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JP7410457B2 - ポリウレア共重合体、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

ポリウレア共重合体、液晶配向剤、液晶配向膜、及びそれを用いた液晶表示素子 Download PDF

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JP7410457B2 JP2020507907A JP2020507907A JP7410457B2 JP 7410457 B2 JP7410457 B2 JP 7410457B2 JP 2020507907 A JP2020507907 A JP 2020507907A JP 2020507907 A JP2020507907 A JP 2020507907A JP 7410457 B2 JP7410457 B2 JP 7410457B2
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Description

本発明は、ポリウレア共重合体、液晶配向剤、液晶配向膜、及びそれを用いた液晶表示素子に関する。
液晶表示素子において液晶配向膜は、液晶を一定の方向に配向させる役割を担う。現在、工業的に利用されている主な液晶配向膜は、ポリアミド酸(ポリイミド前駆体やポリアミック酸ともいわれる。)やポリイミド溶液からなるポリイミド系の液晶配向剤を基板に塗布し、焼成することで成膜される。また、基板面に対して液晶を平行配向又は傾斜配向させる場合、成膜した後、ラビングによる表面延伸処理(ラビング処理)が行われている。ラビング処理に代わる方法として、偏光紫外線の照射等による異方性光化学反応を利用する方法も提案されている。
液晶表示素子の表示特性の向上のために、数々の技術が提案されてきた。例えば、特許文献1(特開平2-287324号公報)では、高い電圧保持率(VHR)を得るために、特定の繰り返し構造を有するポリイミド樹脂を用いることが提案されている。また、特許文献2(特開平10-104633号公報)では、残像が消去されるまでの時間を短くするために、イミド基以外に窒素原子を有する可溶性ポリイミドを用いることが提案されている。
特開平2-287324号公報 特開平10-104633号公報
液晶配向膜に用いられる材料としては、ポリアミド酸やポリアミド酸エステル等のポリイミド前駆体や、それらを焼成により或いは化学反応により脱水することで得られるポリイミド等が挙げられる。このうち、ポリアミド酸は、その合成が容易であり、かつ溶媒への溶解性に優れるため、基板への塗布性・成膜性に優れる液晶配向剤を得ることができる。しかし、ポリアミド酸は、その構造上、加水分解等により分解しやすいため、これを用いて得た液晶配向膜では、長期に亘って信頼性(電圧保持率が高いこと、及び残留電圧が低いこと等)を確保することが難しい。
一方、可溶性ポリイミド(ポリアミド酸の脱水反応により得られる溶媒に可溶なポリイミド)は、化学的安定性・耐熱性に優れるため、可溶性ポリイミドを用いて得た液晶配向膜では、長期に亘って信頼性を確保しやすくなる。しかし、可溶性ポリイミドは、溶解させることができる溶媒の選択肢が少なく、それゆえに、使用できる溶媒が限られ、その結果、可溶性ポリイミドを用いる場合、塗布中・成膜中に析出等が生じ、塗膜に欠陥ができやすい。
ここで、電気抵抗の低いポリイミドを用いることで、得られる液晶表示膜の電気的特性を向上させるのに有利になる(例えば、液晶表示膜の蓄積電荷(電圧の印加を解除した後も電圧が残留し、その結果、蓄積する電荷をいう。)を緩和しやすくなる)場合がある。しかし、この場合、電荷移動錯体(CT錯体)が形成されることに起因して、液晶表示膜に着色が発生しやすくなるため、そのような液晶表示膜を用いて得られる液晶ディスプレイは、色再現性及びコントラストが低下しやすくなる。
近年、4Kや8K等の超高精細の液晶ディスプレイに対する需要は益々高まってきており、液晶ディスプレイに対して、高コントラスト、及び高い色再現性等が益々求められている。更に、量子ドット(QD)等を用いた液晶ディスプレイの研究も進んでいる。従って、液晶配向膜を形成する材料として、例えば、使用環境により画質の劣化や不具合が引き起こされにくい材料、低温での焼成が可能な材料、透明度の高い材料、及び高温・低温での焼き付きを防止することができる材料が求められるようになってきた。今後の更なる、液晶ディスプレイの多機能化・大型化・高精細化・使用環境の多様化等に伴い、それぞれの問題を解決するとともに、各種特性を向上させることができる手法の探索が求められている。
本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであって、その課題は、蓄積電荷の緩和が早い上、透明性をはじめとする各種特性に優れる液晶配向膜を提供することにある。また、上記液晶配向膜を用いた液晶表示素子を提供することにある。また、上記液晶配向膜を得ることができ、しかも、低温での焼成が可能、かつ印刷性(得られる重合体の、有機溶媒への溶解性)が良好である液晶配向剤を提供することにある、更に、上記液晶配向剤を得ることができるポリウレア共重合体を提供することにある。
本発明者は、鋭意研究した結果、特定の構造を有するポリウレア共重合体、及びそれを用いた液晶配向剤が、上記の目的を達成するために有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。なお、上記ポリウレア共重合体は新規であり、上記ポリウレア共重合体を得るためのモノマーも、新規化合物を含んでいる。
すなわち、本発明は以下1.~7.を要旨とする。
1. 下式(1)で表される構造を有する、ポリウレア共重合体。
Figure 0007410457000001
式中、Rは炭素数1~4のアルキル基を示し、分岐していてもよく、Rは水素原子、炭素数1~4の脂肪族炭化水素基、又は下式(1-1)で表される有機基を示す。Ra及びRbはそれぞれ独立して、水素原子、又は炭素数1~2の脂肪族炭化水素基を示す。Xは下式(S)で表される二価の有機基を示し、Yは二価の有機基を示す。
Figure 0007410457000002
式中、黒点は窒素原子への結合箇所を意味し、R、Ra及びRbは上記のR、Ra及びRbと同義である。
Figure 0007410457000003
式中、Q及びQは式(Q1-1)、式(Q1-2)及び単結合から選ばれる一種を示す。ただし、Q及びQの少なくとも1つは、(Q1-1)及び(Q1-2)から選ばれる一種を示す。q1とq2はそれぞれ独立に0又は1を示し、L及びLは水素原子を示す。ただし、Qが式(Q1-1)である場合は、L及びLは一緒になって単結合を形成してもよい。黒点は窒素原子への結合箇所を意味する。
Figure 0007410457000004
式中、Rは水素原子、t-ブトキシカルボニル基、又は炭素数1~6のアルキル基を示す。Rは、炭素数1~6のアルキル基を示す場合、分岐していてもよく、環を形成していてもよく、また不飽和結合を有していてもよい。Eは-NH-、-NMe-、-S-、又は-O-を示し、F及びGはそれぞれ独立して、CH、又は窒素原子を示す。
2. 前記Xは下式で表される二価の有機基を示す、1.に記載のポリウレア共重合体。
Figure 0007410457000005
式中、黒点は窒素原子への結合箇所を意味する。
3. 前記Yは前記式(S)で表される二価の有機基、又は下式(Q-1)で表される二価の有機基である、1.又は2.に記載のポリウレア共重合体。
Figure 0007410457000006
式中、Aは脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基の、2価の有機基を示し、B及びCはそれぞれ独立して、単結合、又は炭素数1~5の脂肪族炭化水素基を示す。黒点は窒素原子への結合箇所を意味する。
4. 前記Yは下式(Q-2)で表される二価の有機基である、1.~3.の何れか1つに記載のポリウレア共重合体。
Figure 0007410457000007
式中、Dは単結合、又は炭素数1~5の炭化水素基を示す。黒点は窒素原子への結合箇所を意味する。
5. 1.~4.の何れか1つに記載のポリウレア共重合体を用いた、液晶配向剤。
6. 5.に記載の液晶配向剤から得られる、液晶配向膜。
7. 6.に記載の液晶配向膜を用いた、液晶表示素子。
本発明によれば、蓄積電荷の緩和が早い上、透明性をはじめとする各種特性に優れる液晶表示膜を提供することができる。また、本発明によれば、上記液晶表示膜を用いた液晶表示素子を提供することができる。また、本発明によれば、上記液晶表示素子及び上記液晶配向膜を得ることができ、しかも、低温での焼成が可能、かつ印刷性が良好である液晶配向剤を提供することができる。更に、本発明によれば、上記液晶配向剤を得るための新規なポリウレア共重合体を提供することができる。
