば、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸-2-エチルヘキシル等)、(メタ)アクリル酸シクロアルキル、(メタ)アクリル酸ベンジル、(メタ)アクリル酸トリメトキシシリルプロピル、(メタ)アクリル酸2-ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸グリシジル、(メタ)アクリル酸3,4-エポキシシクロヘキシルメチル、(メタ)アクリル酸3,4-エポキシブチル、(メタ)アクリル酸4-ヒドロキシブチルグリシジルエーテル、3-(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、3-(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリエトキシシラン、6-(メタ)アクリロイルオキシヘキシルトリメトキシシラン、3-(メタ)アクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、及び3-(メタ)アクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン等の不飽和カルボン酸エステルが挙げられる。
【0077】
芳香族ビニル化合物としては、スチレン、メチルスチレン、ジビニルベンゼン、4-ヒドロキシメチルスチレン、p-スチリルトリメトキシシラン、4-(グリシジルオキシメチル)スチレン、及びビニル安息香酸等が挙げられる。共役ジエン化合物としては、1,3-ブタジエン及び2-メチル-1,3-ブタジエン等が挙げられる。マレイミド化合物としては、N-メチルマレイミド、N-シクロヘキシルマレイミド、N-フェニルマレイミド、N-(4-グリシジルオキシフェニル)マレイミド、N-グリシジルマレイミド等が挙げられる。
【0078】
また、その他の単量体として、光配向性基(例えば、シンナメート構造やクマリン構造、アゾベンゼン構造)、炭素数4~30のアルキル基、炭素数4~30のハロゲン化アルキル基、炭素数4~30のアルコキシ基、炭素数4~30のハロゲン化アルコキシ基、ベンゼン環及びシクロヘキサン環のうち1種以上の環が単結合又は連結基を介して2個以上連結した構造、又はステロイド骨格を有する基を有する不飽和単量体であって上記以外の化合物を使用してもよい。付加重合体(A)の合成に際し、その他の単量体としては1種を単独で使用してもよく、2種以上組み合わせて使用してもよい。
【0079】
付加重合体(A)は、例えば、重合開始剤の存在下で単量体を重合することにより得ることができる。使用する重合開始剤としては、2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビス(4-メトキシ-2,4-ジメチルバレロニトリル)等のアゾ化合物が好ましい。重合開始剤の使用割合は、反応に使用する全単量体100質量部に対して、0.01~30質量部とすることが好ましい。
【0080】
重合反応は、好ましくは有機溶媒中で行われる。反応に使用する有機溶媒としては、例えばアルコール、エーテル、ケトン、アミド、エステル、炭化水素化合物等が挙げられ、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等が好ましい。反応温度は30℃~120℃とすることが好ましく、反応時間は、1~36時間とすることが好ましい。有機溶媒の使用量は、反応に使用する単量体の合計量が、反応溶液の全体量に対して0.1~60質量%になる量とすることが好ましい。なお、付加重合体(A)は、エポキシ基を側鎖に有する付加重合体を合成し、次いで、得られたエポキシ基含有付加重合体と、複素環構造(a)を有するカルボン酸(以下、「特定カルボン酸」ともいう)とを反応させる方法により得ることもできる。
【0081】
付加重合体(A)につき、GPCで測定したポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)は、250~500,000であることが好ましく、500~100,000であることがより好ましい。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8以下であり、より好ましくは6以下である。
【0082】
(ポリオルガノシロキサン)
重合体[A]としてのポリオルガノシロキサン(以下、「ポリオルガノシロキサン(A)」ともいう)は、複素環構造(a)を有する重合体が得られる限り、その製造方法は特に限定されない。具体的には、下記〔1s〕及び〔2s〕の方法が挙げられる。
【0083】
〔1s〕エポキシ基を有する加水分解性のシラン化合物(ms-1)、又はシラン化合物(ms-1)とその他のシラン化合物との混合物を加水分解縮合してエポキシ基含有ポリオルガノシロキサンを合成し、次いで、得られたエポキシ基含有ポリオルガノシロキサンと、複素環構造(a)を有するカルボン酸(以下、「特定カルボン酸」ともいう)とを反応させる方法。
〔2s〕複素環構造(a)を有する加水分解性のシラン化合物(ms-2)、又はシラン化合物(ms-2)とその他のシラン化合物との混合物を加水分解縮合させる方法。
これらのうち、〔1s〕の方法は簡便であり、かつポリオルガノシロキサン(A)における複素環構造(a)の導入率を高くできる点で好ましい。
【0084】
シラン化合物(ms-1)の具体例としては、例えば3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、2-グリシドキシエチルトリメトキシシラン、2-グリシドキシエチルメチルジメトキシシラン、2-グリシドキシエチルジメチルメトキシシラン、2-グリシドキシエチルジメチルエトキシシラン、4-グリシドキシブチルトリメトキシシラン、4-グリシドキシブチルメチルジメトキシシラン、4-グリシドキシブチルメチルジエトキシシラン、4-グリシドキシブチルジメチルメトキシシラン、4-グリシドキシブチルジメチルエトキシシラン、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、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリエトキシシラン、3-(3,4-エポキシシクロヘキシル)プロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。シラン化合物(ms-1)としては、これらのうちの1種を単独で又は2種以上を混合して使用することができる。
【0085】
エポキシ基含有ポリオルガノシロキサンの合成に使用するその他のシラン化合物は、加水分解性を示すシラン化合物である限り特に制限されない。その具体例としては、例えばテトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン等のアルコキシシラン;
3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3-メルカプトプロピルトリエトキシシラン、メルカプトメチルトリメトキシシラン、3-ウレイドプロピルトリメトキシシラン、3-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、N-(3-シクロヘキシルアミノ)プロピルトリメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン等の窒素・硫黄原子含有のアルコキシシラン;
