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JP2023170991A - 液晶配向剤、液晶配向膜及び液晶素子 - Google Patents

液晶配向剤、液晶配向膜及び液晶素子 Download PDF

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JP2023170991A JP2022083134A JP2022083134A JP2023170991A JP 2023170991 A JP2023170991 A JP 2023170991A JP 2022083134 A JP2022083134 A JP 2022083134A JP 2022083134 A JP2022083134 A JP 2022083134A JP 2023170991 A JP2023170991 A JP 2023170991A
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Abstract

【課題】液晶配向性及び電圧保持特性を良好に維持しつつ、耐光性及び耐熱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)で表される部分構造を有する重合体(P)を液晶配向剤に含有させる。式(1)中、A1は2価の有機基である。nは0~4の整数である。nが1の場合、R4は1価の置換基である。nが2以上の場合、複数のR4は、互いに独立して、1価の置換基であるか、又は2つのR4が互いに合わせられて2つのR4のそれぞれが結合する炭素原子と共に構成される環構造を表す。「*」は結合手を表す。TIFF2023170991000022.tif12170【選択図】なし

Description

本発明は、液晶配向剤、液晶配向膜及び液晶素子に関する。
液晶素子は、液晶テレビやインフォメーションディスプレイといった大型の表示装置から、スマートフォンやタブレッドPC等といった小型表示装置、あるいは位相差フィルムや調光フィルム等、屋内及び屋外を問わず幅広い用途において使用されている。また、液晶素子は、その使用用途の拡大に伴い、従来では想定されていなかった過酷な環境下で使用されることがある。例えば、長時間の連続駆動によってバックライトが長時間照射されたり、屋外や高温環境下で液晶素子が使用されたり、液晶素子が高熱環境下に曝されたりすることがある。そこで従来、液晶素子の信頼性を高めるべく、液晶配向膜の各種特性を改善することが行われている(例えば、特許文献1~3参照)。
特許文献1には、ヒンダードアミン構造を有する化合物、ヒンダードフェノール構造を有する化合物を用いて液晶配向膜を形成することにより、液晶素子の耐光性や残像特性、シール剤周辺の表示ムラを改善することが開示されている。特許文献2には、液晶配向膜に、フェノール系化合物やベンゾフェノン系化合物、ベンゾトリアゾール系化合物、ヒンダードアミン化合物等の光安定剤を含有させることにより液晶パネルの耐光性を改善することが開示されている。特許文献3には、ベンゾトリアゾール基を含む特定の化学構造を側鎖に有する重合体を液晶配向膜に含有させることにより、液晶表示装置の電圧保持率及び信頼性を改善することが開示されている。
特開2020-154185号公報 特開2004-53914号公報 国際公開第2016/194667号
近年、液晶素子の高性能化に対する要求は更に高まっており、液晶配向性や電圧保持特性といった基本特性を良好に維持しながら、過酷な条件下での使用にも一層耐え得る信頼性の高い液晶素子が求められている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、液晶配向性及び電圧保持特性を良好に維持しつつ、耐光性及び耐熱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。
本発明によれば、以下の手段が提供される。
<1> 下記式(1)で表される部分構造を有する重合体(P)を含有する、液晶配向剤。
Figure 2023170991000001
(式(1)中、Aは2価の有機基である。nは0~4の整数である。nが1の場合、Rは1価の置換基である。nが2以上の場合、複数のRは、互いに独立して、1価の置換基であるか、又は2つのRが互いに合わせられて2つのRのそれぞれが結合する炭素原子と共に構成される環構造を表す。「*」は結合手を表す。)
<2> 上記<1>の液晶配向剤により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。
本発明の液晶配向剤によれば、液晶配向性及び電圧保持特性を良好に維持しつつ、耐光性及び耐熱性に優れた液晶素子を得ることができる。
《液晶配向剤》
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、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、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包含する意味である。「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。
重合体の「主鎖」とは、重合体の原子鎖のうち最も長い「幹」の部分をいう。なお、この「幹」の部分が環構造を含むことは許容される。重合体の「側鎖」とは、重合体の「幹」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」を包含する意味であり、「(メタ)アクリル」は、「アクリル」及び「メタクリル」を包含する意味である。
<重合体(P)>
本開示の液晶配向剤は、下記式(1)で表される部分構造(以下、「特定構造S1」ともいう)を有する重合体(P)を含有する。
Figure 2023170991000002
(式(1)中、Aは2価の有機基である。nは0~4の整数である。nが1の場合、Rは1価の置換基である。nが2以上の場合、複数のRは、互いに独立して、1価の置換基であるか、又は2つのRが互いに合わせられて2つのRのそれぞれが結合する炭素原子と共に構成される環構造を表す。「*」は結合手を表す。)
重合体(P)は、特定構造S1を主鎖末端に有していてもよく、側鎖に有していてもよい。また、重合体(P)は、特定構造S1を主鎖末端及び側鎖の両方に有していてもよい。液晶素子の耐光性及び耐熱性の改善効果がより高い点で、重合体(P)は、特定構造S1を少なくとも側鎖に有することが特に好ましい。
上記式(1)において、Aで表される2価の有機基としては、炭素数1~20の2価の置換又は無置換の炭化水素基、置換又は無置換の炭化水素基が有する1個以上のメチレン基が-O-、-CO-、-COO-、-NR-、-CONR-、-NRCOO-又は-NRCONR-等に置き換えられた2価の基F(ただし、R及びRは、互いに独立して水素原子又は1価の有機基である)、複素環構造を有する2価の基等が挙げられる。
が炭素数1~20の2価の炭化水素基である場合、当該炭化水素基としては、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が挙げられる。Aが置換された炭素数1~20の2価の炭化水素基である場合、置換基としては、水酸基、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等)、シアノ基、ニトロ基等が挙げられる。
及びRで表される1価の有機基としては、炭素数1~10の1価の炭化水素基、熱脱離性基(例えば、tert-ブトキシカルボニル基等)等が挙げられる。Aが上記2価の基Fである場合、2価の基Fは、置換又は無置換の炭化水素基が有する1個以上のメチレン基が、隣り合わない条件において-O-、-CO-、-COO-、-NR-又は-CONR-に置き換えられた基であることが好ましい。
が1価の置換基である場合、当該置換基としては、水酸基、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等)、炭素数1~9のアルキル基、炭素数1~9のアルコキシ基、炭素数1~18のアルコキシカルボニルアルキル基、アラルキル基、シアノ基、ニトロ基等が挙げられる。また、nが2以上である場合、Rは、2つのRが互いに合わせられて、2つのRのそれぞれが結合している炭素原子と共に環構造を形成していてもよい。2つのRが互いに合わせられて構成される環構造としては、ベンゼン環等が挙げられる。
nは0~2が好ましく、0又は1がより好ましく、0が更に好ましい。
特定構造S1の導入による液晶素子の耐光性及び耐熱性の改善効果を高める観点から、Aの炭素数は2以上であることが好ましく、3以上であることがより好ましく、6以上であることが更に好ましい。Aは、これらの中でも、炭素数2~10の置換若しくは無置換のアルカンジイル基、又は置換若しくは無置換のアルカンジイル基が有する1個以上のメチレン基が、隣り合わない条件において-O-、-CO-、-COO-、-NR-又は-CONR-に置き換えられた基を有することが好ましい。Aがこのような鎖状構造を有する場合、ベンゾトリアゾール構造が主鎖から適度に離れ、これにより紫外線吸収能や不純物(イオン等)の吸着能が向上すると考えられる。
