JP2003003170A - 液晶素子及び液晶組成物 - Google Patents

液晶素子及び液晶組成物

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JP2003003170A
JP2003003170A JP2001189996A JP2001189996A JP2003003170A JP 2003003170 A JP2003003170 A JP 2003003170A JP 2001189996 A JP2001189996 A JP 2001189996A JP 2001189996 A JP2001189996 A JP 2001189996A JP 2003003170 A JP2003003170 A JP 2003003170A
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meth
acrylate
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compound
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JP2001189996A
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Hideya Murai
秀哉 村井
Tomohisa Goto
智久 五藤
Goro Saito
悟郎 齋藤
Hiroji Mimura
広二 三村
Shinichi Uehara
伸一 上原
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低駆動電圧で、均一で、反射率を大きくする
ことのできる液晶素子及びそれに適する液晶組成物を提
供する。 【解決手段】 2枚の基板間に、液晶材料と光反応性材
料とを含有する液晶組成物が挟持されるとともに、前記
液晶材料と前記光反応性材料が周期構造をなして存在し
ている液晶素子であって、該光反応性材料が、トリフル
オロメチル基を有する(メタ)アクリレート化合物及び
特定の単官能(メタ)アクリレート化合物からなる群か
ら選択される少なくとも1つの化合物を含むことを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、液晶素子、及び、
液晶素子を作製するための液晶組成物に関するものであ
り、より詳細には反射型ディスプレイや光スイッチとし
て使用される、特定の波長の光を選択的に反射、透過ま
たは回折する液晶素子及びそれに適する液晶組成物に関
する。
【0002】
【従来の技術】従来より液晶素子としては、液晶材料と
光反応性材料とを含む液晶組成物に光を照射することに
より作製できる、液晶と高分子等の固体材料からなる透
過−散乱切り替え型の高分子分散液晶(PDLC)と呼
ばれる液晶素子が知られている。このようなPDLCの
一種類としては、照射光にレーザー光等の干渉性の光を
使用して、液晶材料と光反応性材料とからなる周期構造
を作製し、特定の光を反射、透過または回折する液晶素
子も知られている(特開平6−294952号公報参
照)。
【0003】このような液晶材料と光反応性材料とから
なる周期構造を有する液晶素子を使用した例としては、
光スイッチ(特開平5−173196号公報参照)、液
晶ディスプレイ(特開平6−294952号公報参照)
が知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】液晶材料と光反応性材
料とが周期構造(層構造)をなして存在し、特定の波長
の光を選択的に反射、透過または回折する液晶素子にお
いて、光反応性材料としては、ラックストラックLA0
208などの光硬化性樹脂、ビフェニルメタクリレート
誘導体(特開平7−101904号公報参照)、クオタ
ーフェニル誘導体(特開平8−81416号公報参
照)、アクリル酸エステル化合物(特開平8−1105
15号公報及び特開平11−302654号公報参照)
等が提案されている。しかしながら、これらの光反応性
材料によっても、液晶素子の反射率は充分ではなく、ま
た駆動電圧も幾分高いものであった。これは、液晶材料
と光反応性材料とからなる周期構造が可視光の半波長以
下という微細な構造であるため、このような微細な構造
を良好に作るのが難しく、それによって良好な反射特性
が得られていないためと考えられる。
【0005】また、この様な液晶素子においては、可視
光の半波長以下という微細な層構造に液晶組成物が閉じ
こまれているために、駆動電圧は5μm厚のセルにおい
ても100V以上と一般には著しく高くなってしまうた
め、高い反射率と低い駆動電圧が両立させるのが困難で
あった。
【0006】更には、表示面積の大きな液晶素子を作製
するためには、短期間で注入ができる、気泡が残らない
等の理由で、真空下で液晶材料と光反応性材料とからな
る液晶組成物をセルに注入する必要があるが、揮発性の
高い材料を含む光反応性材料を使用すると注入不良、反
射特性、駆動特性の不均一性等の問題生じ、均一で高反
射率な素子が得られないという問題もあった。
【0007】本発明はこれらの課題を解決するためにな
されたものであり、低駆動電圧で、均一で、反射率を大
きくすることのできる液晶素子及びそれに適する液晶組