本発明の一態様であるポリウレア共重合体は、下式(1)で表される構造を有する。
Figure 0007410457000008
式中、Rは炭素数1~4のアルキル基を示し、分岐していてもよく、Rは水素原子、炭素数1~4の脂肪族炭化水素基、又は下式(1-1)で表される有機基を示す。Ra及びRbはそれぞれ独立して、水素原子、又は炭素数1~2の脂肪族炭化水素基を示す。Xは下式(S)で表される二価の有機基を示し、Yは二価の有機基を示す。
Figure 0007410457000009
式中、黒点は窒素原子への結合箇所を意味し、R、Ra及びRbは上記のR、Ra及びRbと同義である。
Figure 0007410457000010
式中、Q及びQは式(Q1-1)、式(Q1-2)及び単結合から選ばれる一種を示す。ただし、Q及びQの少なくとも1つは、(Q1-1)及び(Q1-2)から選ばれる一種を示す。q1とq2はそれぞれ独立に0又は1を示し、L及びLは水素原子を示す。ただし、Qが式(Q1-1)である場合は、L及びLは一緒になって単結合を形成してもよい。黒点は窒素原子への結合箇所を意味する。
Figure 0007410457000011
式中、Rは水素原子、t-ブトキシカルボニル基、又は炭素数1~6のアルキル基を示す。Rは、炭素数1~6のアルキル基を示す場合、分岐していてもよく、環を形成していてもよく、また不飽和結合を有していてもよい。Eは-NH-、-NMe-、-S-、又は-O-を示し、F及びGはそれぞれ独立して、CH、又は窒素原子を示す。
式(S)で表される有機基を有するポリウレア共重合体を用いることで、得られる液晶配向膜は、所望の特性(例えば、蓄積電荷の緩和が早い、透明性に優れる、等)を得やすくなる。
本発明の目的を達成しやすくする観点からは、式(1)中、Yは式(S)で表される二価の有機基、又は下式(Q-1)で表される二価の有機基であることが好ましく、Yは下式(Q-2)で表される二価の有機基であることがより好ましい。
Figure 0007410457000012
式中、Aは脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基の、2価の有機基を示し、B及びCはそれぞれ独立して、単結合、又は炭素数1~5の脂肪族炭化水素基を示す。黒点は窒素原子への結合箇所を意味する。
Figure 0007410457000013
式中、Dは単結合、又は炭素数1~5の炭化水素基を示す。黒点は窒素原子への結合箇所を意味する。
上記ポリウレア共重合体は、所定のジアミン誘導体(以下「ジアミン」と称することがある)と、所定のジイソシアネート誘導体(以下「ジイソシアネート」と称することがある)と、を反応させることで得ることができる。式(1)中、例えば、Xはジイソシアネートに由来し、Yはジアミンに由来する。従って、ポリウレア共重合体の原料となる、ジアミン及びジイソシアネートの構造に応じて、X及びYは種々な構造を採り得る。
<本発明で使用可能なジアミン(式(2)で表されるジアミン)>
本発明で使用可能なジアミンの一つは、式(2)で表される。
Figure 0007410457000014
式中、Aは脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基の、二価の有機基を示し、B及びCはそれぞれ独立して、単結合、又は炭素数1~5の脂肪族炭化水素基を示す。Rは炭素数1~4のアルキル基を示し、分岐していてもよい。Rは水素原子、炭素数1~4の脂肪族炭化水素基、又は式(1-1)で表される有機基を示す。Ra及びRbはそれぞれ独立して、水素原子、又は炭素数1~2の脂肪族炭化水素基を示す。
上記ジアミンを使用すれば、得られる液晶配向剤及び液晶配向膜は、目的とする特性を得やすくなると考えられる。モノマーの重合反応性や、耐熱性や液晶配向性に優れた液晶配向膜を得ることができる、等の観点からは、式(2)中、Aは芳香族炭化水素基、Bは炭素数1~3の脂肪族炭化水素基、Cは単結合、であると更に好ましい。式(2)の具体例としては、下式(3)が挙げられる。
Figure 0007410457000015
式中、Arはアリール基を示し、Dは単結合、炭素数1~5の炭化水素基を示す。R、R、Ra及びRbは上記のR、R、Ra及びRbと同義である。
ジアミンを合成するための試薬を入手するのが容易である、ジイソシアネートとの反応性が良好である、得られる上記ポリウレア共重合体の物性が良好になる、等の観点を鑑みた場合、式(3)中、Arはフェニル基が好ましく、Rは水素原子が好ましい。従って、式(3)は、好ましくは下式(3-a)´で表される構造である。なかでも、式(3)中、Ra及びRbはそれぞれ水素原子であることが好ましい。従って、式(3)は、特に好ましくは、式(3-a)で表される。なお、式(Q-2)は、例えば、式(3-a)に由来の構造である。
Figure 0007410457000016
式中、D及びRは上記のD及びRと同義である。
目的とするモノマーを好適に得ることができる、上記の特性のすべてが良好になりやすい、等の観点からは、上記式(3-a)´は、好ましくは下式(3-1)で表される。
Figure 0007410457000017
式中、B、R、Ra及びRbは上記のB、R、Ra及びRbと同義である。式(3-1)中、Bが炭素数1及び2であり、Ra及びRbがそれぞれ水素原子であると、式(3-1)は、式(3-1a)及び式(3-1b)で表される。
Figure 0007410457000018
式中、Rは上記のRと同義である。
上記ジアミンは、ポリウレア重合体の溶解性、液晶配向剤に含まれるワニスの保存安定性、液晶配向剤の印刷性、及び液晶配向膜にした際の信頼性等に重要な役割を担う。上記ジアミンの含有量は、本発明に使用するジアミン全量の内、例えば、10mol%~100mol%、より好ましくは、30mol%~70mol%程である。ただし、上記ジアミンは、ポリウレア重合体に含まれていればよく、その含有量は上記の値に限定されない。
また、式(2)で表されるジアミンの具体例は、式(3)で表されるジアミンに限定されない。本発明の効果(例えば、蓄積電荷の緩和が早い上、透明性をはじめとする各種特性に優れる液晶配向膜を得ることができること)が損なわれない範囲であれば、上記ポリウレア重合体を合成するにあたり、式(2)又は式(3)で表されるジアミンの一部を、後述する式(5)で表されるジアミンに置き換えてもよい。
<本発明で使用可能なジアミン(式(S)で表される構造を有するジアミン)>
本発明で使用可能なジアミンの一つは、式(S)で表される構造を有する。式(S)で表される構造を有するジアミンと、式(2)で表されるジアミンと、は併用することができる。
Figure 0007410457000019
式中、Q及びQは式(Q1-1)、式(Q1-2)及び単結合から選ばれる一種を示す。ただし、Q及びQの少なくとも1つは、(Q1-1)及び(Q1-2)から選ばれる一種を示す。q1とq2はそれぞれ独立に0又は1を示し、L及びLは水素原子を示す。ただし、Qが式(Q1-1)である場合は、L及びLは一緒になって単結合を形成してもよい。黒点は窒素原子への結合箇所を意味する。
Figure 0007410457000020
式中、Rは水素原子、t-ブトキシカルボニル基、又は炭素数1~6のアルキル基を示す。Rは、炭素数1~6のアルキル基を示す場合、分岐していてもよく、環を形成していてもよく、また不飽和結合を有していてもよい。Eは-NH-、-NMe-、-S-、又は-O-を示し、F及びGはそれぞれ独立して、CH、又は窒素原子を示す。
式(S)で表される構造を有するジアミンは、該構造を含んでいれば特に限定はない。ただし、そのジアミンを容易に合成することができる、そのジアミンを合成するための試薬を容易に入手することができる、そのジアミンの溶解性が高い、等の観点からは、特に好ましいジアミンの具体例は、式(S-4)~式(S-13)が挙げられる。
Figure 0007410457000021
なお、後述するジイソシアネートが式(S)で表される構造を有する場合、これらのジアミンは使用しなくてもよい。式(S)で表される構造をポリウレア共重合体に導入することで、液晶配向膜の抵抗率を下げることができ、また、液晶配向膜の蓄積電荷の緩和速度を早くすることができる。一方、その導入量が多くなり過ぎると、返って蓄積電荷の増加等を招くおそれもある。好ましい導入量としては0mol%~90mol%、より好ましくは30mol%~70mol%程である。使用するジアミンの種類によっては、その使用量を増減させることで、更に良好な特性を有する、液晶配向剤及び液晶配向膜を得ることができる可能性がある。
<本発明に使用可能なジイソシアネート>
本発明に使用可能なジイソシアネートは、式(4)で表される。
Figure 0007410457000022