液晶配向膜の耐熱性及び耐光性の改善効果を高める観点から、Aは、芳香環を有する基であることが好ましく、A中の芳香環がベンゾトリアゾール構造中の窒素原子に結合していることがより好ましい。さらに、電圧保持特性の観点から、Aは、水酸基が結合した芳香環を有し、当該芳香環で上記式(1)中の窒素原子に結合していることがより好ましい。Aが有する芳香環は、耐光性の高い液晶素子を得る観点から、ベンゼン環又はナフタレン環が好ましく、ベンゼン環がより好ましい。Aが、水酸基が結合した芳香環を有する場合、当該芳香環における水酸基の結合位置は、ベンゾトリアゾール構造中の窒素原子が結合する炭素に隣接する位置(すなわち、ベンゾトリアゾール環を有する基に対してオルト位)であることが好ましい。
液晶素子の耐光性及び耐熱性の改善効果を十分に得る観点から、重合体(P)は、特定構造S1を有する構造単位を含むことが好ましい。具体的には、重合体(P)は、下記式(1-1)で表される構造単位を有することが好ましい。なお、下記式(1-1)中のBは重合体(P)の主鎖に応じて適宜選択される。
Figure 2023170991000003
(式(1-1)中、Bは3価の有機基である。A、R及びnは上記式(1)と同義である。)
特定構造S1を有する構造単位を含む重合体を得る方法は特に限定されない。当該方法としては、例えば、特定構造S1を有する単量体を用いて重合する方法;第1の官能基を有する重合体と、第1の官能基と反応し得る第2の官能基と特定構造S1とを有する化合物(以下、「反応性化合物」ともいう)とを反応させることにより特定構造S1を重合体に導入する方法、等が挙げられる。
重合体(P)は、液晶素子の耐光性及び耐熱性の改善効果を十分に高くできる点で、特定構造S1を、重合体(P)を構成する単量体単位の全量に対して1モル%以上有することが好ましい。上記観点から、重合体(P)は、特定構造S1を、重合体(P)を構成する単量体単位の全量に対して2モル%以上有することがより好ましく、5モル%以上有することが更に好ましい。
重合体(P)は、保護された酸性基、保護された塩基性基、-SiR(ただし、R、R及びRは、互いに独立して、炭素数1以上の1価の有機基である)、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、2個以上の環が直接又は2価の連結基により結合してなる多環構造を有する基、及びステロイド骨格を有する基よりなる群から選択される少なくとも1種の基(以下、「特定基F」ともいう)を側鎖に有することが好ましい。重合体(P)が特定基Fを有することにより、液晶素子の耐光性の改善効果を高めることができる点で好適である。
なお、重合体(P)が特定基Fを有することにより液晶素子の耐光性が向上する理由の一つとして、重合体(P)を含む液晶配向剤を用いて液晶配向膜を形成した場合に重合体(P)が膜の下層側に偏在しにくくなり、これにより特定構造S1の導入による効果が十分に発揮されたことが考えられる。重合体(P)に特定基Fを導入したことによる効果は、液晶配向剤の重合体成分が2種以上の重合体からなる多成分系とした場合に、より十分に発揮される。
保護された酸性基において、酸性基としては、カルボキシ基、水酸基、チオール基等の酸性官能基が挙げられる。保護された酸性基は、酸性官能基が有する水素原子が熱脱離性基で置換された基であることが好ましい。ここで、熱脱離性基とは、カルボキシ基、水酸基、チオール基等の官能基が有する水素原子を置換する基であって、熱により脱離する基をいう。熱脱離性基は、膜形成時のポストベークにより脱離する基であることが好ましい。
カルボキシ基が有する水素原子を置換する熱脱離性基としては、第3級炭化水素基、アセタール基、ケタール基等が挙げられる。これらの具体例としては、例えば、tert-ブチル基、1-メチルシクロペンチル基、1-エチルシクロペンチル基、1-(1-メチルエチル)シクロペンチル基、1-ペンチルシクロペンチル基、1-メチルシクロヘキシル基、1-エチルシクロヘキシル基、1-ペンチルシクロヘキシル基、1-(1-メチルエチル)シクロヘキシル基、1-メチルアダマンチル基、1-エチルアダマンチル基、1-メトキシエチル基、1-エトキシエチル基、2-テトラヒドロフラニル基、2-テトラヒドロピラニル基、1-メチル-1-メトキシエチル基、1-メチル-1-エトキシエチル基、2-(2-メチルテトラヒドロフラニル)基、1-メトキシシクロペンチル基等が挙げられる。
水酸基が有する水素原子を置換する熱脱離性基としては、炭素数1~7のアルキル基、炭素数3~12の1価の脂環式飽和炭化水素基、ベンジル基、p-メトキシベンジル基等のエーテル系熱脱離性基;炭素数2~6のアルコキシアルキル基、置換又は無置換の2-テトラヒドロフラニル基、置換又は無置換の2-テトラヒドロピラニル基等のアセタール系熱脱離性基;アセチル基、ベンゾイル基等のアシル系熱脱離性基;アリル基、メタリル基等のアリル系熱脱離性基;トリメチルシリル基、トリエチルシリル基、tert-ブチルジメチルシリル基等のシリルエーテル系熱脱離性基が挙げられる。チオール基が有する水素原子を置換する熱脱離性基としては、tert-ブチル基等の第3級炭化水素基が挙げられる。
保護された塩基性基において、塩基性としては、1級アミノ基、2級アミノ基が挙げられる。保護された酸性基は、塩基性官能基が有する水素原子が熱脱離性基で置換された基であることが好ましい。アミノ基が有する水素原子を置換する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。
基-SiRにおいて、R、R及びRで表される炭素数1以上の1価の有機基としては、炭素数1~10のアルキル基、炭素数1~10のアルコキシ基、炭素数3~12のシクロアルキル基、炭素数3~12のシクロアルキルオキシ基、炭素数6~12のアリール基、炭素数6~12のアリールオキシ基、炭素数6~12のアラルキル基、炭素数6~12のアラルキルオキシ基等が挙げられる。基-SiRは、これらのうち、トリアルキルシリル基、トリアルコキシシリル基、ジアルキルアルコキシシリル基又はアルキルジアルコキシシリル基が好ましい。
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、2個以上の環が直接又は2価の連結基により結合してなる多環構造を有する基、及びステロイド骨格を有する基よりなる群から選択される少なくとも1種の基(以下、「垂直配向性基」)の具体例としては、下記式(5)で表される基が挙げられる。
*-L-R11-R12-R13-R14 …(5)
(式(5)中、Lは、単結合、-O-、-CO-、-COO-*、-OCO-*、-NR15-、-NR15-CO-*、-CO-NR15-*、炭素数1~6のアルカンジイル基、-O-R16-*、又は-R16-O-*(ただし、R15は水素原子又は炭素数1~10の1価の炭化水素基であり、R16は炭素数1~3のアルカンジイル基である。「*」は、R11との結合手であることを示す。)である。R11及びR13は、それぞれ独立に、単結合、フェニレン基又はシクロアルキレン基であり、R12は、単結合、フェニレン基、シクロアルキレン基、-R17-B-*、又は-B-R17-*(ただし、R17はフェニレン基又はシクロアルキレン基であり、Bは-COO-*、-OCO-*、又は炭素数1~3のアルカンジイル基である。「*」は、R13との結合手であることを示し、「*」は、R17との結合手であることを示す。)である。R14は、水素原子、フッ素原子、シアノ基、炭素数1~30のアルキル基、炭素数1~30のフルオロアルキル基、炭素数1~30のアルコキシ基、炭素数1~30のフルオロアルコキシ基、ステロイド骨格を有する炭素数17~51の炭化水素基である。ただし、R11、R12及びR13の全部が単結合の場合、R14は、炭素数4~30のアルキル基、炭素数4~30のフルオロアルキル基、炭素数4~30のアルコキシ基、炭素数4~30のフルオロアルコキシ基、又はステロイド骨格を有する炭素数17~51の炭化水素基である。「*」は結合手を表す。)
上記式(5)において、L、Bのアルカンジイル基、並びにR14のアルキル基、フルオロアルキル基、アルコキシ基及びフルオロアルコキシ基は、直鎖状であることが好ましい。R14がステロイド骨格を有する基である場合、ステロイド骨格を有する基としては、例えばコレスタニル基、コレステリル基、ラノスタニル基等が挙げられる。R11、R12及びR13のうち少なくとも2個は、フェニレン基又はシクロアルキレン基を有していることが好ましい。
上記式(5)で表される部分構造の具体例としては、例えば下記式(5-1)~式(5-12)のそれぞれで表される部分構造、コレスタニルオキシ基、コレスタニルオキシカルボニル基、コレステリルオキシ基、ラノスタニルオキシ基等が挙げられる。ただし、垂直配向性基はこれらの具体例に限定されるものではない。重合体(P)が有する垂直配向性基は、感光性基(例えば、シンナメート構造やアゾベンゼン構造等)に結合していてもよいし、下記式中のベンゼン環がシンナメート構造あるいはアゾベンゼン構造の一部を構成していてもよい。
Figure 2023170991000004
(式(5-1)~式(5-12)中、「*」は結合手を表す。)
重合体(P)は、これらの中でも、保護された酸性基、保護された塩基性基及び-SiRよりなる群から選択される少なくとも1種を有していることが好ましい。重合体(P)が特定基Fとして上記の基を有することにより、液晶素子の耐光性の改善効果を得ながら膜強度をより高めることができる。