成物を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者等は鋭意検討し
た結果、液晶材料と、光反応性材料として特定の構造を
有する(メタ)アクリレート化合物とを含有する液晶組
成物を使用し、液晶材料と光反応性材料が周期構造をな
して存在する液晶素子とすることによって、上記目的を
達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、下記の通りである。
【0009】(1) 2枚の基板間に、液晶材料と光反
応性材料とを含有する液晶組成物が挟持されるととも
に、前記液晶材料と前記光反応性材料が周期構造をなし
て存在している液晶素子であって、前記光反応性材料
が、トリフルオロメチル基を有する(メタ)アクリレー
ト化合物及び下記一般式(III)〜(VII)の単官
能(メタ)アクリレート化合物からなる群から選択され
る少なくとも1つの化合物を含むことを特徴とする液晶
素子。
【0010】
【化5】
【0011】(2) 前記光反応性材料が、トリフルオ
ロメチル基を有する(メタ)アクリレート化合物の少な
くとも一種と、前記一般式(III)〜(VII)の単
官能(メタ)アクリレート化合物から選択される少なく
とも1つの化合物とを含むことを特徴とする、上記
(1)に記載の液晶素子。 (3) 前記トリフルオロメチル基を有する(メタ)ア
クリレート化合物が、更に水酸基を有することを特徴と
する、上記(1)又は(2)に記載の液晶素子。 (4) 前記トリフルオロメチル基を有する(メタ)ア
クリレート化合物が、複数のアクリレート基又はメタク
リレート基を有することを特徴とする、上記(1)〜
(3)のいずれかに記載の液晶素子。
【0012】(5) 前記トリフルオロメチル基を有す
る(メタ)アクリレート化合物が、下記一般式(I)で
表わされる化合物であることを特徴とする、上記(1)
〜(4)のいずれかに記載の液晶素子。
【0013】
【化6】
【0014】(6) 前記トリフルオロメチル基を有す
る(メタ)アクリレート化合物が、下記一般式(II)
で表わされる化合物であることを特徴とする、上記
(1)〜(4)のいずれかに記載の液晶素子。
【0015】
【化7】
【0016】(7) 液晶組成物と光反応性材料とを含
有する液晶組成物であって、前記光反応性材料が、トリ
フルオロメチル基を有する(メタ)アクリレート化合物
の少なくとも一種と、一般式(III)〜(VII)の
単官能(メタ)アクリレート化合物から選択される少な
くとも1つの化合物とを含むことを特徴とする液晶組成
物。
【0017】
【化8】
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の液晶素子は、2枚の基板間に、液晶材料と光反
応性材料とを含有する液晶組成物が挟持されるととも
に、前記液晶材料と前記光反応性材料が周期構造をなし
て存在している液晶素子であって、光反応性材料が、ト
リフルオロメチル基を有する(メタ)アクリレート化合
物及び前記一般式(III)〜(VII)の単官能(メ
タ)アクリレート化合物からなる群から選択される少な
くとも1つの化合物を含むことを要件とする。尚、本発
明において、(メタ)アクリレート化合物は、アクリレ
ート化合物および/またはメタクリレート化合物を意味
する。また本発明で言う光反応性材料とは、光照射によ
り反応するものであり、光照射後には反応性の大半を失
うと考えられる。従って、液晶組成物を使用して液晶素
子とし、干渉性の光を照射し、液晶と層構造を生成した
後においては、光反応性材料は高分子化合物等になって
おりほとんど光反応性を失っていると考えられる。
【0019】トリフルオロメチル基を有する(メタ)ア
クリレート化合物としては、例えば、2−(パーフルオ
ロデシル)エチルアクリレート、2−(パーフルオロ−
9−メチルオデシル)エチルアクリレート、3−パーフ
ルオロオクチル−2−ヒドロシキプロピルアクリレート
等が挙げられる。
【0020】これら化合物は、トリフルオロメチル基を
有していれば、その他如何なる官能基を更に有していて
もよいが、更に水酸基を有しているのが好ましい。アク
リレート基又はメタクリレート基は、少なくとも1つ有
していればよいが、好ましくは2つ以上、更に好ましく
は4つ以上の複数有しているのが好ましい。
【0021】好ましくは、下記一般式(I)で表わされ
る化合物であり、中でも好ましくは下記一般式(II)
で表わされる化合物である。
【0022】
【化9】
【0023】
【化10】
【0024】液晶組成物を構成する光反応性材料に、こ
れらの特定の(メタ)アクリレート化合物を含有させる
ことによって、この液晶組成物を用いて液晶素子とした
場合に低駆動電圧の液晶素子を得ることができる。理由
は明確ではないが、トリフルオロメチル基を有する(メ
タ)アクリレート化合物では、トリフルオロメチル基は
フッ素原子の割合が多いため、トリフルオロメチル基の
存在により、光反応性材料と液晶との相互作用が弱くな
り、駆動電圧が低下するものと考えられる。更に、光反
応性材料としてトリフルオロメチル基のほか水酸基を有
する(メタ)アクリレート化合物を使用することによ
り、反射特性のより優れた液晶素子が得られる。この理
由も明確ではないが、液晶材料と光反応性材料とからな
る可視光の半波長以下という微細な層構造を作るために