式中、Xは2価の有機基を示す。Xは、例えば、ジアミンの項目で上述した式(S)で表される構造である。すなわち、本発明では、式(S)で表される構造を有するジイソシアネートを使用することができる。式(S)で表される構造を有するジイソシアネートは、式(S)で表される構造を有するジアミンにホスゲン等を反応させて誘導される。従って、式(S)で表される構造を有するジアミンを入手することができれば、上記ジイソシアネートは誘導可能である。
本発明の効果を得る上で、式(S)で表される構造が重要な役割を担う。そのため、ジイソシアネートを用いることで、式(S)で表される構造を導入する場合、その導入される量は限定されない。ただ、好ましい導入量としては10mol%~100mol%であり、より好ましくは50mol%~80mol%である。使用するジイソシアネートの種類によっては、その使用量を増減させることで、更に良好な特性を有する、液晶配向剤及び液晶配向膜を得ることができる可能性がある。なお、上記ジアミンが式(S)で表される構造を有する場合、これらのジイソシアネートは使用しなくてもよい。
<その他のジアミン>
上記ポリウレア共重合体を得るにあたり、本発明で使用可能な上記ジアミンの一部を、下式(5)で表されるジアミン(その他のジアミン)に置き換えてもよい。一般に、ジアミンは種類が豊富であり、また様々な機能を有する有機基を持つ化合物が多いため、他のジアミンを併用することで、上記ポリウレア共重合体に更なる効果を付与することができる場合がある。一方、その他のジアミンの導入量が多くなると、目的とする特性が得られなくなるおそれがあるため、その他のジアミンの導入率は、本発明で使用可能な上記ジアミンの全モルに対して、0~50mol%程度が好ましい。
Figure 0007410457000023
式中、Yは2価の有機基であり、Yの構造の例は、下式(Y-1)~式(Y-147)のように列挙されるが、これらに限定されない。Rはそれぞれ独立して、水素原子、メチル基、又はエチル基を示す。なお、ジアミンと、テトラカルボン酸二無水物と、の反応ではポリアミド酸を与え、ジアミンと、ジイソシアネートと、の反応ではポリウレアを与える。
Figure 0007410457000024
Figure 0007410457000025
Figure 0007410457000026
Figure 0007410457000027
式(Y-108)~式(Y-112)中、Aは炭素数2~24の、アルキル基又はフッ素含有アルキル基を示す。
Figure 0007410457000028
式(Y-113)~式(Y-114)中、Aは-O-、-OCH-、-CHO-、-COOCH-、又は-CHOCO-を示し、Aは炭素数1~22の、アルキル基、アルコキシ基、フッ素含有アルキル基又はフッ素含有アルコキシ基を示す。
Figure 0007410457000029
式(Y-115)~式(Y-117)中、Aは-COO-、-OCO-、-CONH-、-NHCO-、-COOCH-、-CHOCO-、-CHO-、-OCH-、又は-CH-を示し、Aは炭素数1~22の、アルキル基、アルコキシ基、フッ素含有アルキル基又はフッ素含有アルコキシ基を示す。
Figure 0007410457000030
式(Y-118)~式(Y-119)中、Aは-COO-、-OCO-、-CONH-、-NHCO-、-COOCH-、-CHOCO-、-CHO-、-OCH-、-CH-、-O-、又は-NH-を示し、Aはフッ素基、シアノ基、トリフルオロメタン基、ニトロ基、アゾ基、ホルミル基、アセチル基、アセトキシ基、又は水酸基を示す。
Figure 0007410457000031
式(Y-120)~式(Y-121)中、Aは炭素数3~12のアルキル基を示し、1,4-シクロヘキシレンのシス-トランス異性は、それぞれトランス異性体である。
Figure 0007410457000032
式(Y-122)~式(Y-123)中、Aは炭素数3~12のアルキル基を示し、1,4-シクロヘキシレンのシス-トランス異性は、それぞれトランス異性体である。
Figure 0007410457000033
式(Y-132)~式(Y-137)中、A12は-COO-、-OCO-、-CONH-、-NHCO-、-CH-、-O-、-CO-、又は-NH-を示し、A13は炭素数1~22の、アルキル基又はフッ素含有アルキル基を示す。
Figure 0007410457000034
式(Y-140)、式(Y-144)及び式(Y-145)中、nは1~10の整数を示す。
<その他のジイソシアネート>
上記ポリウレア共重合体を得るにあたり、本発明で使用可能なジイソシアネートの一部を、式(4-1)~式(4-11)及び式(4-13)で表されるジイソシアネート(その他のジイソシアネート)に置き換えてもよい。
Figure 0007410457000035
式(4-1)~式(4-5)で表される脂肪族ジイソシアネートを用いる場合は、式(4-6)~式(4-11)及び式(4-13)で表される芳香族ジイソシアネートを用いる場合に比べ、得られるポリウレア共重合体が溶媒に良好に溶解するようになる。一方、上記芳香族ジイソシアネートは、上記脂肪族ジイソシアネートに比べ、ジアミンと良好に反応する。例えば、式(4-6)や式(4-7)に示すような芳香族ジイソシアネートは、ジアミンと良好に反応し、得られる液晶配向膜の耐熱性を向上させることができる。
上記ポリウレア共重合体を得るのに汎用性が高い化合物である、得られる上記ポリウレア共重合体の特性が良好になる、等の観点からは、式(4)は、式(4-1)、式(4-7)、式(4-8)、式(4-9)、又は式(4-10)が好ましい。また、式(5)は、得られる液晶配向膜の液晶配向性が良好になる観点からは、式(4-13)が好ましい。
得たい特性に応じて、種々のその他のジイソシアネートを使用することができる。ただ、本発明で使用可能なジイソシアネートをその他のジイソシアネートに置き換える量が多過ぎると、目的とする特性が得られなくなる可能性があるため、その他のジイソシアネートの導入率は、本発明で使用可能な上記ジイソシアネートの全モルに対して、0~50mol%程が好ましい。
<反応溶液>
反応溶液(上記ポリウレア共重合体を得る為の反応に用いる有機溶媒)としては、上記ポリウレア共重合体が溶解する溶液であれば特に限定されない。その具体例としては、N,N-ジメチルホルムアミド、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、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルスルホキシド、γ-ブチロラクトン、イソプロピルアルコール、メトキシメチルペンタノール、ジペンテン、エチルアミルケトン、メチルノニルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソアミルケトン、メチルイソプロピルケトン、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトール、エチルカルビトール、エチレングリコール、エチレングリコールモノアセテート、エチレングリコールモノイソプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコール-tert-ブチルエーテル、ジプロピ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、ジエチレングリコールモノアセテート、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノアセテートモノメチルエーテル、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モノアセテートモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノプロピルエーテル、ジプロピレングリコールモノアセテートモノプロピルエーテル、3-メチル-3-メトキシブチルアセテート、トリプロピレングリコールメチルエーテル、3-メチル-3-メトキシブタノール、ジイソプロピルエーテル、エチルイソブチルエーテル、ジイソブチレン、アミルアセテート、ブチルブチレート、ブチルエーテル、ジイソブチルケトン、メチルシクロへキセン、プロピルエーテル、ジヘキシルエーテル、ジオキサン、n-へキサン、n-ペンタン、n-オクタン、ジエチルエーテル、シクロヘキサノン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、乳酸メチル、乳酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、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、ピルビン酸メチル、ピルビン酸エチル、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メチルエチル、3-メトキシプロピオン酸エチル、3-エトキシプロピオン酸、3-メトキシプロピオン酸、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、ジグライム、4-ヒドロキシ-4-メチル-2-ペンタノン、3-メトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミド、3-エトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミド、3-ブトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミドなどが挙げられる。これらは単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。上記ポリウレア共重合体が析出しない範囲であれば、上記ポリウレア共重合体を溶解させない溶液であっても、上記反応溶液に混合して使用することができる。