液晶素子の耐光性の改善効果をより高くできる点で、重合体(P)は、特定基Fを、重合体(P)を構成する単量体単位の全量に対して1モル%以上有することが好ましい。上記観点から、重合体(P)は、特定基Fを、重合体(P)を構成する単量体単位の全量に対して2モル%以上有することがより好ましく、5モル%以上有することが更に好ましい。また、重合体(P)が有する特定基Fの割合は、重合体(P)を構成する単量体単位の全量に対して80モル%以下がより好ましく、70モル%以下が更に好ましい。
重合体(P)の主鎖は特に限定されない。液晶との親和性が高い点、特定構造S1の導入による液晶素子の耐熱性及び耐光性の改善効果が高い点で、重合体(P)は中でも、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い。なお、液晶配向剤の調製に際し、重合体(P)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。
<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>
重合体(P)が、ポリアミック酸、ポリアミック酸エステル又はポリイミドである場合、重合体(P)は、テトラカルボン酸二無水物、テトラカルボン酸二無水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択される少なくとも1種の酸誘導体と、ジアミン化合物とを含む単量体を重合する工程を含む方法により得ることができる。
(ポリアミック酸)
重合体(P)がポリアミック酸である場合、当該ポリアミック酸(以下「ポリアミック酸(P)」ともいう)は、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。
・テトラカルボン酸二無水物
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としては、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が挙げられる。
これらの具体例としては、鎖状テトラカルボン酸二無水物として、1,2,3,4-ブタン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等を;脂環式テトラカルボン酸二無水物として、1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、1,3-ジメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、2,3,5-トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物、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、2,4,6,8-テトラカルボキシビシクロ[3.3.0]オクタン-2:4,6:8-二無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、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-2:3,5:6-二無水物等を;芳香族テトラカルボン酸二無水物として、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、エチレングリコールビスアンヒドロトリメート、4,4’-カルボニルジフタル酸無水物、3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’-ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物等を;それぞれ挙げることができるほか、特開2010-97188号公報に記載のテトラカルボン酸二無水物を用いることができる。テトラカルボン酸二無水物としては、1種を単独で又は2種以上組み合わせて使用できる。
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は、特定構造S1を有する重合体を用いて更に良好な液晶配向性及び電圧保持特性を示す液晶配向膜を得ることができる点で、脂肪族テトラカルボン酸二無水物を含むことが好ましく、脂環式テトラカルボン酸二無水物を含むことがより好ましい。脂環式テトラカルボン酸二無水物の使用割合は、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の全量に対して、20モル%以上であることが好ましく、30モル%以上であることがより好ましく、50モル%以上であることが更に好ましい。
・ジアミン化合物
重合体(P)がポリアミック酸、ポリアミック酸エステル又はポリイミドである場合、特定構造S1を有する重合体の合成を容易にする観点から、重合体(P)は、特定構造S1を有するジアミン(以下、「特定ジアミン」ともいう)に由来する構造単位を含むことが好ましい。
(特定ジアミン)
特定ジアミンは、特定構造S1を有している限り特に限定されない。特定ジアミンは、例えば上記式(1)で表される部分構造を有するジアミンであり、上記式(1)で表される部分構造を有する芳香族ジアミンがより好ましい。ここで、芳香族ジアミンとは、ジアミンが有する2個の1級アミノ基が同一又は異なる芳香環に結合したジアミンをいう。特定ジアミンが芳香族ジアミンである場合の好ましい具体例としては、上記式(1)で表される部分構造がジアミノフェニル基に結合した構造からなるジアミン化合物が挙げられる。
特定ジアミンの具体例としては、下記式(2-1)~式(2-6)のそれぞれで表される化合物等が挙げられる。なお、特定ジアミンとしては、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。
Figure 2023170991000005
ポリアミック弾(P)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し、特定ジアミンと、特定構造S1を有しないジアミン(以下、「その他のジアミン」ともいう)との併用であってもよい。その他のジアミンとしては、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。脂肪族ジアミンとしては、鎖状ジアミン及び脂環式ジアミンが挙げられる。
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、メタキシリレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等を;脂環式ジアミンとして、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、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タン、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、3,5-ジアミノ安息香酸、1,5-ビス(4-アミノフェノキシ)ペンタン、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、1,6-ビス(4-アミノフェノキシ)ヘキサン、6,6’-(ペンタメチレンジオキシ)ビス(3-アミノピリジン)、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、ビス[2-(4-アミノフェニル)エチル]ヘキサン二酸、4,4’-ジアミノジフェニルエーテル、4,4’-ジアミノジフェニルアミン、4,4’-ジアミノジフェネチルウレア、2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]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、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、2,2’-ジメチル-4,4’-ジアミノビフェニル、4,4’-(フェニレンジイソプロピリデン)ビスアニリン、2,6-ジアミノピリジン、2,4-ジアミノピリミジン、3,6-ジアミノカルバゾール、N-メチル-3,6-ジアミノカルバゾール、3,6-ジアミノアクリジン、N4,N4’-ビス(4-アミノフェニル)-N4,N4’-ジメチルベンジジン、N,N’-ビス(5-アミノピリジン-2-イル)-N,N’-ジ(tert-ブトキシカルボニル)エチレンジアミン等の主鎖型ジアミン;
ヘキサデカノキシ-2,4-ジアミノベンゼン、オクタデカノキシ-2,4-ジアミノベンゼン、オクタデカノキシ-2,5-ジアミノベンゼン、コレスタニルオキシ-3,5-ジアミノベンゼン、コレステリルオキシ-3,5-ジアミノベンゼン、コレスタニルオキシ-2,4-ジアミノベンゼン、コレステリルオキシ-2,4-ジアミノベンゼン、3,5-ジアミノ安息香酸コレスタニル、3,5-ジアミノ安息香酸コレステリル、3,5-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、4-(4’-トリフルオロメトキシベンゾイロキシ)シクロヘキシル-3,5-ジアミノベンゾエート、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、3,5-ジアミノ安息香酸=5ξ-コレスタン-3-イル、下記式(E-1)
Figure 2023170991000006