3-(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、3-(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリエトキシシラン、6-(メタ)アクリロイルオキシヘキシルトリメトキシシラン、3-(メタ)アクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-(メタ)アクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、p-スチリルトリメトキシシラン等の不飽和炭化水素含有のアルコキシシラン;トリメトキシシリルプロピルコハク酸無水物等が挙げられる。その他のシラン化合物としては、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用できる。
【0086】
シラン化合物の加水分解・縮合反応は、上記シラン化合物の1種又は2種以上と水とを、好ましくは適当な触媒及び有機溶媒の存在下で反応させることにより行うことができる。反応に際し、水の使用割合は、シラン化合物(合計量)1モルに対して、好ましくは1~30モルである。使用する触媒としては、例えば、酸、アルカリ金属化合物、有機塩基、チタン化合物、ジルコニウム化合物等を挙げることができる。触媒の使用量は、触媒の種類、温度等の反応条件等により異なり、適宜に設定することができる。触媒の使用量は、シラン化合物の合計量に対して、好ましくは0.01~3倍モルである。使用する有機溶媒としては、例えば、炭化水素、ケトン、エステル、エーテル、アルコール等が挙げられる。これらのうち、非水溶性又は難水溶性の有機溶媒を用いることが好ましい。有機溶媒の使用割合は、反応に使用するシラン化合物の合計100質量部に対して、好ましくは10~10,000質量部である。
【0087】
上記の加水分解・縮合反応は、例えば油浴等により加熱して実施することが好ましい。その際、加熱温度は130℃以下とすることが好ましく、加熱時間は0.5~12時間とすることが好ましい。反応終了後において、反応液から分取した有機溶媒層を、必要に応じて乾燥剤で乾燥した後、溶媒を除去することにより、目的とするポリオルガノシロキサンを得ることができる。なお、ポリオルガノシロキサンの合成方法は上記の加水分解・縮合反応に限らず、例えば加水分解性シラン化合物をシュウ酸及びアルコールの存在下で反応させる方法等により行ってもよい。
【0088】
上記〔1s〕の方法では、上記反応により得られたエポキシ基含有ポリオルガノシロキサンを、次いで、特定カルボン酸と反応させる。これにより、エポキシ基含有ポリオルガノシロキサンが有するエポキシ基と、特定カルボン酸が有するカルボキシル基とが反応して、複素環構造(a)を側鎖に有するポリオルガノシロキサン(A)を得ることができる。
【0089】
特定カルボン酸の具体例としては、例えば下記式(CA-1)又は式(CA-2)で表される化合物等を挙げることができる。
【化21】
【0090】
ポリオルガノシロキサン(A)1分子中における複素環構造(a)の含有割合は、ポリオルガノシロキサン(A)が有するケイ素原子に対して、1モル%以上であることが好ましく、2モル%以上であることがより好ましく、5モル%以上であることが更に好ましい。また、ポリオルガノシロキサン(A)1分子中における複素環構造(a)の含有割合は、ポリオルガノシロキサン(A)が有するケイ素原子に対して、70モル%以下であることが好ましく、60モル%以下であることがより好ましく、50モル%以下であることが更に好ましい。ポリオルガノシロキサン(A)中の複素環構造(a)の含有割合が上記範囲にあることにより、電圧保持率の低下を抑制しつつ、液晶素子の信頼性及びプレチルト角付与特性の改善効果を十分に得ることができる点で好ましい。
【0091】
なお、ポリオルガノシロキサン(A)の合成に際し、エポキシ基含有ポリオルガノシロキサンとの反応に使用するカルボン酸は特定カルボン酸のみであってもよいが、複素環構造(a)を有しないカルボン酸(以下、「その他のカルボン酸」ともいう)を併用してもよい。その他のカルボン酸としては、例えば、光配向性基(例えば、シンナメート構造やクマリン構造、アゾベンゼン構造)、炭素数4~30のアルキル基、炭素数4~30のハロゲン化アルキル基、炭素数4~30のアルコキシ基、炭素数4~30のハロゲン化アルコキシ基、ベンゼン環及びシクロヘキサン環のうち1種以上の環が単結合又は連結基を介して2個以上連結した構造、又はステロイド骨格を有する基を有するカルボン酸であって上記以外の化合物等が挙げられる。
【0092】
エポキシ基含有ポリオルガノシロキサンとカルボン酸との反応は、好ましくは触媒及び有機溶媒の存在下で行うことができる。使用する触媒としては、例えば有機塩基、エポキシ化合物の反応を促進するいわゆる硬化促進剤として公知の化合物(例えば、3級有機アミン、4級有機アミン、4級アンモニウム塩等)を用いることができる。触媒の使用量は、エポキシ基含有ポリオルガノシロキサン100質量部に対して、好ましくは100質量部以下、より好ましくは0.1~20質量部である。
【0093】
上記反応に使用する有機溶媒としては、例えば炭化水素、エーテル、エステル、ケトン、アミド、アルコール等を挙げることができる。有機溶媒は、固形分濃度(反応溶液中の溶媒以外の成分の合計質量が、溶液の全重量に対して占める割合)が、0.1質量%以上となる割合で使用することが好ましく、5~50質量%となる割合で使用することがより好ましい。上記反応において、反応温度は、好ましくは0~200℃であり、より好ましくは50~150℃である。反応時間は、好ましくは0.1~50時間であり、より好ましくは0.5~20時間である。反応終了後には、反応液から分取した有機溶媒層を水で洗浄することが好ましい。水洗後、有機溶媒層を、必要に応じて適当な乾燥剤で乾燥した後、溶媒を除去することにより、目的物であるポリオルガノシロキサン(A)を得ることができる。
【0094】
ポリオルガノシロキサン(A)は、これを濃度10質量%の溶液としたときに、1~500mPa・sの溶液粘度を持つものであることが好ましく、3~200mPa・sの溶液粘度を持つものであることがより好ましい。ポリオルガノシロキサン(A)につき、GPCで測定したポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)は、1,000~200,000であることが好ましく、2,000~50,000であることがより好ましく、3,000~20,000であることが更に好ましい。
【0095】
本開示の液晶配向剤における重合体[A]の含有割合は、液晶配向剤に含まれる固形分(液晶配向剤の溶媒以外の成分)100質量部に対して、5質量部以上が好ましく、10質量部以上がより好ましく、15質量部以上が更に好ましい。
【0096】
(その他の成分)
第1の液晶配向剤は、重合体[A]以外の成分(以下、「その他の成分」ともいう)を含有していてもよい。
【0097】
・重合体[B]
本開示の液晶配向剤は、複素環構造(a)を有しない重合体(以下、「重合体[B]」ともいう)を更に含有していてもよい。重合体[B]は、電圧保持率の低下を抑制する目的や、液晶配向性の向上を図る目的等により使用することができる。
【0098】
重合体[B]の主骨格は特に限定されないが、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、セルロース誘導体、ポリアセタール、付加重合体等が挙げられる。付加重合体としては、例えば、スチレン系重合体、(メタ)アクリル系重合体、マレイミド系重合体、スチレン-マレイミド系共重合体等が挙げられる。重合体[B]は、これらのうち、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、ポリオルガノシロキサン及び付加重合体よりなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。重合体[B]を構成する単量体としては、公知の単量体を使用でき、例えば、上述した単量体のうち複素環構造(a)を有しない単量体が挙げられる。
【0099】