また、反応溶液中の水分は重合反応を阻害し、更には生成したポリウレア共重合体を加水分解させる原因となるので、脱水乾燥させた反応溶液を用いることが好ましい。ジイソシアネートとジアミンとを反応溶液中で反応させる際には、ジアミンを分散或いは溶解させた反応溶液を攪拌させ、ジイソシアネートをそのまま、又は反応溶液に分散或いは溶解させて添加する方法、逆にジイソシアネートを分散又は溶解させた反応溶液にジアミンを添加する方法、ジイソシアネートとジアミンとを反応溶液に交互に添加する方法等が挙げられ、これらの何れの方法を用いてもよい。
また、ジイソシアネート又はジアミンが複数種の化合物からなる場合は、予め混合した状態で反応させてもよく、個別に順次反応させてもよく、更に個別に反応させた低分子量体を混合反応させ高分子量体としてもよい。その際の重合温度は-20℃から150℃の任意の温度を選択することができるが、好ましくは-5℃から100℃の範囲である。また、反応は任意の濃度で行うことができるが、濃度が低すぎると高分子量のポリウレア共重合体を得ることが難しくなり、濃度が高すぎると反応溶液の粘性が高くなり過ぎて均一な攪拌が困難となるので、ジイソシアネートとジアミンの反応溶液中での合計濃度は、好ましくは1質量%から50質量%、より好ましくは5質量%から30質量%である。反応初期は高濃度で行い、その後、反応溶液を追加することもできる。
ポリウレアの重合反応においては、ジイソシアネートの合計モル数と、ジアミンの合計モル数と、の比は0.8から1.2であることが好ましい。通常の重縮合反応と同様、このモル比が1.0に近いほど、生成するポリウレア共重合体の分子量は大きくなる。
[ポリウレア共重合体の回収]
反応溶液から、生成した上記ポリウレア共重合体を回収するには、反応溶液を貧溶媒に投入して上記ポリウレア共重合体を沈殿させればよい。貧溶媒としては、メタノール、アセトン、ヘキサン、ブチルセロソルブ、ヘプタン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、エタノール、トルエン、ベンゼン、水等を挙げることができる。貧溶媒に投入して沈殿させた上記ポリウレア共重合体は、濾過して回収した後、常圧又は減圧下で、常温又は加熱して乾燥させることができる。また、回収した上記ポリウレア共重合体を有機溶媒に再溶解させ、再沈殿及び再回収する操作を2回から10回繰り返すと、上記ポリウレア共重合体中の不純物を少なくすることができる。この際の貧溶媒として、例えば、アルコール類、ケトン類、炭化水素等が挙げられ、これらの内から選ばれる3種以上の貧溶媒を用いると、精製の効率がより一層上がるので好ましい。
上記ポリウレア共重合体の分子量は、上記ポリウレア共重合体から得られる塗膜の強度、及び、塗膜を形成する時の作業の容易性、塗膜の膜厚の均一性、等を考慮した場合、GPC(Gel Permeation Chromatography)法で測定した重量平均分子量で5,000から1,000,000とするのが好ましく、より好ましくは、10,000から150,000である。
<液晶配向剤>
本発明の一態様である液晶配向剤は、液晶配向膜を形成するための塗布液であり、塗膜(樹脂被膜)を形成するための樹脂成分が有機溶媒に溶解している。樹脂成分は、少なくとも一種の上記ポリウレア共重合体を含む。液晶配向剤中の、樹脂成分の含有量は2質量%から20質量%が好ましく、より好ましくは3質量%から15質量%、特に好ましくは3質量%から10質量%である。本発明において、樹脂成分に含まれるポリウレア共重合体は、その全てが上記ポリウレア共重合体であってもよく、本発明の趣旨の範囲内であれば、それ以外の重合体(他の重合体)が含まれていてもよい。樹脂成分中、他の重合体の含有量は0.5質量%から15質量%、好ましくは1質量%から10質量%である。かかる他の重合体は、例えば、アクリルポリマー、メタクリルポリマー、ノボラック樹脂、ポリヒドロキシスチレン、ポリイミド前駆体、ポリイミド、ポリアミド、ポリエステル、セルロース、ポリシロキサン等が挙げられる。
上記液晶配向剤に用いる有機溶媒は、樹脂成分を溶解させる有機溶媒であれば特に限定されない。その具体例としては、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン、N-メチルカプロラクタム、2-ピロリドン、N-エチルピロリドン、N-ビニルピロリドン、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルスルホキシド、γ-ブチロラクトン、3-メトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミド、3-エトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミド、3-ブトキシ-N,N-ジメチルプロパンアミド、1,3-ジメチル-イミダゾリジノン、エチルアミルケトン、メチルノニルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソアミルケトン、メチルイソプロピルケトン、シクロヘキサノン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジグライム、4-ヒドロキシ-4-メチル-2-ペンタノン等が挙げられる。これらは単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。
上記液晶配向剤は、上記以外の成分を含有してもよい。その例としては、液晶配向剤を塗布して形成される塗膜の、膜厚の均一性や表面の平滑性を向上させる溶媒や化合物、又は、液晶配向膜と基板との密着性を向上させる化合物等である。
膜厚の均一性や表面の平滑性を向上させる溶媒(貧溶媒)としては、低表面張力を有する溶媒、例えば、イソプロピルアルコール、メトキシメチルペンタノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトール、エチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、エチレングリコール、エチレングリコールモノアセテート、エチレングリコールモノイソプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコール-tert-ブチルエーテル、ジプロピ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、ジエチレングリコールモノアセテート、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノアセテートモノメチルエーテル、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モノアセテートモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノプロピルエーテル、ジプロピレングリコールモノアセテートモノプロピルエーテル、3-メチル-3-メトキシブチルアセテート、トリプロピレングリコールメチルエーテル、3-メチル-3-メトキシブタノール、ジイソプロピルエーテル、エチルイソブチルエーテル、ジイソブチレン、アミルアセテート、ブチルブチレート、ブチルエーテル、ジイソブチルケトン、メチルシクロへキセン、プロピルエーテル、ジヘキシルエーテル、1-ヘキサノール、n-へキサン、n-ペンタン、n-オクタン、ジエチルエーテル、乳酸メチル、乳酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、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、ピルビン酸メチル、ピルビン酸エチル、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メチルエチル、3-メトキシプロピオン酸エチル、3-エトキシプロピオン酸、3-メトキシプロピオン酸、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、1-メトキシ-2-プロパノール、1-エトキシ-2-プロパノール、1-ブトキシ-2-プロパノール、1-フェノキシ-2-プロパノール、プロピレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールジアセテート、プロピレングリコール-1-モノメチルエーテル-2-アセテート、プロピレングリコール-1-モノエチルエーテル-2-アセテート、ジプロピレングリコール、2-(2-エトキシプロポキシ)プロパノール、乳酸メチルエステル、乳酸エチルエステル、乳酸n-プロピルエステル、乳酸n-ブチルエステル、乳酸イソアミルエステル等が挙げられる。これらの貧溶媒は1種でも複数種を混合して用いてもよい。上記貧溶媒を用いる場合は、液晶配向剤に含まれる有機溶媒全体の5質量%から80質量%であることが好ましく、より好ましくは20質量%から60質量%である。