(式(E-1)中、XI及びXIIは、互いに独立して、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示す。)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。)
で表される化合物等の側鎖型ジアミン等を、
ジアミノオルガノシロキサンとして、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。また、その他のジアミンとして、光配向性基(例えば、シンナメート構造やアゾベンゼン構造)、保護された酸性基、保護された塩基性基、-SiR、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、2個以上の環が直接又は2価の連結基により結合してなる多環構造を有する基、又はステロイド骨格を有する基を有するジアミンであって上記以外の化合物を使用してもよい。ポリアミック酸(P)の製造に際し、その他のジアミンとしては1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
上記式(E-1)で表される化合物としては、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等が挙げられる。
Figure 2023170991000007
ポリアミック酸(P)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(P)の合成に使用するジアミン化合物の全量に対して、1モル%以上が好ましく、2モル%以上がより好ましく、5モル%以上が更に好ましい。また、特定ジアミンの使用割合は、ポリアミック酸(P)の合成に使用するジアミン化合物の全量に対して、95モル%以下が好ましく、90モル%以下がより好ましく、85モル%以下が更に好ましい。
(ポリアミック酸の合成)
ポリアミック酸(P)は、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り得ることができる。ポリアミック酸(P)の合成反応において、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い。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、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、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、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い。
ポリアミック酸(P)の合成反応において、反応温度は-20℃~150℃が好ましく、反応時間は0.1~24時間が好ましい。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、アルコール系溶媒、ケトン系溶媒、エステル系溶媒、エーテル系溶媒、ハロゲン化炭化水素、炭化水素等を挙げることができる。これらのうち、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種以上を反応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(例えば、ブチルセロソルブ、ジエチレングリコールジエチルエーテル等)との混合物を使用することが好ましい。有機溶媒の使用量は、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が、反応溶液の全量に対して0.1~50質量%になる量とすることが好ましい。
以上のようにして、ポリアミック酸(P)を溶解してなる重合体溶液が得られる。この重合体溶液は、そのまま液晶配向剤の調製に供してもよく、重合体溶液中に含まれるポリアミック酸(P)を単離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)
重合体(P)がポリアミック酸エステルである場合、当該ポリアミック酸エステルは、例えば、[I]ポリアミック酸(P)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、特定ジアミンを含む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、特定ジアミンを含む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。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。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い。
(ポリイミド)
重合体(P)がポリイミドである場合、当該ポリイミド(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。ポリイミド(P)は、その前駆体であるポリアミック酸(P)が有していたアミック酸構造の全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。ポリイミド(P)は、イミド化率が20~99%であることが好ましく、30~95%であることがより好ましい。なお、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。
ポリアミック酸(P)の脱水閉環は、好ましくはポリアミック酸(P)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。この方法において、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(P)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(P)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℃である。反応時間は、好ましくは1.0~120時間である。なお、ポリイミド(P)を含有する反応溶液は、そのまま液晶配向剤の調製に供してもよく、ポリイミド(P)を単離したうえで液晶配向剤の調製に供してもよい。ポリイミド(P)は、ポリアミック酸エステルの脱水閉環により得ることもできる。
重合体(P)がポリアミック酸、ポリアミック酸エステル又はポリイミドである場合、重合体(P)の溶液粘度は、濃度10質量%の溶液としたときに10~800mPa・sの溶液粘度を持つものであることが好ましく、15~500mPa・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、溶液粘度(mPa・s)は、重合体(P)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10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。
重合体(P)がポリアミック酸、ポリアミック酸エステル又はポリイミドである場合、重合体(P)のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定される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7以下であり、より好ましくは5以下である。
重合体(P)としてポリアミック酸、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種の重合体(以下、「重合体(Pa)」ともいう)を液晶配向剤に含有させる場合、液晶配向剤中における重合体(Pa)の含有割合は、液晶配向剤に含まれる固形分の全量(すなわち、液晶配向剤の溶媒以外の成分の合計質量)に対して、1質量%以上が好ましく、2質量%以上がより好ましい。なお、重合体(Pa)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。
<ポリオルガノシロキサン(P)>
重合体(P)がポリオルガノシロキサンである場合、当該ポリオルガノシロキサン(以下、「ポリオルガノシロキサン(P)」ともいう)は、特定構造S1を有する限り、その製造方法は特に限定されない。ポリオルガノシロキサン(P)は、例えば、加水分解性シラン化合物の加水分解・縮合反応により得ることができる。具体的には、下記〔1A〕及び〔2A〕の方法が挙げられる。
〔1A〕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、特定構造S1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。
〔2A〕特定構造S1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、〔1A〕の方法は簡便であり、かつポリオルガノシロキサン(P)における特定構造S1の導入率を高くできる点で好ましい。
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。
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。
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。
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。