なお、光配向処理用の液晶配向剤とする場合、重合体[A]として感光性の重合体を含むとともに、重合体[B]として非感光性の重合体を含むものとしてもよい。あるいは、重合体[A]として非感光性の重合体を含むとともに、重合体[B]として感光性の重合体を含むものとしてもよい。また、重合体[A]及び重合体[B]の両方が感光性の重合体を含んでいてもよい。
【0100】
重合体[B]を第1の液晶配向剤に含有させる場合、重合体[B]の含有割合は、液晶配向剤に含まれる重合体成分(すなわち、重合体[A]と重合体[B]との合計量)100質量部に対して、95質量部以下が好ましく、90質量部以下がより好ましい。
【0101】
・複素環構造(a)を有する化合物
本開示の液晶配向剤は、複素環構造(a)を有する化合物(ただし、重合体[A]を除く。以下、「化合物(A)」ともいう。)を更に含有していてもよい。化合物(A)は、例えば、分子量が1,000以下の低分子化合物であり、分子量800以下であってもよい。化合物(A)は、複素環構造(a)を1個のみ有していてもよく、2個以上有していてもよい。液晶素子の信頼性を優れたものとし、かつ光照射によりプレチルト角付与を十分に行わせる観点から、化合物(A)は複素環構造(a)を2個以上有することが好ましく、2~6個有することがより好ましい。
【0102】
化合物(A)としては、液晶素子の信頼性をより高くできる点で、架橋性基を有する化合物を好ましく使用できる。架橋性基としては、環状エーテル基、環状チオエーテル基、イソシアネート基、保護されたイソシアネート基、メチロール基、保護されたメチロール基、ヒドロキシアルキルアミド基、環状カーボネート基、重合性炭素-炭素結合を有する基、基「-CR30=CR31-R32-」(ただし、R30は、アミノ基との反応により脱離する1価の有機基である。R31は水素原子又はアルキル基、R32は電子求引性基である。)、シラノール基、アルコキシシリル基等が挙げられる。反応性と保存安定性とのバランスを良好に保つ観点から、これらの中でも、環状エーテル基、保護されたイソシアネート基、メチロール基、保護されたメチロール基、ヒドロキシアルキルアミド基、及び環状カーボネート基よりなる群から選択される少なくとも1種を分子内に2個以上有する化合物を好ましく使用することができる。化合物(A)が有する架橋性基の数は、2~10個が好ましく、2~6個がより好ましい。
【0103】
化合物(A)の具体例としては、下記式(ADA-1)~式(ADA-7)のそれぞれで表される化合物等が挙げられる。
【化22】
【0104】
化合物(A)を第1の液晶配向剤に含有させる場合、化合物(A)の含有割合は、液晶配向剤に含まれる重合体成分(重合体[A]と重合体[B]との合計量)100質量部に対して、0.5質量部以上が好ましく、1質量部以上がより好ましく、5質量部以上が更に好ましい。また、化合物(A)の含有割合は、液晶配向剤に含まれる重合体成分100質量部に対して、20質量部以下が好ましく、15質量部以下がより好ましい。
【0105】
・架橋剤
本開示の液晶配向剤は、架橋剤を更に含有していてもよい。架橋剤を含むことで、液晶配向膜の形成時に重合体成分の架橋反応を進行させることができ、力学特性や基板やシール剤との密着性の向上を図ることができる。架橋剤としては、化合物(A)のうち架橋性基を有する化合物;複素環構造(a)を有しない架橋性化合物(以下、「化合物(C)」ともいう)等が挙げられる。化合物(C)が有する架橋性基の具体例としては、化合物(A)が有していてもよい架橋性基として例示した各基と同様の基が挙げられる。化合物(C)が有する架橋性基の数は、2~10個が好ましく、2~6個がより好ましい。
【0106】
化合物(C)の具体例としては、下記式で表される化合物等が挙げられる。
【化23】
【0107】
架橋剤を第1の液晶配向剤に含有させる場合、架橋剤(すなわち、化合物(A)と化合物(C)の合計量)の含有割合は、液晶配向剤に含まれる重合体成分(重合体[A]と重合体[B]との合計量)100質量部に対して、1質量部以上が好ましく、3質量部以上がより好ましい。また、架橋剤の含有割合は、液晶配向剤に含まれる重合体成分100質量部に対して、30質量部以下が好ましく、25質量部以下がより好ましい。なお、架橋剤としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
【0108】
・溶剤
第1の液晶配向剤は、重合体[A]及び必要に応じて使用される成分が、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。
【0109】
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、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。
【0110】
その他の成分としては上記のほか、例えば、官能性シラン化合物、酸化防止剤、金属キレート化合物、硬化促進剤、界面活性剤、充填剤、分散剤、光増感剤等が挙げられる。これらの配合割合は、本開示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。
【0111】
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質量が液晶配向剤の全質量に占める割合)は、粘性、揮発性等を考慮して適宜に選択されるが、好ましくは1~10質量%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。液晶配向剤の固形分濃度を1質量%以上とすることにより、塗膜の膜厚を十分に確保でき、良好な液晶配向膜が得られやすい傾向がある。また、液晶配向剤の固形分濃度を10質量%以下とすることにより、塗膜の膜厚が過大となりすぎず、また液晶配向剤の粘性の増大を抑制でき、塗布性を良好にできる傾向がある。
【0112】
特に好ましい固形分濃度の範囲は、液晶配向剤の用途や、基板に液晶配向剤を塗布する際に用いる方法によって異なる。例えば、液晶表示素子用の液晶配向剤について、スピンナー法により基板に塗布する場合には、固形分濃度(液晶配向剤中の溶媒以外の全成分の合計質量が液晶配向剤の全質量に占める割合)が1.5~4.5質量%の範囲であることが特に好ましい。印刷法による場合には、固形分濃度を3~9質量%の範囲とし、それにより溶液粘度を12~50mPa・sの範囲とすることが特に好ましい。インクジェット法による場合には、固形分濃度を1~5質量%の範囲とし、それにより、溶液粘度を3~15mPa・sの範囲とすることが特に好ましい。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。また、位相差フィルム用の液晶配向剤については、液晶配向剤の塗布性及び形成される塗膜の膜厚を適度にする観点から、液晶配向剤の固形分濃度が0.2~10質量%の範囲であることが好ましく、3~10質量%の範囲であることがより好ましい。
【0113】
(第2の液晶配向剤)
第2の液晶配向剤は、重合体成分と化合物(A)とを含有する。第2の液晶配向剤に含まれる重合体成分としては、上述した重合体[B]として例示した重合体が挙げられる。第2の液晶配向剤に含まれる重合体成分は、これらのうち、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、ポリオルガノシロキサン及び付加重合体よりなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。なお、重合体成分を構成する単量体としては公知の単量体を使用でき、例えば、上述した単量体のうち複素環構造(a)を有しない単量体が挙げられる。
【0114】
化合物(A)としては、第1の液晶配向剤に配合してもよい化合物(A)として例示した化合物と同様のものが挙げられる。化合物(A)としては、架橋性基を有する化合物を好ましく使用できる。