膜厚の均一性や塗膜表面の平滑性を向上させる化合物としては、フッ素系界面活性剤、シリコーン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤等が挙げられる。より具体的には、例えば、エフトップEF301、EF303、EF352(トーケムプロダクツ社製)、メガファックF171、F173、R-30(大日本インキ社製)、フロラードFC430、FC431(住友スリーエム社製)、アサヒガードAG710、サーフロンS-382、SC101、SC102、SC103、SC104、SC105、SC106(旭硝子社製)等が挙げられる。これらの界面活性剤の使用割合は、液晶配向剤に含まれる樹脂成分の100質量部に対して、好ましくは0.01質量部から2質量部、より好ましくは0.01質量部から1質量部である。
液晶配向膜と基板との密着性を向上させる化合物の具体例としては、次に示す官能性シラン含有化合物やエポキシ基含有化合物などが挙げられる。例えば、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、2-アミノプロピルトリメトキシシラン、2-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-(2-アミノエチル)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-(2-アミノエチル)-3-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、3-ウレイドプロピルトリメトキシシラン、3-ウレイドプロピルトリエトキシシラン、N-エトキシカルボニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-エトキシカルボニル-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-トリエトキシシリルプロピルトリエチレントリアミン、N-トリメトキシシリルプロピルトリエチレントリアミン、10-トリメトキシシリル-1,4,7-トリアザデカン、10-トリエトキシシリル-1,4,7-トリアザデカン、9-トリメトキシシリル-3,6-ジアザノニルアセテート、9-トリエトキシシリル-3,6-ジアザノニルアセテート、N-ベンジル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-ベンジル-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-ビス(オキシエチレン)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-ビス(オキシエチレン)-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、エチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、トリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、グリセリンジグリシジルエーテル、2,2-ジブロモネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、1,3,5,6-テトラグリシジル-2,4-ヘキサンジオール、N,N,N’,N’,-テトラグリシジル-m-キシレンジアミン、1,3-ビス(N,N-ジグリシジルアミノメチル)シクロヘキサン、N,N,N’,N’,-テトラグリシジル-4、4’-ジアミノジフェニルメタンなどが挙げられる。
更に、基板と膜の密着性の向上に加え、バックライトによる光の照射が原因となる電気特性の低下等を防ぐ目的で、以下のようなフェノプラスト系の添加剤を添加してもよい。具体的なフェノプラスト系添加剤を以下に示すが、この構造に限定されない。
Figure 0007410457000036
基板と膜との密着性を向上させる化合物を使用する場合、その化合物の使用量は、液晶配向剤に含まれる樹脂成分の100質量部に対して0.1質量部から30質量部であることが好ましく、より好ましくは1質量部から20質量部である。使用量が上記値未満であると密着性が向上しにくくなり、上記値よりも多くなると液晶配向性が悪くなる場合がある。
上記液晶配向剤には、上記のような溶媒や化合物の他、本発明の効果が損なわれない範囲であれば、液晶配向膜の誘電率や導電性等の電気特性を変化させる目的で、誘電体や導電物質、更には、液晶配向膜にした際の膜の硬度や緻密度を高める目的で、所定の架橋性化合物を添加してもよい。
<液晶配向膜・液晶表示素子>
上記液晶配向剤を、基板上に塗布して焼成した後、ラビングや光照射等で配向処理をすることで、又は垂直配向用途等では配向処理無しで、本発明の一態様である液晶配向膜を得ることができる。基板としては、透明性の高いガラス基板、又はプラスチック基板(例えば、アクリル基板やポリカーボネート基板)等を用いることができる。また、液晶を駆動させるためのITO電極等が形成された基板を用いることが、液晶表示素子を製造するプロセスを簡素化させる観点から好ましい。また、反射型の液晶表示素子では、片側の基板にシリコンウエハー等の不透明な物でも使用でき、この場合の電極は、アルミ等の光を反射する材料も使用できる。液晶配向剤を塗布する方法は特に限定されないが、工業的には、スピンコート印刷、スクリーン印刷、オフセット印刷、フレキソ印刷、インクジェット印刷等が一般的である。その他の塗布方法としては、ディップ、ロールコーター、スリットコーター、スピンナー等があり、目的に応じてこれらの方法を用いてもよい。
焼成は、ホットプレート等の加熱手段により50℃から300℃、好ましくは80℃から250℃で行うことができる。液晶配向剤中の有機溶媒を蒸発させることで、塗膜を形成させることができる。塗膜の厚みは、厚すぎると液晶表示素子の消費電力が増えやすく、薄すぎると液晶表示素子の信頼性が低下する場合があるので、好ましくは5nmから300nm、より好ましくは10nmから150nmである。液晶を水平配向や傾斜配向させる場合は、焼成後の塗膜を、ラビング又は偏光紫外線照射等で配向処理する。
上記した手法により、上記液晶配向剤から、液晶配向膜付き基板を得た後、公知の方法で液晶セルを作製することで、本発明の一態様である液晶表示素子を得ることができる。液晶セルを作製する手法の一例としては、液晶配向膜の形成された1対の基板を用意し、片方の基板の液晶配向膜上にスペーサーを散布し、液晶配向膜面が内側になるようにして、もう片方の基板を貼り合わせ、液晶を減圧注入して封止する方法が挙げられる。又は、スペーサーを散布した液晶配向膜面に液晶を滴下した後に、基板を貼り合わせて封止を行う方法が挙げられる。このときのスペーサーの厚みは、好ましくは1μmから30μm、より好ましくは2μmから10μmである。上記液晶配向剤を用いて作製された上記液晶表示素子は、信頼性に優れるため、大画面で高精細の液晶テレビ等に好適に利用できる。
<ジアミンの合成>
合成例1
ethyl(4-aminobenzyl)glycinate[NG4ABA]の合成
Figure 0007410457000037
第1工程