上記〔1A〕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、特定構造S1を側鎖に有するポリオルガノシロキサン(P)を得ることができる。
特定カルボン酸の具体例としては、例えば下記式(3-1)~式(3-4)のそれぞれで表される化合物等を挙げることができる。
Figure 2023170991000008
ポリオルガノシロキサン(P)1分子中における特定構造S1の含有割合は、ポリオルガノシロキサン(P)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(P)1分子中における特定構造S1の含有割合は、ポリオルガノシロキサン(P)が有するケイ素原子に対して、90モル%以下であることが好ましく、80モル%以下であることがより好ましく、70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(P)中の特定構造S1の含有割合が上記範囲にあることにより、液晶素子の耐光性及び耐熱性の改善効果を十分に得ることができる点で好ましい。
なお、ポリオルガノシロキサン(P)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、特定構造S1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アゾベンゼン構造)、保護された酸性基、保護された塩基性基、-SiR、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、2個以上の環が直接又は2価の連結基により結合してなる多環構造を有する基、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。
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。
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(P)を得ることができる。
ポリオルガノシロキサン(P)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(P)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。
重合体(P)としてポリオルガノシロキサン(P)を液晶配向剤に含有させる場合、液晶配向剤中におけるポリオルガノシロキサン(P)の含有割合は、液晶配向剤に含まれる固形分の全量に対して、0.5質量%以上が好ましく、1質量%以上がより好ましく、2質量%以上が更に好ましい。また、ポリオルガノシロキサン(P)の含有割合は、液晶配向剤に含まれる固形分の全量に対して、50質量%以下が好ましく、40質量%以下がより好ましく、30質量%以下が更に好ましい。
<付加重合体(P)>
付加重合体は、重合性炭素-炭素不飽和結合を有する単量体(以下、「不飽和単量体」ともいう)に由来する構造単位を有する重合体である。重合体(P)が、特定構造S1を有する付加重合体である場合、当該重合体(以下、「付加重合体(P)」ともいう)は、例えば、下記〔1B〕及び〔2B〕の方法により得ることができる。
〔1B〕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特定カルボン酸とを反応させる方法。
〔2B〕特定構造S1を有する不飽和単量体を用いて重合する方法。
不飽和単量体としては、重合性炭素-炭素不飽和結合を有する任意の単量体を用いることができる。当該単量体としては、例えば、(メタ)アクリロイル基、ビニル基、ビニルフェニル基、マレイミド基等を有する化合物が挙げられる。液晶配向性に優れた液晶配向膜を形成できる点で、付加重合体(P)としては、(メタ)アクリル系重合体、スチレン系重合体、マレイミド系重合体及びスチレン-マレイミド系共重合体よりなる群から選択される少なくとも1種を好ましく使用することができる。なお、スチレン系重合体は、スチレン化合物に由来する構造単位を含む重合体であり、マレイミド系重合体は、マレイミド化合物に由来する構造単位を有する重合体である。スチレン-マレイミド系共重合体は、スチレン化合物に由来する構造単位とマレイミド化合物に由来する構造単位とを有する重合体である。これらの重合体は更に、(メタ)アクリル化合物に由来する構造単位等を有していてもよい。
特定構造S1を有する単量体(以下、「単量体(MA)」ともいう)は、重合に関与する基として重合性炭素-炭素不飽和結合を含む基を有していればよく、特に限定されない。単量体(MA)としては、上記式(1)で表される部分構造を有する(メタ)アクリル化合物、上記式(1)で表される部分構造を有するマレイミド化合物、及び上記式(1)で表される部分構造を有するスチレン化合物よりなる群から選択される少なくとも1種を好ましく用いることができる。単量体(MA)の具体例としては、例えば下記式(4-1)~式(4-6)のそれぞれで表される化合物等を挙げることができる。
Figure 2023170991000009
(式(4-1)~式(4-4)中、Rは水素原子又はメチル基である。)
(付加重合体(P)の合成)
付加重合体(P)は、特定構造S1を有する構造単位のみから構成されていてもよく、特定構造S1を有しない構造単位を更に含んでいてもよい。例えば、上記〔2B〕により付加重合体(P)を得る場合、付加重合体(P)は、単量体(MA)のみから構成されていてもよいし、単量体(MA)と、特定構造S1を有しない単量体(以下、「その他の不飽和単量体」ともいう)とにより構成されていてもよい。その他の不飽和単量体としては、(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。
その他の不飽和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。
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。また、その他の不飽和単量体として、光配向性基(例えば、シンナメート構造やアゾベンゼン構造)、保護された酸性基、保護された塩基性基、-SiR、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、2個以上の環が直接又は2価の連結基により結合してなる多環構造を有する基、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(P)の合成に際し、その他の不飽和単量体としては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。
付加重合体(P)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。より具体的には、〔2B〕の場合には単量体として特定構造S1を有する不飽和単量体を用い、〔1B〕の場合には重合により得られたエポキシ基含有付加重合体と特定カルボン酸とを反応させる。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。
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。
付加重合体(P)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。
重合体(P)として付加重合体(P)を液晶配向剤に含有させる場合、液晶配向剤中における付加重合体(P)の含有割合は、液晶配向剤に含まれる固形分の全量に対して、0.1質量%以上が好ましく、0.5質量%以上がより好ましく、1質量%以上が更に好ましい。また、付加重合体(P)の含有割合は、液晶配向剤に含まれる固形分の全量に対して、50質量%以下が好ましく、40質量%以下がより好ましい。
液晶配向剤中における重合体(P)の含有割合は、液晶配向剤に含まれる固形分の全量(すなわち、液晶配向剤の溶媒以外の成分の合計質量)に対して、0.5質量%以上が好ましく、1質量%以上がより好ましく、2質量%以上が更に好ましい。なお、重合体(P)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。
<その他の成分>
液晶配向剤は、重合体(P)のほか、必要に応じて、重合体(P)とは異なる成分(以下「その他の成分」ともいう)を含有していてもよい。
・重合体(Q)
本開示の液晶配向剤は、特定構造S1を有しない重合体(以下、「重合体(Q)」ともいう)を更に含有してもよい。重合体(Q)の主骨格は特に限定されない。重合体(Q)としては、例えば、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、ポリエステル、ポリエナミン、ポリウレア、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾオキサゾール前駆体、ポリベンゾオキサゾール、セルロース誘導体、ポリアセタール、付加重合体(例えば、(メタ)アクリル系重合体、スチレン系重合体、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。信頼性の高い液晶素子を得る観点から、重合体(Q)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択される少なくとも1種が好ましく、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種がより好ましい。