【0115】
化合物(A)の含有割合は、液晶配向剤に含まれる重合体成分100質量部に対して、0.5質量部以上が好ましく、1質量部以上がより好ましい。また、化合物(A)の含有割合は、液晶配向剤に含まれる重合体成分100質量部に対して、30質量部以下が好ましく、25質量部以下がより好ましい。なお、化合物(A)としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
【0116】
第2の液晶配向剤は、重合体成分及び化合物(A)とは異なる成分を更に含有していてもよい。当該成分の具体例としては、第1の液晶配向剤に配合させてもよいその他の成分として例示した化合物と同様のものが挙げられる。
【0117】
《液晶配向膜及び液晶素子》
本開示の液晶配向膜は、上記のように調製された液晶配向剤により形成される。また、本開示の液晶素子は、上記で説明した液晶配向剤を用いて形成された液晶配向膜を具備する。液晶素子における液晶の動作モードとしては、例えば、TN(Twisted Nematic)型、STN(Super Twisted Nematic)型、VA(Vertical Alignment)型(VA-MVA型、VA-PVA型等を含む)、IPS(In-Plane Switching)型、FFS(Fringe Field Switching)型、OCB(Optically Compensated Bend)型、PSA(Polymer Sustained Alignment)型といった種々のモードに適用することができる。本開示の液晶配向剤は、液晶素子の製造工程における光照射処理によって安定したプレチルト角を付与できる点において、上記の中でも特に、PSAモード用の液晶配向剤として好適である。
【0118】
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。
【0119】
(工程1:塗膜の形成)
先ず、基板上に液晶配向剤を塗布し、好ましくは塗布面を加熱することにより基板上に塗膜を形成する。基板としては、例えばフロートガラス、ソーダガラス等のガラス;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)等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。基板の一方の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。TN型、STN型、VA型又はPSA型の液晶素子を製造する場合には、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用いる。一方、IPS型又はFFS型の液晶素子を製造する場合には、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と、電極が設けられていない対向基板とを用いる。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。基板への液晶配向剤の塗布は、電極形成面上に、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行うことが好ましい。
【0120】
液晶配向剤を塗布した後、塗布した液晶配向剤の液垂れ防止などの目的で、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、必要に応じて、溶剤を完全に除去したり重合体に存在するアミック酸構造を熱イミド化したり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塗膜が形成される。
【0121】
(工程2:配向処理)
TN型、STN型、IPS型又はFFS型の液晶素子を製造する場合、工程1で形成した塗膜に液晶配向能を付与する処理(配向処理)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。配向処理としては、基板上に形成した塗膜の表面をコットン等で擦るラビング処理、及び塗膜に光照射を行って液晶配向能を付与する光配向処理が挙げられる。特に、本開示の液晶配向剤は、当該液晶配向剤を用いて形成された塗膜に光照射処理を施して液晶配向能を付与する光配向剤として好ましく適用できる。一方、垂直配向型(VA型)の液晶素子を製造する場合には、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、該塗膜に対し配向処理を施してもよい。垂直配向型の液晶素子に好適な液晶配向膜はPSA型の液晶素子にも好ましく用いることができる。
【0122】
光配向処理における光照射は、ポストベーク工程後の塗膜に対して照射する方法、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、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、等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。
【0123】
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、エキシマレーザー等を使用することができる。放射線の照射量は、好ましくは400~20,000J/mであり、より好ましくは1,000~5,000J/mである。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。
【0124】
液晶配向膜の製造に際し、光照射処理が施された塗膜を120℃以上280℃以下の温度範囲内で加熱してもよい。こうした加熱処理により、液晶配向性が更に改善され(加熱再配列)、表示品位がより改善された液晶素子が得られる点で好ましい。この加熱は、ポストベークであってもよく、ポストベークとは別にポストベーク後に行う加熱処理であってもよい。光照射処理が施された塗膜に対する加熱処理に際し、加熱温度は、加熱による分子鎖の再配向を促進させる観点から、140℃以上とすることが好ましく、150℃~250℃とすることがより好ましい。加熱時間は、好ましくは5分~200分、より好ましくは10分~60分である。
【0125】
液晶配向膜の製造に際し、光照射処理が施された塗膜を、水、水溶性有機溶媒、又は水と水溶性有機溶媒との混合溶媒に接触させる工程を更に含んでいてもよい。ここで、水溶性有機溶媒としては、例えばメタノール、エタノール、1-プロパノール、イソプロパノール、1-メトキシ-2-プロパノールアセテート、ブチルセロソルブ、乳酸エチル、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、及びシクロペンタノンが挙げられる。本工程で用いる溶媒は、これらのうち、水、イソプロパノール及びこれらの混合物が好ましい。塗膜と溶媒との接触方法としては、例えば噴霧(スプレー)処理、シャワー処理、浸漬処理、液盛り処理等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。塗膜と溶媒との接触時間は特に限定されないが、例えば5秒~15分である。溶媒との接触後には塗膜の加熱処理を行ってもよい。
【0126】
(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には、例えば、(1)液晶配向膜が対向するように間隙(スペーサー)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により貼り合わせ、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)液晶配向膜を形成した一方の基板上の所定の場所にシール剤を塗布し、更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る方法(ODF方式)等が挙げられる。製造した液晶セルにつき更に、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。