窒素導入管と還流管を備えた1Lの4口フラスコに、グリシンエチル塩酸塩105.6g(0.757mol)、THF500g、トリエチルアミン93.6g(0.925mol)を加え、メカニカルスターラーを用いて室温で1時間撹拌した後、THFが還流する温度(設定70℃)で加熱し、4-ニトロベンジルブロミド50.0g(0.231mol)をTHF500.0gに溶解させてこれをゆっくり滴下し、滴下終了後、更に24時間反応させた。4-ニトロベンジルブロミドが消失した時点で反応終了とし、析出している固体を濾過により除去し、THFをロータリーエバポレーターで除去し、得られた粗物を酢酸エチル300.0gで再溶解させた。この溶液を純水100gで3回洗浄し、10%塩酸水溶液300gを加え、1時間撹拌し、水層側を回収して、その水層を酢酸エチル100gで3回洗浄した。水層に更に酢酸エチル300gを加え、炭酸カリウムをゆっくり加え、pHを10程にして1時間撹拌し、有機相側を回収し、純水100gで3回洗浄した。この有機相に無水硫酸マグネシウムを加えて乾燥させ、濾過し、活性炭を加えしばらく撹拌した後、濾過により活性炭を取り除き、ロータリーエバポレーターで溶媒を除去して、目的物(ニトロ体)である薄黄色の粘体46.0g(0.193mol)を得た。目的物が得られたことを、H-NMRで確認した。
H NMR (500MHz、CDCl):δ 8.2(2H)、7.53(2H)、4.22(2H)、3.93(2H)、3.42(2H)、1.89(1H)、1.27(3H)
第2工程
窒素導入管と撹拌子を備えた500mlの4口フラスコに、上記で得られたニトロ体45.0g(0.19mol)、THF300.0g、鉄ドープ型白金カーボン4.5gを加え、容器内を注意深く水素雰囲気下に置換し、室温で24時間反応させた。原料が消失した時点で反応終了とし、白金カーボンをメンブランフィルターで除去し、ろ液に活性炭(白鷺製)を加え、40℃で30分撹拌した。その後、再び濾過し、ロータリーエバポレーターで溶媒を除去した後、高真空ポンプで乾燥させ、目的物である薄黄色の粘体35.4g(0.17mol:収率89%)を得た。目的物(NG4ABA)が得られたことを、H-NMRで確認した。
H NMR (500MHz、CDCl):δ 6.99(2H)、6.63(2H)、4.15(2H)、3.70(2H)、3.38(2H)、3.00(2H)、1.24(3H)
合成例2
ethyl(4-aminophenethyl)glycinate[NG4APhA]の合成
Figure 0007410457000038
第1工程
窒素導入管と還流管を備えた1Lの4口フラスコに、4-ニトロフェネチルアミン塩酸塩50g(0.246mol)、THF500g、トリエチルアミン61.1g(0.604mol)を加え、メカニカルスターラーを用いて室温で1時間撹拌し、THFが還流する温度(設定70℃)で加熱し、2-クロロ酢酸エチル25.1g(0.205mol)をTHF300gに溶解させてこれをゆっくり滴下し、滴下終了後、更に24時間反応させた。2-クロロ酢酸エチルが消失(HPLCにて確認)した時点で反応終了とし、析出している固体を濾過により除去し、THFをロータリーエバポレーターで除去し、得られた粗物を酢酸エチル500gで再溶解させた。この溶液を純水100gで3回洗浄し、10%塩酸水溶液500gを加え、1時間撹拌し、水層側を回収して、その水層を酢酸エチル100gで3回洗浄した。水層に更に酢酸エチル500gを加え、炭酸カリウムをゆっくり加え、pHを10程にして1時間撹拌し、有機相側を回収し、純水100gで3回洗浄した。この有機相に無水硫酸マグネシウムを加えて乾燥させ、濾過し、活性炭を加えしばらく撹拌した後、濾過により活性炭を取り除き、ロータリーエバポレーターで溶媒を除去し、目的物である薄黄色の粘体34.2g(0.136mol:収率66%)を得た。目的物(ニトロ体)が得られたことを、H-NMRで確認した。
H NMR (500MHz、CDCl):δ 8.14(2H)、7.37(2H)、4.16(2H)、3.43(2H)、2.95(4H)、2.19(1H)、1.25(3H)
第2工程
窒素導入管と撹拌子を備えた500mlの4口フラスコに、上記で得られたニトロ体30.0g、THF300g、鉄ドープ型白金カーボン3.0gを加え、容器内を注意深く水素雰囲気下に置換し、室温で24時間反応させた。原料が消失した時点で反応終了とし、白金カーボンをメンブランフィルターで除去し、ろ液に活性炭(白鷺製)を加え、40℃で30分撹拌した。その後、再び濾過し、ロータリーエバポレーターで溶媒を除去した後、高真空ポンプで乾燥させ、目的物(NG4APhA)である薄黄色の粘体25.1g(0.113mol:収率95%)を得た。目的物が得られたことをH-NMRで確認した。
H NMR (500MHz、CDCl):δ 6.99(2H)、6.60(2H)、4.18(2H)、3.42(2H)、2.89(2H)、2.86(2H)、2.75(2H)、1.24(3H)
<略語>
液晶配向剤の調製で用いる略号は以下の通りである。
(ジイソシアネート)
Me-DIDPA:N,N-ビス(4-イソシアナトフェニル)-N-メチルアミン
Figure 0007410457000039
(ジアミン)
NG4ABA:エチル(4-アミノベンジル)グリシネート
NG4APhA:エチル(4-アミノフェネチル)グリシネート
DADPA:4,4’-ジアミノジフェニルアミン
Me-DADPA:N-メチル-4,4’-ジアミノジフェニルアミン
Me-DPPDA:N-メチル-2,5-ジ-4-アミノフェニルピロール
DA-2MG:1,2-ビス(4-アミノフェノキシ)エタン
Figure 0007410457000040
DADPA、Me-DADPA、Me-DPPDAは公知の化合物であり、文献記載の手法にて合成したものを用いた。
(テトラカルボン酸二無水物)
CBDA:1,2,3,4―シクロブタンテトラカルボン酸二無水物
13DMCBDA: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
Figure 0007410457000041
(溶媒)
NMP:N-メチル-2-ピロリドン
BCS:ブチルセロソルブ
GBL:γブチロラクトン
また、ポリイミドの分子量測定条件は、以下の通りである。
装置:センシュー科学社製 常温ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)装置(SSC-7200)
カラム:Shodex社製カラム(KD-803、KD-805)
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・HO)が30mmol/L、リン酸・無水結晶(o-リン酸)が30mmol/L、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(分子量約9000,000、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(分子量 約12,000、4,000、1,000)
<ポリウレア共重合体の合成>
実施例1
Me-DIDPA/NG4ABA、DADPA
窒素導入管と撹拌子を備えた50mlの2口フラスコに、Me-DIDPA4.22g(15.92mmol)を測り取り、NMP29.9gを加え溶解させ、NG4ABA1.49g(7.16mmol)を加え室温で1時間反応させ、更にDADPA1.59g(7.96mmol)を加え、窒素雰囲気40℃で10時間反応させた。これにより、濃度15質量%、粘度420mPas、のポリマー溶液を得た。撹拌子を備えた100mlの三角フラスコに、上記ポリマー溶液20.0gを測り取り、NMP15.0g、BCS15.0gを加え、室温で30分撹拌した。これにより、固形分6.0質量%、NMP64質量%、BCS30質量%、のポリウレア共重合体(ポリマー希釈溶液:P-1)を得た。
実施例2
Me-DIDPA/NG4ABA、Me-DADPA
窒素導入管と撹拌子を備えた50mlの2口フラスコに、Me-DIDPA4.22g(15.92mmol)を測り取り、NMP29.9gを加え溶解させ、NG4ABA1.59g(7.63mmol)を加え室温で1時間反応させ、更にMe-DADPA1.70g(7.96mmol)を加え、窒素雰囲気40℃で10時間反応させた。これにより、濃度15質量%、粘度380mPas、のポリマー溶液を得た。撹拌子を備えた100mlの三角フラスコに、上記ポリマー溶液20.0gを測り取り、NMP15.0g、BCS15.0gを加え、室温で30分撹拌した。これにより、固形分6.0質量%、NMP64質量%、BCS30質量%、のポリウレア共重合体(ポリマー希釈溶液:P-2)を得た。
実施例3
Me-DIDPA/NG4APhA、Me-DADPA
窒素導入管と撹拌子を備えた50mlの2口フラスコに、Me-DIDPA4.22g(15.92mmol)を測り取り、NMP30.5gを加え溶解させ、NG4APhA1.70g(7.63mmol)を加え室温で1時間反応させ、更にMe-DADPA1.70g(7.96mmol)を加え、窒素雰囲気40℃で24時間反応させた。これにより、濃度15質量%、粘度420mPas、のポリマー溶液を得た。撹拌子を備えた100mlの三角フラスコに、上記ポリマー溶液20.0gを測り取り、NMP15.0g、BCS15.0gを加え室温で30分撹拌した。これにより、固形分6.0質量%、NMP64質量%、BCS30質量%、のポリウレア共重合体(ポリマー希釈溶液:P-3)を得た。
実施例4
Me-DIDPA/NG4ABA、Me-DPPDA