重合体(Q)を液晶配向剤に含有させる場合、重合体(Q)の含有割合は、液晶配向剤に含まれる重合体(P)と重合体(Q)との合計量に対して、1質量%以上が好ましく、2質量%以上がより好ましい。また、重合体(Q)の含有割合は、液晶配向剤に含まれる重合体(P)と重合体(Q)との合計量に対して、99.5質量%以下が好ましく、99質量%以下がより好ましい。重合体(Q)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。
本開示の液晶配向剤は、液晶配向性及び電圧保持特性の良化を図る観点から、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種の重合体(以下、「イミド系重合体」ともいう)を含有していることが好ましい。イミド系重合体は、重合体(P)でもよく、重合体(Q)でもよく、重合体(P)及び重合体(Q)の両方であってもよい。液晶配向剤中におけるイミド系重合体の含有割合は、液晶配向剤に含まれる重合体(P)と重合体(Q)との合計量に対して、20質量%以上が好ましく、30質量%以上がより好ましく、50質量%以上が更に好ましく、60質量%以上がより更に好ましい。なお、イミド系重合体としては、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。
・溶剤
本開示の液晶配向剤は、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。
溶剤としては有機溶媒が好ましく使用される。その具体例としては、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、1,2-ジメチル-2-イミダゾリジノン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、フェノール、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、ジアセトンアルコール、1-ヘキサノール、2-ヘキサノール、プロパン-1,2-ジオール、3-メトキシ-1-ブタノール、エチレングリコールモノメチルエーテル、乳酸メチル、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、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、プロピオン酸エチル、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、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)、ジエチレングリコールジエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、プロピレングリコールジアセテート、シクロペンタノン、シクロヘキサノン等を挙げることができる。溶剤としては、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。
溶剤は、これらの中でも、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジエチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、N-メチルカプロラクタム、N-ビニル-2-ピロリドン、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、γ-ブチロラクトン、1,3-ジメチル-イミダゾリジノン、3-メトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン及び4-ヒドロキシ-4-メチル-2-ペンタノンよりなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。
液晶配向剤に含有されるその他の成分としては、上記のほか、例えば、架橋剤、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。その他の成分の配合割合は、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。
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することができる。液晶配向剤の固形分濃度は、好ましくは1~10質量%の範囲である。固形分濃度が1質量%以上であると、塗膜の膜厚を十分に確保でき、より良好な液晶配向性を示す液晶配向膜を得ることができる点で好適である。また、固形分濃度が10質量%以下であると、塗膜を適度な厚みとすることができ、良好な液晶配向性を示す液晶配向膜が得られやすく、また、液晶配向剤の粘性が適度となり塗布性を良好にできる傾向がある。
≪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製造される。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備える。液晶素子における液晶の駆動方式は特に限定されず、例えばTN型、STN型、VA型(VA-MVA型、VA-PVA型等を含む)、IPS型、FFS型、OCB(Optically Compensated Bend)型、PSA(Polymer Sustained Alignment)型等の種々のモードに適用することができる。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。
<工程1:塗膜の形成>
まず、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膜等を用いることができる。TN型、STN型又はVA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2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。
基板への液晶配向剤の塗布方法は特に限定されない。基板への液晶配向剤の塗布は、例えば、スピンコート方式、印刷方式(例えば、オフセット印刷方式、フレキソ印刷方式等)、インクジェット方式、スリットコート方式、バーコーター方式、エクストリューションダイ方式、ダイレクトグラビアコーター方式、チャンバードクターコーター方式、オフセットグラビアコーター方式、含浸コーター方式、MBコーター方式法等により行うことができる。
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等の目的で、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、溶剤を完全に除去し、必要に応じて、重合体に存在するアミック酸構造を熱イミド化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80~280℃であり、より好ましくは80~250℃である。ポストベーク時間は、好ましくは5~200分である。形成される膜の膜厚は、好ましくは0.001~1μmである。
<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、上記工程1で形成した塗膜に対し、液晶配向能を付与する処理(配向処理)が施される。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やナイロン等で擦るラビング処理、又は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を用いることが好ましい。垂直配向型の液晶素子を製造する場合には、上記工程1で形成した塗膜をそのまま液晶配向膜として使用してもよく、液晶配向能を更に高めるために、上記工程1で形成した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。
光配向のための光照射は、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。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。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。非偏光の放射線の場合の照射方向は斜め方向とする。
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等が挙げられる。放射線の照射量は、好ましくは200~30,000J/mであり、より好ましくは500~10,000J/mである。配向能付与のための光照射後において、基板表面を、例えば水、有機溶媒(例えば、メタノール、イソプロピルアルコール、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、乳酸エチル等)又はこれらの混合物を用いて洗浄する処理や、基板を加熱する処理を行ってもよい。