【0127】
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等を用いることができる。スペーサーとしては、フォトスペーサー、ビーズスペーサー等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る。これら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、キュバン系液晶等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、強誘電性液晶等を添加して使用してもよい。
【0128】
PSAモードでは、液晶とともに光重合性化合物をセルギャップ内に充填するとともに、液晶セルの構築後、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処理を行う。すなわち、以下の工程を含む方法により液晶素子を製造することが好ましい。
〔1〕 導電膜を有する一対の基板のそれぞれの導電膜上に液晶配向剤を用いて塗膜を形成する工程(上記の工程1に相当)
〔2〕 塗膜を形成した一対の基板を、光重合性化合物を含む液晶層を介して塗膜が対向するように配置して液晶セルを構築する工程(上記の工程3に相当)
〔3〕 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
【0129】
光重合性化合物としては、アクリロイル基、(メタ)アクリロイル基、ビニル基等といったラジカル重合が可能な官能基を2個以上有する多官能性化合物を好ましく用いることができる。反応性の観点からすると、光重合性化合物は、中でも、(メタ)アクリロイル基を2個以上有する多官能(メタ)アクリル化合物が好ましい。また、液晶分子の配向性を安定に維持する観点から、光重合性化合物としては、液晶骨格として、シクロヘキサン環及びベンゼン環のうちの少なくともいずれか一種の環を合計2つ以上有する化合物を好ましく用いることができる。なお、このような光重合性化合物としては、従来公知のものを使用することができる。PSA型の液晶素子の製造に際し、光重合性化合物の使用割合は、液晶の合計100質量部に対して、例えば0.01~3質量部、好ましくは0.05~1質量部である。
【0130】
印加する電圧は、例えば5~50Vの直流又は交流とすることができる。照射する光としては、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、300~400nmの波長の光を含む紫外線が好ましい。照射光の光源としては、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、エキシマレーザーなどを使用することができる。光の照射量としては、好ましくは1,000~200,000J/m以下であり、より好ましくは1,000~100,000J/mである。
【0131】
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。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が挙げられる。
【0132】
本開示の液晶素子は種々の用途に有効に適用することができ、例えば、時計、携帯型ゲーム機、ワープロ、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、PDA 、デジタルカメラ、携帯電話機、スマートフォン、各種モニター、液晶テレビ、インフォメーションディスプレイ等の各種表示装置や、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は位相差フィルムに適用することもできる。
【0133】
以上説明した本開示によれば、以下の手段が提供される。
〔手段1〕 上記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する化合物[A]を含有する、液晶配向剤。
〔手段2〕 前記複素環構造(a)に芳香族炭化水素環又は芳香族複素環が結合している、〔手段1〕に記載の液晶配向剤。
〔手段3〕 前記化合物[A]は、前記複素環構造(a)を有する重合体である、〔手段1〕又は〔手段2〕に記載の液晶配向剤。
〔手段4〕 前記重合体は、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル、ポリイミド、ポリオルガノシロキサン及び付加重合体よりなる群から選択される少なくとも1種である、〔手段3〕に記載の液晶配向剤。
〔手段5〕 前記重合体は、前記複素環構造(a)を側鎖に有する、〔手段3〕又は〔手段4〕に記載の液晶配向剤。
〔手段6〕
前記重合体は、前記複素環構造(a)を主鎖中に有する、〔手段3〕又は〔手段4〕に記載の液晶配向剤。
〔手段7〕 前記重合体は、前記複素環構造(a)を有するジアミン化合物に由来する構造単位を有する、〔手段3〕~〔手段6〕のいずれかに記載の液晶配向剤。
〔手段8〕 前記重合体は、上記式(3-1)で表される構造単位及び上記式(3-2)で表される構造単位よりなる群から選択される少なくとも1種を有する、〔手段3〕~〔手段5〕のいずれかに記載の液晶配向剤。
〔手段9〕 前記化合物[A]は、分子量が1,000以下の低分子化合物である、〔手段1〕又は〔手段2〕に記載の液晶配向剤。
〔手段10〕 前記化合物[A]は架橋性基を有する、〔手段9〕に記載の液晶配向剤。
〔手段11〕 前記複素環構造(a)を有しない重合体を更に含有する、〔手段1〕~〔手段10〕のいずれかに記載の液晶配向剤。
〔手段12〕 前記複素環構造(a)を有しない架橋性化合物を更に含有する、〔手段1〕~〔手段11〕のいずれかに記載の液晶配向剤。
〔手段13〕 〔手段1〕~〔手段12〕のいずれかに記載の液晶配向剤により形成された液晶配向膜。
〔手段14〕 〔手段1〕~〔手段12〕のいずれかに記載の液晶配向剤を用いて塗膜を形成する工程と、前記塗膜に光を照射して液晶配向能を付与する工程と、を含む、液晶配向膜の製造方法。
〔手段15〕 導電膜を有する一対の基板のそれぞれの導電膜上に、〔手段1〕~〔手段12〕のいずれかに記載の液晶配向剤を用いて塗膜を形成する工程と、前記塗膜を形成した一対の基板を、光重合性化合物を含む液晶層を介して前記塗膜が対向するように配置して液晶セルを構築する工程と、導電膜間に電圧を印加した状態で前記液晶セルに光照射する工程と、を含む、液晶素子の製造方法。
〔手段16〕 〔手段13〕に記載の液晶配向膜を備える液晶素子。
〔手段17〕 上記式(1-1)、式(1-2)又は式(1-3)で表される複素環構造(a)を有する重合体。
〔手段18〕 上記式(2-1)、式(2-2)又は式(2-3)で表されるジアミン。
【実施例0134】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、以下の実施例によって本発明が限定的に解釈されるものではない。
【0135】
以下の例では、重合体溶液中のポリイミドのイミド化率を以下の方法により測定した。
[ポリイミドのイミド化率]
ポリイミドの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H-NMR測定を行った。得られたH-NMRスペクトルから、下記数式(1)によりイミド化率[%]を求めた。
イミド化率[%]=(1-(A/(A×α)))×100 …(1)