窒素導入管と撹拌子を備えた50mlの2口フラスコに、Me-DIDPA4.22g(15.92mmol)を測り取り、NMP32.8gを加え溶解させ、NG4ABA1.59g(7.63mmol)を加え室温で1時間反応させ、更にMe-DPPDA2.09g(7.96mmol)を加え、窒素雰囲気23℃で24時間反応させた。これにより、濃度15質量%、粘度350mPas、のポリマー溶液を得た。撹拌子を備えた100mlの三角フラスコに、上記ポリマー溶液20.0gを測り取り、NMP15.0g、BCS15.0gを加え室温で30分撹拌した。これにより、固形分6.0質量%、NMP64質量%、BCS30質量%、のポリウレア共重合体(ポリマー希釈溶液:P-4)を得た。
比較例1
Me-DIDPA/Me-DADPA
窒素導入管と撹拌子を備えた50mlの2口フラスコに、Me-DIDPA4.22g(15.96mmol)を測り取り、NMP40.5gを加え溶解させ、Me-DADPA3.15g(14.78mmol)を加え、窒素雰囲気下40℃で24時間反応させた。しかし、反応進行に従い攪拌不可能になり、ポリマー希釈溶液(PRef-1)の調整はできなかった。
比較例2
CBDA/DADPA
窒素導入管と撹拌子を備えた50mlの2口フラスコに、DADPA4.00g(20.01mmol)を測り取り、NMP43.5gを加え溶解させ、CBDA3.67g(18.61mmol)を加え、窒素雰囲気23℃で24時間反応させた。これにより、濃度15質量%、粘度520mPas、のポリマー溶液を得た。撹拌子を備えた100mlの三角フラスコに、上記ポリマー溶液20.0gを測り取り、NMP15.0g、BCS15.0gを加え室温で30分撹拌した。これにより、固形分6.0質量%、NMP64質量%、BCS30質量%、の重合体(ポリマー希釈溶液:PRef-2)を得た。
比較例3
CBDA/Me-DADPA
窒素導入管と撹拌子を備えた50mlの2口フラスコに、Me-DADPA4.00g(18.75mmol)を測り取り、NMP42.04gを加え溶解させ、CBDA3.42g(17.44mmol)を加え、窒素雰囲気23℃で24時間反応させた。これにより、濃度15質量%、粘度440mPas、のポリマー溶液を得た。撹拌子を備えた100mlの三角フラスコに、上記ポリマー溶液20.0gを測り取り、NMP15.0g、BCS15.0gを加え室温で30分撹拌した。これにより、固形分6.0質量%、NMP64質量%、BCS30質量%、の重合体(ポリマー希釈溶液:PRef-3)を得た。
比較例4
CBDA、13DMCBDA/DA-2MG
窒素導入管と撹拌子を備えた50mlの2口フラスコに、DA-2MG4.00g(16.38mmol)を測り取り、NMP40.91gを加え溶解させ、13DMCBDA1.84g(8.19mmol)とCBDA1.38g(7.04mmol)を加え、窒素雰囲気23℃で24時間反応させた。これにより、濃度15質量%、粘度470mPas、のポリマー溶液を得た。撹拌子を備えた100mlの三角フラスコに、上記ポリマー溶液20.0gを測り取り、NMP15.0g、BCS15.0gを加え室温で30分撹拌した。これにより、固形分6.0質量%、NMP64質量%、BCS30質量%、の重合体(ポリマー希釈溶液:PRef-4)を得た。
<透過率の測定(膜の着色の評価)>
実施例で得られたポリウレア共重合体(P-1~P-4)及び比較例で得られた重合体(PRef-2~PRef-3)を、洗浄し乾燥させた石英ガラス基板(30mm×30mm、厚さ1.1mm)に、焼成後の膜厚が100nmの厚さになるようにスピンコート印刷により塗布し、ホットプレートで、80℃の温度で1分、220℃の温度で20分焼成した。これにより、透過率測定用のサンプル(透過率測定用の膜)を作成した。透過率の測定は、島津製作所製のUV-3600を用いて行い、350nm及び370nmの透過率と、UVスペクトルの吸収端の波長と、を評価することで、膜の着色を評価した。また、目視により色目を評価した。
評価結果を表1に示す。UV透過率の項目は、その数値が大きいほど、膜の着色度合いが小さいことを意味する。また、UV吸収端の項目は、その数値が大きいほど、膜の着色度合いが小さいことを意味する。
Figure 0007410457000042
実施例1~4(P-1~P-4)は、重合体全体におけるジフェニルアミン類の比率が比較例2~3(PRef-2~PRef-3)より多いにも関わらず、得られた膜は無色であった。つまり、実施例1~4のポリウレア共重合体を用いることで、比較例2~3の重合体を用いる場合と比べて、透明性の高い膜が得られることが確認された。実施例1~4のポリウレア共重合体を用いて得られた膜と、比較例2~3の重合体を用いて得られた膜と、では、UV透過率及びUV吸収端でも差がみられ、特に、目視で観察した際は色の違いは顕著であった。
<液晶配向剤の調製>
実施例5
撹拌子を備えた50mlの三角フラスコに、実施例1で得られたポリウレア共重合体(P-1)21.0g、及び比較例4で得られた重合体(PRef-4)9.0gを測り取り、30分間攪拌した。これにより、ポリウレア共重合体(P-1)と重合体(PRef-4)の質量比が7:3の、液晶配向剤(AL-1)を得た。
実施例6
撹拌子を備えた50mlの三角フラスコに、実施例2で得られたポリウレア共重合体(P-2)21.0g、及び比較例4で得られた重合体(PRef-4)9.0gを測り取り、30分間攪拌した。これにより、ポリウレア共重合体(P-2)と重合体(PRef-4)の質量比が7:3の、液晶配向剤(AL-2)を得た。
実施例7
撹拌子を備えた50mlの三角フラスコに、実施例3で得られたポリウレア共重合体(P-3)21.0g、及び比較例4で得られた重合体(PRef-4)9.0gを測り取り、30分間攪拌した。これにより、ポリウレア共重合体(P-3)と重合体(PRef-4)の質量比が7:3の、液晶配向剤(AL-3)を得た。
実施例8
撹拌子を備えた50mlの三角フラスコに、実施例4で得られたポリウレア共重合体(P-4)21.0g、及び比較例4で得られた重合体(PRef-4)9.0gを測り取り、30分間攪拌した。これにより、ポリウレア共重合体(P-4)と重合体(PRef-4)の質量比が7:3の、液晶配向剤(AL-4)を得た。
比較例5
撹拌子を備えた50mlの三角フラスコに、比較例2で得られた重合体(PRef-2)21.0g、及び比較例4で得られた重合体(PRef-4)9.0gを測り取り、30分間攪拌した。これにより、重合体(PRef-2)と重合体(PRef-4)の質量比が7:3の、液晶配向剤(AL-5)を得た。
比較例6
撹拌子を備えた50mlの三角フラスコに、比較例3で得られた重合体(PRef-3)21.0g、及び比較例4で得られた重合体(PRef-4)9.0gを測り取り、30分間攪拌した。これにより、重合体(PRef-3)と重合体(PRef-4)の質量比が7:3の、液晶配向剤(AL-6)を得た。
実施例5~8の液晶配向剤(AL-1~AL-4)及び比較例5~6の液晶配向剤(AL-5~AL-6)を用いて、下記手法に基づき、液晶配向膜を評価した。
<白化耐性及び塗布性(印刷性)の評価>
得られた液晶配向剤を、よく洗浄したCr基板にそれぞれ1滴たらし、室温25℃、湿度60%で放置して、白くなる(白化する)までの時間を測定した。測定した時間に基づき、白化耐性を評価した。
液晶配向剤を1.0μmのフィルターで濾過した後、洗浄したCr板上に配向膜印刷機(日本写真印刷社製「オングストローマー」)を用いてフレキソ印刷を行うことにより、塗布性試験を行った。
アニロックスロールに約1.0mlの液晶配向剤を滴下し、空運転を10回実施した後、10分間印刷機を止め、印刷版を乾燥させた。その後、Cr基板1枚に印刷を行い、印刷後の基板を70℃のホットプレート上に5分間放置して、塗膜の仮乾燥を行い、膜状態を観察した。目視と、光学顕微鏡(ニコン社製「ECLIPSE ME600」)での倍率50倍とで、主に膜厚ムラやエッジ部の膜厚ムラを観察した。
<ラビング耐性の評価>
液晶配向剤を1.0μmのフィルターで濾過した後、電極付き基板(横30mm×縦40mmの大きさで、厚さが1.1mmのガラス基板。電極は幅10mm×長さ40mmの矩形で、厚さ35nmのITO電極)に、スピンコート印刷により塗布した。80℃のホットプレート上で5分間乾燥させた後、220℃のIR式オーブンで20分間焼成を行い、膜厚100nmの塗膜を形成させた。この膜をレーヨン布(吉川化工製YA-20R)でラビング(ローラー直径:120mm、ローラー回転数:1000rpm、移動速度:20mm/sec、押し込み長:0.5mm)した後、膜の表面を共焦点レーザー顕微鏡により観察した。膜の剥離が見られず、かつ膜上に削れカスや傷が多く見られない場合は「良好」と評価し、何らかの不具合が確認された場合は「不良」と評価した。
<電圧保持率>
[液晶配向性の観察、及び液晶セルの作製]