<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、液晶配向膜が対向するように間隙を介して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、基板表面とシール剤で囲まれたセルギャップ内に液晶を注入充填し注入孔を封止する方法、ODF方式による方法等が挙げられる。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。液晶としては、ネマチック液晶、スメクチック液晶を挙げることができ、中でもネマチック液晶が好ましい。
PSAモードでは、液晶とともに重合性化合物(例えば、多官能(メタ)アクリレート化合物等)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。PSA型の液晶素子の製造に際し、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。
液晶表示装置を製造する場合、続いて、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。
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る。具体的には、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、調光装置、位相差フィルム等として用いることができる。
以上説明した本開示によれば、次の手段が提供される。
〔手段1〕 上記式(1)で表される部分構造を有する重合体(P)を含有する、液晶配向剤。
〔手段2〕 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、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1〕に記載の液晶配向剤。
〔手段3〕 前記重合体(P)は、保護された酸性基、保護された塩基性基、-SiR(ただし、R、R及びRは、互いに独立して、炭素数1以上の1価の有機基である)、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、2個以上の環が直接又は2価の連結基により結合してなる多環構造を有する基、及びステロイド骨格を有する基よりなる群から選択される少なくとも1種を側鎖に有する、〔手段1〕又は〔手段2〕に記載の液晶配向剤。
〔手段4〕 上記式(1)で表される部分構造を有しない重合体(Q)を更に含有する、〔手段1〕~〔手段3〕のいずれかに記載の液晶配向剤。
〔手段5〕 前記重合体(Q)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4〕に記載の液晶配向剤。
〔手段6〕 前記重合体(P)は、上記式(1)で表される部分構造を、前記重合体(P)を構成する単量体単位の全量に対して1モル%以上有する、〔手段1〕~〔手段5〕のいずれかに記載の液晶配向剤。
〔手段7〕 前記Aは芳香環を有し、当該芳香環にベンゾトリアゾール構造中の窒素原子が結合している、〔手段1〕~〔手段6〕のいずれかに記載の液晶配向剤。
〔手段8〕 〔手段1〕~〔手段7〕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9〕 〔手段8〕に記載の液晶配向膜を備える液晶素子。
以下、実施例に基づき実施形態をより詳しく説明するが、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。
以下の例において、重合体溶液中のポリイミドのイミド化率、エポキシ当量、並びに重合体の重量平均分子量(Mw)及び数平均分子量(Mn)は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(I)によりイミド化率[%]を求めた。
イミド化率[%]=(1-(A/(A×α)))×100 …(I)
(数式(I)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り、A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。
[重量平均分子量(Mw)及び数平均分子量(Mn)]
Mw及びMn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
温度:40℃
圧力:68kgf/cm
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。
(重合性炭素-炭素不飽和結合を有する単量体)
Figure 2023170991000010
(反応性化合物)
Figure 2023170991000011
(テトラカルボン酸二無水物)
Figure 2023170991000012
(ジアミン化合物)
Figure 2023170991000013
(添加剤)
Figure 2023170991000014
<重合体の合成>
1.付加重合体の合成
[合成例1-1]
窒素下、100mL二口フラスコに、モノマーとして、化合物(MA-1)45.7モル部、化合物(MA-4)37.4モル部、化合物(MA-5)8.4モル部、及び化合物(MA-6)8.5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)2.0g、並びに溶媒としてN-メチル-2-ピロリドン(NMP)50mL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によりスチレン-マレイミド系共重合体(これを重合体(A-1)とする)を得た。GPCによるポリスチレン換算で測定される重量平均分子量(Mw)は30,000、分子量分布(Mw/Mn)は2であった。
[合成例1-2~1-8]
使用するモノマーの種類及び量を表1に記載のとおり変更した以外は合成例1-1と同様の操作を行い、付加重合体(重合体(A-2)~(A-8))を得た。なお、表1中の数値は、合成に使用したモノマーの全量100モル部に対する各モノマーの使用割合(モル部)を表す。
Figure 2023170991000015
2.ポリオルガノシロキサンの合成
[合成例2-1]
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。得られた重合体(ESSQ-1)の重量平均分子量Mwは3,500、エポキシ当量は180g/モルであった。
500mL三口フラスコに、反応性化合物として、化合物(MC-3)6.6g(重合体(ESSQ-1)が有するエポキシ基量に対して30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、110℃で6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ーにより濃縮と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(P-1)とする)のNMP溶液を得た。
[合成例2-2~2-6]
使用する反応性化合物の種類及び量を表2に記載のとおり変更した以外は合成例2-1と同様の操作を行い、ポリオルガノシロキサン(これを重合体(P-2)~(P-6)とする)のNMP溶液を得た。なお、表2中の数値は、重合体(ESSQ-1)が有するエポキシ基量に対する各化合物の使用割合(モル%)を表す。
Figure 2023170991000016
3.ポリイミドの合成
[合成例3-1]
ジアミン化合物として化合物(DA-1)50モル部及び化合物(DA-2)50モル部をNMPに溶解し、テトラカルボン酸二無水物として化合物(TA-1)100モル部を加え40℃で24時間反応させることにより、ポリアミック酸を20質量%含有する溶液を得た。次いで、得られた重合体溶液に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90℃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85%のポリイミド(これを重合体(PI-1)とする)を15質量%含有する溶液を得た。
4.ポリアミック酸の合成
[合成例4-1]
テトラカルボン酸二無水物として化合物(TA-2)100モル部、ジアミン化合物として化合物(DA-3)100モル部をNMPに溶解し、室温で6時間反応を行い、ポリアミック酸(これを重合体(PA-1)とする)を15質量%含有する溶液を得た。
[合成例4-2~4-5]
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3に記載のとおり変更した以外は合成例4-1と同様の操作を行い、ポリアミック酸(重合体(PA-2)~(PA-5))を含む溶液を得た。なお、表3中、テトラカルボン酸二酸無水物(表中では酸無水物と表記)の数値は、合成に使用したテトラカルボン酸二無水物の全量100モル部に対する各モノマーの使用割合(モル部)を表し、ジアミン化合物の数値は、合成に使用したジアミン化合物の全量100モル部に対する各モノマーの使用割合(モル部)を表す。
Figure 2023170991000017
<液晶配向剤の調製及び評価>
[実施例1:光垂直型液晶表示素子]
1.液晶配向剤の調製
合成例4-1で得た重合体(PA-1)100質量部を含む溶液に、合成例1-1で得た重合体(A-1)を固形分換算で7質量部、合成例1-2で得た重合体(A-2)を固形分換算で6質量部加え、NMP及びブチルセロソルブ(BC)により希釈して、溶媒組成が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。