(数式(1)中、A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る。Aはその他のプロトン由来のピーク面積である。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。)
【0136】
以下の例で用いた原料化合物及び重合体の必要量は、下記の合成例に示す合成スケールでの合成を必要に応じて繰り返すことにより確保した。なお、実施例、比較例中の「部」及び「%」は、特に断らない限り質量基準である。
【0137】
化合物の略号は以下のとおりである。なお、以下では、式(X)で表される化合物を単に「化合物(X)」と示すことがある。
【0138】
(テトラカルボン酸二無水物)
【化24】
【0139】
(ジアミン化合物)
【化25】
【化26】
【0140】
【化27】
【化28】
【0141】
(重合性不飽和単量体、シロキサンモノマー、カルボン酸)
【化29】
【化30】
【0142】
(添加剤)
【化31】
【化32】
【0143】
<重合体の合成>
1.ポリアミック酸の合成
[合成例1]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(T-1)80モル部、化合物(T-6)10モル部、及び化合物(T-9)10モル部、並びに、ジアミン化合物として化合物(DA-1)10モル部、化合物(D-24)70モル部、及び化合物(D-12)20モル部をN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に溶解し、60℃で6時間反応を行い、ポリアミック酸(これを重合体(PI-1)とする)を20質量%含有する溶液を得た。
【0144】
[合成例3、7~10、12~16、18~21、23~26、28、29、31~33]
使用するテトラカルボン酸二無水物及びジアミン化合物の種類及び量を表1に記載のとおり変更した以外は合成例1と同様の操作を行い、ポリアミック酸(重合体(PI-3)(PI-7)~(PI-10)、(PI-12)~(PI-16)、(PI-18)~(PI-21)、(PI-23)~(PI-26)、(PI-28)、(PI-29)、(PI-31)~(PI-33)を得た。なお、表1中、テトラカルボン酸二無水物(酸二無水物1~3)の数値は、重合体の合成に使用したテトラカルボン酸二無水物の全量100モル部に対する各化合物の割合(モル比)を表す。ジアミン化合物(ジアミン1~4)の数値は、重合体の合成に使用したジアミン化合物の全量100モル部に対する各化合物の割合(モル比)を表す。
【0145】
2.ポリイミドの合成
[合成例2]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(T-2)70モル部、及び化合物(T-3)30モル部、並びにジアミン化合物として化合物(DA-6)30モル部、化合物(D-12)30モル部、化合物(D-15)25モル部、及び化合物(D-24)15モル部をNMPに溶解し、60℃で6時間反応を行い、ポリアミック酸を20質量%含有する溶液を得た。次いで、得られたポリアミック酸溶液にNMPを追加してポリアミック酸濃度10質量%の溶液とし、ピリジン及び無水酢酸を添加して80℃で4時間脱水閉環反応を行った。脱水閉環反応後、系内の溶媒を新たなNMPで溶媒置換することにより、イミド化率約40%のポリイミド(これを重合体(PI-2)とする)を15質量%含有する溶液を得た。
【0146】
[合成例4~6、11、17、22、27、30]
使用するテトラカルボン酸二無水物及びジアミン化合物の種類及び量を表1に記載のとおり変更した以外は合成例2と同様の操作を行い、ポリイミド(重合体(PI-4)~(PI-6)、(PI-11)、(PI-17)、(PI-22)、(PI-27)、(PI-30))を得た。
【0147】
【表1】
【0148】
3.スチレン-マレイミド系共重合体の合成
[合成例34]
窒素下、100mL二口フラスコに、重合モノマーの合計100モル部に対し、化合物(MA-1)20モル部、化合物(M-5)10モル部、化合物(M-7)20モル部、化合物(M-8)10モル部、化合物(M-9)40モル部、ラジカル重合開始剤として2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.3922g(重合モノマーの合計量100質量部に対して10質量部)、並びに溶剤としてN-メチル-2-ピロリドン(NMP)15.68g(重合モノマーの合計量100質量部に対して400質量部)を加え、70℃で6時間重合した。メタノールに再沈殿した後、沈殿物を濾過し、室温で8時間真空乾燥することで目的の付加重合体(これを重合体(PM-1)とする)を得た。
【0149】
[合成例35~44]
使用する重合モノマーの種類及び量を表2に記載のとおり変更した以外は合成例34と同様の操作を行い、付加重合体(重合体(PM-2)~(PM-11))を得た。
【0150】
【表2】
【0151】
4.ポリオルガノシロキサンの合成
[合成例45]
1000mL三口フラスコに、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(化合物(S-1))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。次いで、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℃で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質量%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した。メチルイソブチルケトンを適量添加し、エポキシ基を有するポリオルガノシロキサンである重合体(ESSQ-1)の50質量%溶液を得た。
500mL三口フラスコに、化合物(CA-1)を重合体(ESSQ-1)が有するエポキシ基量に対して15モル%、化合物(C-1)を重合体(ESSQ-1)が有するエポキシ基量に対して15モル%、テトラブチルアンモニウムブロミド1.00g、重合体(ESSQ-1)含有溶液20.0g、及びメチルイソブチルケトン290.0gを加え、90℃で18時間撹拌した。室温まで冷却した後、蒸留水で分液洗浄操作を10回繰り返した。その後、有機層を回収し、ロータリーエバポレータにより濃縮とNMP希釈を2回繰り返した後、NMPを用いて固形分濃度が10質量%になるように調整し、ポリオルガノシロキサン(これを重合体(PS-1)とする)のNMP溶液を得た。
【0152】
[合成例46、47]
使用するカルボン酸の種類及び量を表3に記載のとおり変更した以外は合成例45と同様の操作を行い、ポリオルガノシロキサン(重合体(PS-2)、(PS-3))を得た。
【0153】
【表3】
【0154】
<液晶配向剤の調製及び評価>
[実施例1:PSA型液晶表示素子]
1.液晶配向剤の調製
合成例6で得た重合体(PI-6)100質量部を含む溶液に化合物(AD-5)5質量部及び化合物(AD-8)3質量部を加え、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)及びブチルセロソルブ(BC)により希釈し、溶剤組成がNMP/BC=50/50(質量比)、固形分濃度が3.5質量%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(AL-1)を調製した。
【0155】
2.液晶組成物の調製
ネマチック液晶(メルク社製、MLC-6608)10gに対し、下記式(L1-1)で表される液晶性化合物を5質量%、及び下記式(L2-1)で表される光重合性化合物を0.3質量%添加して混合し、液晶組成物LC1を得た。
【化33】
【0156】
3.PSA型液晶表示素子の製造