液晶配向剤を1.0μmのフィルターで濾過した後、電極付き基板(横30mm×縦40mmの大きさで、厚さが1.1mmのガラス基板。電極は幅10mm×長さ40mmの矩形で、厚さ35nmのITO電極)に、スピンコート印刷により塗布した。50℃のホットプレート上で5分間乾燥させた後、180℃のIR式オーブンで20分間焼成を行い、膜厚100nmの塗膜を形成させた。この膜をレーヨン布(吉川化工製YA-20R)でラビング(ローラー直径:120mm、ローラー回転数:1000rpm、移動速度:20mm/sec、押し込み長:0.4mm)した後、純水中で1分間、超音波を照射して洗浄し、エアブローで水滴を除去した後、80℃で15分間乾燥して液晶配向膜付き基板を得た。
上記の液晶配向膜付き基板を2枚用意し、その1枚の液晶配向膜面上に4μmのスペーサーを散布した後、その上からシール剤を印刷し、もう1枚の基板をラビング方向が逆方向、かつ膜面が向き合うようにして張り合わせた後、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、MLC-2041(メルク株式会社製)を注入し、注入口を封止して液晶セルを得た。その後、液晶配向性を観察した後、液晶セルを110℃で1時間加熱し、23℃で一晩放置し、電圧保持率測定用の液晶セルを得た。
上記の手順で得られた電圧保持率測定用の液晶セルを用いて、60℃の温度下で1Vの電圧を60μs間印加し、166.7ms後の電圧を測定し、電圧がどのくらい保持できているかを電圧保持率として計算した。なお、電圧保持率の測定には東陽テクニカ社製のVHR-1電圧保持率測定装置を使用した。
[RDC(残留電圧:電圧の印加を解除した後も残留する電圧をいう)の蓄積に関する特性、及び蓄積電荷の緩和に関する特性の測定]
上記の電圧保持率測定用の液晶セルを、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、画素電極と対向電極とを短絡して同電位にした状態で、2枚の偏光板の下からLEDバックライトを照射しておき、2枚の偏光板の上で測定した輝度(LEDバックライトを透過する光の輝度)が最小となるように、液晶セルの角度を調節した。
次に、この液晶セルに周波数30Hzの矩形波を印加しながら、23℃の温度下でのV-T特性(電圧-透過率特性)を測定し、相対透過率が23%となる交流電圧を算出した。この交流電圧は、電圧に対する輝度の変化が大きい領域に相当するため、RDCを評価するのに都合がよい。
次に、相対透過率が23%となる交流電圧で、なおかつ周波数30Hzの矩形波を印加しながら、+3.0Vの直流電圧を重畳し1時間駆動させ、1時間後のフリッカー(チラつき)のレベルを測定し、それをRDCの蓄積レベルに変換することで、蓄積電荷の量を見積もった。その後、直流電圧を切り、再び相対透過率が23%となる交流電圧で、なおかつ周波数30Hzの矩形波のみを30分間印加し、このときに発生するフリッカーのレベルと、そのフリッカーが発生しなくなるまでの時間(回復時間)を測定した。
蓄積電荷の緩和が速いほど、上記回復時間が短く、すなわち、RDCの緩和特性が良好である。なお、フリッカーの強度の算出は、フォトダイオードとAC-DCコンバータを用いて輝度を直流電圧に変換し、これをオシロスコープで読み取ることで行うことができる。フリッカーが発生した場合、30Hzの矩形波に相関した交流電圧としてモニターされるため、この交流電圧が直流になる時間を、RDCの緩和時間とみなすことができる。各種評価の結果を表2及び表3に示す。
Figure 0007410457000043
Figure 0007410457000044
なお、実施例1~4で得られたポリウレア共重合体(P-1~P-4)及び比較例2~3で得られた重合体(PRef-2~PRef-3)は、液晶配向性に乏しい。そのため、液晶配向性の評価を実施できるよう、便宜上、高配向成分として重合体(PRef-4)を配合した、実施例5~8の液晶配向剤(AL-1~AL-4)及び比較例5~6の液晶配向剤(AL-5~AL-6)を得ている。従って、実施例5~8において、重合体(PRef-4)を配合せずに液晶配向剤を得ることも可能であり、この場合の液晶配向剤であっても、例えば表3に示すような各種特性に優れると推察される。
実施例5~8の液晶配向剤(AL-1~AL-4)は、ポリアミック酸とは大きく構造が異なるにもかかわらず、ポリアミック酸との相溶性がよく、それに伴いフレキソ印刷による塗布性(印刷性)も良好であった。しかも、それらの液晶配向剤(AL-1~AL-4)を用いて得られた液晶配向膜は、白化・凝集が起こりにくいことが確認された。
ポリアミック酸については、ジアミンと酸二無水物との平衡状態にあること、及び加熱により該ポリアミック酸の一部分解を伴うこと、が知られており、特にRDCの高速緩和を示す材料を用いると、得られる液晶配向膜の電圧保持率(VHR)が悪化する傾向にある。しかし、本発明の一態様であるポリウレア共重合体は加熱による分解を伴わないため、高いVHRを示したと考えられる。
更に、実施例1~4で得られたポリウレア共重合体を用いて得られた液晶配向膜は、比較例と比べて低着色にも関わらず、RDCの蓄積を抑制できる点では、比較例と同様、又はそれ以上に良好である特性を示した。信頼性の悪い材料の場合、イオン性の不純物が液晶と配向膜界面に蓄積し、電気二重層のような状態を形成することが考えられ、RDCが緩和した後、再度蓄積するような挙動が確認されることがある。しかし、実施例5~8の液晶配向剤を用いて得られた液晶配向膜には、それが見られなかった。なお、実施例5~8の何れの液晶配向剤を用いても、液晶配向膜及び液晶表示素子を好適に得ることができた。
本発明の液晶配向剤を用いて作製した液晶表示素子は、色再現性がよく、信頼性の高い液晶表示デバイスとすることができ、TN液晶表示素子、STN液晶表示素子、TFT液晶表示素子、VA液晶表示素子、IPS液晶表示素子、OCB液晶表示素子など、種々の方式による表示素子に好適に用いることができる。

Claims (6)

  1. 下式(1)で表される構造を有する、ポリウレア共重合体。
    Figure 0007410457000045
    式中、Rは炭素数1~4のアルキル基を示し、分岐していてもよく、Rは水素原子、炭素数1~4の脂肪族炭化水素基、又は下式(1-1)で表される有機基を示す。Ra及びRbはそれぞれ独立して、水素原子、又は炭素数1~2の脂肪族炭化水素基を示す。Xは下式(S)で表される二価の有機基を示し、Yは下式(S)で表される二価の有機基、又は下式(Q-1)で表される二価の有機基を示す。
    Figure 0007410457000046
    式中、黒点は窒素原子への結合箇所を意味し、R、Ra及びRbは上記のR、Ra及びRbと同義である。
    Figure 0007410457000047
    式中、Q及びQは式(Q1-1)、式(Q1-2)及び単結合から選ばれる一種を示す。ただし、Q及びQの少なくとも1つは、(Q1-1)及び(Q1-2)から選ばれる一種を示す。q1とq2はそれぞれ独立に0又は1を示し、q1とq2がともに0である場合、Q は(Q1-1)及び(Q1-2)から選ばれる一種であり、及びLは水素原子を示す。ただし、Qが式(Q1-1)である場合は、L及びLは一緒になって単結合を形成してもよい。黒点は窒素原子への結合箇所を意味する。
    Figure 0007410457000048
    式中、Rは水素原子、t-ブトキシカルボニル基、又は炭素数1~6のアルキル基を示す。Rは、炭素数1~6のアルキル基を示す場合、分岐していてもよく、環を形成していてもよく、また不飽和結合を有していてもよい。Eは-NH-、-NMe-、-S-、又は-O-を示し、F及びGはそれぞれ独立して、CH、又は窒素原子を示す。
    Figure 0007410457000049
    式中、Aは脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基の、2価の有機基を示し、B及びCはそれぞれ独立して、単結合、又は炭素数1~5の脂肪族炭化水素基を示す。黒点は窒素原子への結合箇所を意味する。
  2. 前記Xは下式で表される二価の有機基を示す、請求項1に記載のポリウレア共重合体。
    Figure 0007410457000050
    式中、黒点は窒素原子への結合箇所を意味する。
  3. 前記Yは下式(Q-2)で表される二価の有機基である、請求項1又は2に記載のポリウレア共重合体。
    Figure 0007410457000051
    式中、Dは単結合、又は炭素数1~5の炭化水素基を示す。黒点は窒素原子への結合箇所を意味する。
  4. 請求項1~の何れか1項に記載のポリウレア共重合体を用いた、液晶配向剤。
  5. 請求項に記載の液晶配向剤から得られる、液晶配向膜。
  6. 請求項に記載の液晶配向膜を用いた、液晶表示素子。
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