2.光垂直型液晶セルの製造
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1.で調製した液晶配向剤(AL-1)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(光配向処理)。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、液晶セルを製造した。
3.評価
(1)液晶配向性の評価
上記2.で製造した液晶セルについて、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、液晶配向性を評価した。評価は、異常ドメインが観察されなかった場合を「良好(○)」、異常ドメインが観察された場合を「不良(×)」とした。その結果、本実施例では「良好(○)」の評価であった。
(2)初期VHRの評価
上記2.で製造した液晶セルを60℃のオーブンに静置した後、東陽テクニカ社製VHR測定装置「VHR-1」を用いて、1V、1670ミリ秒の条件で電圧保持率(VHR)を測定した。評価基準としては、VHRが85%よりも高い場合に「良好(○)」、85%以下75%以上の場合に「可(△)」、75%未満の場合に「不良(×)」とした。その結果、この実施例の初期VHRの評価は「良好(○)」であった。
(3)耐光性の評価
上記2.で製造した液晶セルにつき、電圧保持率により耐光性を評価した。評価は以下のようにして行った。まず、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(VHR1)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(VHR2)を測定した。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。このときのVHRの変化率(ΔVHR)をVHR1とVHR2との差分(ΔVHR=VHR1-VHR2)により算出し、ΔVHRにより耐光性を評価した。ΔVHRが1%以下であった場合を「特に良好(◎)」、1%を超えて2%以下であった場合を「良好(○)」、2%を超えて3%以下であった場合を「可(△)」、3%よりも大きかった場合を「不良(×)」と判定した。その結果、この実施例では、耐光性の評価は「特に良好(◎)」であった。
(4)耐熱性の評価
上記2.で製造した液晶セルにつき、電圧保持率により耐熱性を評価した。評価は以下のようにして行った。まず、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(VHR1)を測定した。次いで、液晶セルを100℃の恒温槽に1000時間保管した後、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(VHR2)を測定した。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。このときのVHRの変化率(ΔVHR)をVHR1とVHR2との差分(ΔVHR=VHR1-VHR2)により算出し、ΔVHRにより耐熱性を評価した。ΔVHRが1%以下であった場合を「特に良好(◎)」、1%を超えて2%以下であった場合を「良好(○)」、2%を超えて3%以下であった場合を「可(△)」、3%よりも大きかった場合を「不良(×)」と判定した。その結果、この実施例では、耐熱性の評価は「特に良好(◎)」であった。
[実施例2~16及び比較例1~3]
液晶配向剤に配合する重合体の種類及び量(質量部)を表4に記載のとおり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と同様にして光垂直型液晶表示セルを製造し、各種評価を行った。それらの結果を表4に示す。表4中、配向剤組成の数値は、各化合物の配合割合(質量部)を表す。
Figure 2023170991000018
表4に示すように、重合体(P)を含む液晶配向剤を用いた実施例1~16は、液晶配向性、初期VHR、耐光性及び耐熱性の評価がいずれも「◎」又は「○」であり、各種特性のバランスに優れていた。また、重合体(P)に特定基Fを導入することにより耐光性の改善効果を高くできることが分かった。これに対し、重合体(P)を含まない液晶配向剤を用いた比較例1~3は、実施例1~16に比べて耐光性及び耐熱性が劣っていた。また、重合体(P)に代えてベンゾトリアゾール構造を有する添加剤(ADD-1)を配合した液晶配向剤を用いた比較例3では、初期VHRについても「△」の評価であった。
[実施例17:PSA型液晶表示素子]
1.液晶配向剤の調製
合成例4-1で得た重合体(PA-1)100質量部を含む溶液に、合成例1-7で得た重合体(A-7)を固形分換算で5質量部、合成例1-2で得た重合体(A-2)を固形分換算で8質量部加え、NMP及びブチルセロソルブ(BC)により希釈して、溶媒組成が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-17)を調製した。
2.PSA型液晶セルの製造
(1)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。
Figure 2023170991000019
(2)液晶セルの製造
上記で調製した液晶配向剤(AL-17)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100,000J/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。
3.評価
上記2.で製造したPSA型液晶セルを用いて、実施例1と同様にして各種評価を行った。評価結果を表5に示す。
[実施例18~30及び比較例4~8]
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17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17と同様にしてPSA型液晶セルを製造し、実施例1と同様にして各種評価を行った。それらの結果を表5に示す。表5中、配向剤組成の数値は、各化合物の配合割合(質量部)を表す。
Figure 2023170991000020
表5に示すように、PSA型液晶表示素子に適用した場合にも、光垂直型液晶表示素子に適用した場合と同様に、重合体(P)を含む液晶配向剤を用いた実施例17~30では、液晶配向性、初期VHR、耐光性及び耐熱性の評価がいずれも「◎」又は「○」であった。また、重合体(P)に特定基Fを導入することにより耐光性の更なる向上が確認された。これに対し、重合体(P)を含まない液晶配向剤を用いた比較例4~8は、実施例17~30に比べて耐光性及び耐熱性が劣っていた。また、重合体(P)に代えてベンゾトリアゾール構造を有する添加剤(ADD-1)を配合した液晶配向剤を用いた比較例6では、初期VHRについても「△」の評価であった。
以上の結果から、重合体(P)を含む液晶配向剤によれば、液晶配向性及び電圧保持特性を良好に維持しつつ、耐光性及び耐熱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。

Claims (9)

  1. 下記式(1)で表される部分構造を有する重合体(P)を含有する、液晶配向剤。
    Figure 2023170991000021
    (式(1)中、Aは2価の有機基である。nは0~4の整数である。nが1の場合、Rは1価の置換基である。nが2以上の場合、複数のRは、互いに独立して、1価の置換基であるか、又は2つのRが互いに合わせられて2つのRのそれぞれが結合する炭素原子と共に構成される環構造を表す。「*」は結合手を表す。)
  2. 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、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1に記載の液晶配向剤。
  3. 前記重合体(P)は、保護された酸性基、保護された塩基性基、-SiR(ただし、R、R及びRは、互いに独立して、炭素数1以上の1価の有機基である)、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、2個以上の環が直接又は2価の連結基により結合してなる多環構造を有する基、及びステロイド骨格を有する基よりなる群から選択される少なくとも1種を側鎖に有する、請求項1に記載の液晶配向剤。
  4. 上記式(1)で表される部分構造を有しない重合体(Q)を更に含有する、請求項3に記載の液晶配向剤。
  5. 前記重合体(Q)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4に記載の液晶配向剤。
  6. 前記重合体(P)は、上記式(1)で表される部分構造を、前記重合体(P)を構成する単量体単位の全量に対して1モル%以上有する、請求項1に記載の液晶配向剤。
  7. 前記Aは芳香環を有し、当該芳香環にベンゾトリアゾール構造中の窒素原子が結合している、請求項1に記載の液晶配向剤。
  8. 請求項1~7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。
  9. 請求項8に記載の液晶配向膜を備える液晶素子。
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