上記で調製した液晶配向剤(AL-1)を、ITO膜からなる透明電極付きガラス基板の透明電極面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、窒素に置換したオーブン中、200℃で1時間加熱して溶媒を除去することにより、膜厚0.08μmの塗膜(液晶配向膜)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400rpm、ステージ移動速度3cm/秒、毛足押し込み長さ0.1mmでラビング処理を行った。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。この操作を繰り返し、液晶配向膜を有する基板を一対(2枚)得た。なお、このラビング処理は、液晶の倒れ込みを制御し、配向分割を簡易な方法で行う目的で行った弱いラビング処理である。
上記基板のうちの1枚の液晶配向膜を有する面の外周に、直径3.5μm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より塗布した後、一対の基板の液晶配向膜面を対向させ、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、液晶注入口より基板の間隙に液晶組成物LC1を充填した後、エポキシ系接着剤で液晶注入口を封止し、さらに液晶注入時の流動配向を除くために、これを150℃で10分間加熱した後に室温まで徐冷した。
次いで、得られた液晶セルに対し、電極間に周波数60Hzの交流10Vを印加し、液晶が駆動している状態で、光源にメタルハライドランプを使用した紫外線照射装置を用いて、紫外線を50,000J/mの照射量にて照射した。なお、この照射量は、波長365nm基準で計測される光量計を用いて計測した値である。これにより、PSA型液晶セルを製造した。
【0157】
4.評価
(1)電圧保持率の測定
上記3.で製造した液晶セルに1Vの電圧を60マイクロ秒印加した後、印加解除から1670ミリ秒後の電圧保持率(VHR)を測定し、これを初期VHRとした。なお、測定装置には、東陽テクニカ社製VHR測定装置「VHR-1」を使用した。初期VHRが90%以上であった場合を「特に良好(◎)」、85%以上90%未満であった場合を「良好(○)」、75%以上85%未満であった場合を「可(△)」、75%未満であった場合を「不良(×)」と判定した。その結果、この実施例の初期VHRの評価は「特に良好(◎)」であった。
【0158】
(2)信頼性の評価
上記3.で製造した液晶セルにつき、電圧保持率により信頼性を評価した。評価は以下のようにして行った。まず、上記(1)と同様にして初期VHRを測定した。次いで、液晶セルにCCFL(バックライト)を60℃で1週間照射した後、室温中に静置して室温まで自然冷却した。冷却後、液晶セルに1Vの電圧を60マイクロ秒印加した後、印加解除から1670ミリ秒後の電圧保持率(照射後VHR)を東陽テクニカ社製VHR測定装置「VHR-1」により測定した。このときのVHRの変化率(ΔVHR)を初期VHRと照射後VHRとの差分(ΔVHR=初期VHR-照射後VHR)により算出し、ΔVHRによってVHR信頼性を評価した。ΔVHRが3%未満であった場合を「特に良好(◎)」、3%以上10%未満であった場合を「良好(○)」、10%以上15%未満であった場合を「可(△)」、15%以上であった場合を「不良(×)」と判定した。その結果、この実施例ではVHR信頼性「特に良好(◎)」であった。
【0159】
(3)チルト付与性の評価
上記3.と同様にして液晶セルを製造した。非特許文献「T.J.Scheffer et. al. J. Appl. Phys. vo. 19, p. 2013(1980)」に記載の方法に準拠して、He-Neレーザー光を用いる結晶回転法により液晶分子の基板面からの傾き角の値を測定し、これをプレチルト角とした。プレチルト角の測定値が88.0°未満の場合であった場合を「特に良好(◎)」、88.0°以上88.5°未満であった場合を「良好(○)」、88.5°以上89.0°未満であった場合を「可(△)」、89.0°以上であった場合を「不良(×)」と判定した。その結果、この実施例のチルト付与性は「良好(○)」であった。
【0160】
[実施例2~17及び比較例1~6]
実施例2,3,6,8,13,14及び比較例1~3については、液晶配向剤の調製に使用する重合体及び添加剤の種類及び量を表4のとおりに変更した以外は実施例1と同様にして液晶配向剤を調製した(溶剤組成:NMP/BC=50/50(質量比))。
実施例4,5,7,9~12,15~17及び比較例4~6については、液晶配向剤の調製に使用する重合体及び添加剤の種類及び量を表4のとおりに変更するとともに、溶剤の組成をNMP/BC/N-エチル-2-ピロリドン(NEP)/ジエチレングリコールジエチルエーテル(DEDG)/ダイアセトンアルコール(DAA)=30/20/20/15/15(質量比)に変更した以外は実施例1と同様にして液晶配向剤を調製した。
また、得られた液晶配向剤を用いて、実施例1と同様にしてPSA型液晶セルを製造し、各種評価を行った。評価結果を表4に示す。表4中、重合体欄及び添加剤欄の数値は、液晶配向剤の調製に使用した重合体成分の全量100質量部に対する、各化合物の固形分での配合割合(質量部)を表す(以下、表5~7についても同じ)。
【0161】
【表4】
【0162】
表4に示すように、化合物[A]を含む液晶配向剤を用いた実施例1~17は、初期VHR、信頼性及びチルト付与性のいずれも良好な評価であった。これらのうち、化合物[A]としてジヒドロオキサジアゾール構造を有する重合体を含む実施例2、4~8、10、13の液晶配向剤は、チルト付与性が特に優れていた。これに対し、化合物[A]を含まない液晶配向剤を用いた比較例1~3、5、6は、初期VHR、信頼性及びチルト付与性がいずれも実施例1~17より劣り、比較例4については初期VHR及び信頼性が実施例1~17よりも劣っていた。
【0163】
[実施例18:光VA型液晶表示素子]
1.液晶配向剤の調製
合成例7で得た重合体(PI-7)30質量部を含む溶液と、合成例26で得た重合体(PI-26)70質量部を含む溶液とを混合し、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ガンマブチロラクトン(GBL)、ブチルセロソルブ(BC)及びジエチレングリコールジエチルエーテル(DEDG)により希釈し、更に化合物(AD-2)5質量部を加え、溶剤組成がNMP/GBL/BC/DEDG=30/30/30/10(質量比)、固形分濃度が3.5質量%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(AL-24)を調製した。
【0164】
2.光配向法を用いたVA型液晶表示素子の製造
ITO膜からなる透明電極付きガラス基板の透明電極面上に、上記で調製した液晶配向剤(AL-24)をスピンナーにより塗布し、80℃のホットプレートで1分間プレベークを行った。その後、庫内を窒素置換したオーブン中、230℃で1時間加熱して膜厚0.1μm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1,000J/mを、基板法線から40°傾いた方向から照射して液晶配向能を付与した。同じ操作を繰り返して、液晶配向膜を有する基板を一対(2枚)作成した。
上記基板のうちの1枚の液晶配向膜を有する面の外周に、直径3.5μm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より塗布した後、一対の基板の液晶配向膜面を対向させ、各基板の紫外線の光軸の基板面への投影方向が逆平行となるように圧着し、150℃で1時間かけて接着剤を熱硬化させた。次いで、液晶注入口より基板間の間隙にネガ型液晶(メルク社製、MLC-6608)を充填した後、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に、これを130℃で加熱してから室温まで徐冷した。
【0165】
3.評価
上記2.で製造した液晶セルにつき、実施例1と同様の方法により初期VHR及び信頼性の評価を行った。評価結果を表5に示す。
【0166】
[実施例19~23及び比較例7~10]
液晶配向剤の組成を表5のとおりに変更した以外は実施例18と同様にして液晶配向剤を調製した。また、得られた液晶配向剤を用いて、実施例18と同様にして光VA型液晶セルを製造し、各種評価を行った。それらの結果を表5に示す。
【0167】
【表5】
【0168】
表5に示すように、化合物[A]を含む液晶配向剤を用いた実施例18~23は、初期VHR及び信頼性の評価がいずれも良好であった。これに対し、化合物[A]を含まない液晶配向剤を用いた比較例7~10は、初期VHR及び信頼性の評価が「△」又は「×」であり、実施例18~23よりも劣っていた。
【0169】
[実施例24:光FFS型液晶表示素子]
1.液晶配向剤の調製
合成例10で得た重合体(PI-10)40質量部を含む溶液と、合成例31で得た重合体(PI-31)60質量部を含む溶液とを混合し、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ブチルセロソルブ(BC)、N-エチル-2-ピロリドン(NEP)及びガンマブチロラクトン(GBL)により希釈して、溶剤組成がNMP/BC/NEP/GBL=50/30/10/10(質量比)、固形分濃度が3.5質量%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(AL-34)を調製した。
【0170】
2.光配向法を用いたFFS型液晶表示素子の製造
平板電極(ボトム電極)、絶縁層及び櫛歯状電極(トップ電極)がこの順で片面に積層されたガラス基板(第1基板とする)、並びに電極が設けられていないガラス基板(第2基板とする)を準備した。次いで、第1基板の電極形成面及び第2基板の一方の基板面のそれぞれに、液晶配向剤(AL-34)をスピンナーにより塗布し、80℃のホットプレートで1分間加熱(プレベーク)した。その後、庫内を窒素置換した230℃のオーブンで30分間乾燥(ポストベーク)を行い、平均膜厚0.1μmの塗膜を形成した。得られた塗膜に対し、Hg-Xeランプを用いて、直線偏光された254nmの輝線を含む紫外線1,000J/mを基板法線方向から照射して光配向処理を施した。なお、この照射量は、波長254nm基準で計測される光量計を用いて計測した値である。次いで、光配向処理が施された塗膜を、230℃のクリーンオーブンで30分加熱して熱処理を行い、液晶配向膜を形成した。
次に、液晶配向膜を形成した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3.5μm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より塗布した。その後、光照射時の偏光軸の基板面への投影方向が逆平行となるように基板を重ね合わせて圧着し、150℃で1時間かけて接着剤を熱硬化させた。次いで、液晶注入口より一対の基板間にネガ型液晶(メルク社製、MLC-6608)を充填した後、エポキシ系接着剤で液晶注入口を封止し、液晶セルを得た。さらに、液晶注入時の流動配向を除くために、これを120℃で加熱してから室温まで徐冷した。
【0171】
3.評価
上記2.で製造した液晶セルにつき、実施例1と同様の方法により初期VHR及び信頼性の評価を行った。評価結果を表6に示す。
【0172】
[実施例25~27及び比較例11~13]
液晶配向剤の組成を表6のとおりに変更した以外は実施例24と同様にして液晶配向剤を調製した。また、得られた液晶配向剤を用いて、実施例24と同様にして光FFS型液晶セルを製造し、各種評価を行った。それらの結果を表6に示す。
【0173】
【表6】
【0174】
表6に示すように、化合物[A]を含む液晶配向剤を用いた実施例24~27は、初期VHR及び信頼性の評価がいずれも良好であった。これに対し、化合物[A]を含まない液晶配向剤を用いた比較例11~13は、初期VHR及び信頼性の評価が「△」又は「×」であり、実施例24~27よりも劣っていた。
【0175】
[実施例28:ラビングFFS型液晶表示素子]
1.液晶配向剤の調製
合成例11で得た重合体(PI-11)15質量部を含む溶液と、合成例23で得た重合体(PI-23)85質量部を含む溶液とを混合し、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ガンマブチロラクトン(GBL)、ダイアセトンアルコール(DAA)及びブチルセロソルブ(BC)により希釈して、溶剤組成がNMP/GBL/DAA/BC=30/30/30/10(質量比)、固形分濃度が3.5質量%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(AL-41)を調製した。
【0176】
2.ラビング法を用いたFFS型液晶表示素子の製造
平板電極(ボトム電極)、絶縁層及び櫛歯状電極(トップ電極)がこの順で片面に積層されたガラス基板(第1基板とする)、並びに電極が設けられていないガラス基板(第2基板とする)を準備した。次いで、第1基板の電極形成面及び第2基板の片面のそれぞれに液晶配向剤(AL-41)をスピンナーにより塗布し、110℃のホットプレートで3分間加熱(プレベーク)した。その後、庫内を窒素置換した230℃のオーブンで30分間乾燥(ポストベーク)を行い、平均膜厚0.08μmの塗膜を形成した。次いで、塗膜表面に対し、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1000rpm、ステージ移動速度3cm/秒、毛足押し込み長さ0.3mmでラビング処理を行った。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一対の基板を得た。
次いで、液晶配向膜を有する一対の基板につき、液晶配向膜を形成した面の縁に液晶注入口を残して、直径3.5μm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塗布した。その後、基板を重ね合わせて圧着し、150℃で1時間かけて接着剤を熱硬化させた。次いで、液晶注入口より、一対の基板間の間隙にネガ型液晶(メルク社製、MLC-6608)を充填した後、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に、これを120℃で加熱してから室温まで徐冷し、液晶セルを製造した。なお、一対の基板を重ね合わせる際には、それぞれの基板のラビング方法が反平行となるようにした。
【0177】
3.評価
上記2.で製造した液晶セルにつき、実施例1と同様の方法により初期VHR及び信頼性を評価した。評価結果を表7に示す。
【0178】
[実施例29~31及び比較例14~16]
液晶配向剤の組成を表7のとおりに変更した以外は実施例28と同様にして液晶配向剤を調製した。また、得られた液晶配向剤を用いて、実施例28と同様にしてラビング法によりFFS型液晶セルを製造し、各種評価を行った。それらの結果を表7に示す。
【0179】
【表7】
【0180】
表7に示すように、化合物[A]を含む液晶配向剤を用いた実施例28~31は、初期VHR及び信頼性の評価がいずれも良好であった。これに対し、化合物[A]を含まない液晶配向剤を用いた比較例14~16は、初期VHR及び信頼性の評価が「△」又は「×」であり、実施例28~31よりも劣っていた。
【0181】
以上の結果から、複素環構造(a)を有する化合物[A]を含む液晶配向剤によれば、電圧保持率が高く、プレチルト角付与特性に優れ、かつ長時間駆動した場合にもプレチルト角の変化が小さく信頼性に優れた液晶素子を得ることができることが明らかになった。