は、液晶材料と光反応性材料の相溶性が優れていること
が必要であり、トリフルオロメチル基のほか水酸基を有
する(メタ)アクリレート化合物では、トリフルオロメ
チル基による低駆動電圧化とともに、極性基である水酸
基が入ることにより、液晶材料等との相溶性がより改善
され、良好な層構造、従って良好な反射構造が得られる
と考えられる。
【0025】液晶組成物を構成する光反応性材料とし
て、前記一般式(III)〜(VII)の単官能(メ
タ)アクリレート化合物を含有させた場合には、一般的
な単官能(メタ)アクリレート化合物で生じることの多
い、表示面積の大きな液晶素子を作製する等のために真
空下で液晶材料と光反応性材料とからなる液晶組成物を
セルに注入すると、真空注入時に揮発し、組成物の組成
が変化し、注入不良、反射特性、駆動特性が不均一とな
る等の問題は殆ど生じない。即ち、一般式(III)〜
(VII)の単官能(メタ)アクリレート化合物は、液
晶材料と光反応性材料とからなる液晶組成物の粘度を下
げ、液晶素子とした場合の駆動電圧を下げるのは勿論の
こと、揮発性が低く真空注入においても組成物の組成が
変化することがないため、均一で反射特性等の優れた液
晶素子が得られるのである。
【0026】液晶組成物に使用される光反応性材料に
は、上記に説明したトリフルオロメチル基を有する(メ
タ)アクリレート化合物及び上記一般式(III)〜
(VII)の単官能(メタ)アクリレート化合物からな
る群から選択される少なくとも1つの化合物が含まれれ
ばよいが、トリフルオロメチル基を有する(メタ)アク
リレート化合物の少なくとも一種と、前記一般式(II
I)〜(VII)の単官能(メタ)アクリレート化合物
から選択される少なくとも1つの化合物の両種を含むの
が好ましい。更には、トリフルオロメチル基と水酸基を
有する(メタ)アクリレート化合物の少なくとも一種
と、前記一般式(III)〜(VII)の単官能(メ
タ)アクリレート化合物から選択される少なくとも1つ
の化合物の両種を含むのが好ましい。トリフルオロメチ
ル基(及び更には水酸基)を有する(メタ)アクリレー
ト化合物と、前記一般式(III)〜(VII)の単官
能(メタ)アクリレート化合物との両方を含む場合に
は、真空注入が容易で、なおかつ、より駆動電圧が低
く、反射特性に優れた素子を得ることができる。尚、光
反応性材料として、上記両種の化合物を併用する場合、
その含有割合は、特に限定されるものではないが、トリ
フルオロメチル基(及び更には水酸基)を有する(メ
タ)アクリレート化合物:前記一般式(III)〜(V
II)の単官能(メタ)アクリレート化合物が、50:
50〜80:20であるのが好ましい。
【0027】液晶組成物における光反応性材料は、上記
の特定の(メタ)アクリレート化合物のみで構成されて
いてもよいが、本発明の効果を損なわない程度に他の一
般的な反応性材料を含有していてもよい。他の一般的な
反応性材料としては、限定されるものではないが、揮発
性が低く、真空注入においても組成ぶれによる不均一性
を生じないものが望ましく、具体的には、グリセリンプ
ロピレンオキサイドトリアクリレート、ネオペンチルグ
リコールジアクリレート、トリメチロールプロパントリ
アクリレート等が挙げられる。
【0028】光反応性材料として、他の一般的な反応性
材料を含有させる場合は、上記特定の(メタ)アクリレ
ート化合物を、液晶材料と光反応性材料の総量に対し
て、10重量%〜80重量%であることが望ましい。1
0重量%未満である場合には、良好な反射等が得にく
く、また、80重量%を超える場合は、素子の駆動電圧
が高くなる傾向がある。
【0029】液晶組成物における液晶材料としては、限
定されるものではないが、ネマティック液晶、スメクチ
ック液晶、双安定液晶等が挙げられる。
【0030】液晶組成物において、液晶材料と光反応性
材料の含有割合は、限定されるものではないが、20:
80〜70:30であるのが好ましく、より好ましくは
30:70〜60:40であり、とりわけ好ましくは4
0:60〜50:50である。液晶組成物は、上記した
液晶材料及び光反応性材料から基本的に構成されるが、
それ以外の成分を含んでいてもよい。その他の成分とし
ては、光重合開始剤、色素増感剤、カイラル剤等が挙げ
られる。
【0031】光重合開始剤としては、アセトフェノン
系、ベンゾイン系、ベンゾフェノン系、チオキサンソン
系等の通常の光重合開始剤が使用できる。例えば、カン
ファーキノン、5,7−ヨード−3−ブトキシ−6−フ
ルオレン、ジエトキシアセトフェノン、2−ヒドロキシ
−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン、ベン
ゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、4
−フェニルベンゾフェノン、2−クロロチオキサンソ
ン、2−メチルチオキサンソン、3,3’,4,4’−テ
トラ−(t−ブチルパーオキシカルボニル)ベンゾフェ
ノン等およびこれらの化合物の誘導体が挙げられる。ま
た、必要に応じてメチルジエタノールアミン、4−ジメ
チルアミノ安息香酸等の重合開始助剤を添加することも
できる。これら開始剤は、液晶材料と光反応性材料の総
量に対して30重量%以下が好ましい。これら光重合開
始剤によって、光反応により素子を製造する際に重合が
起きやすくなる。
【0032】レーザー光等の干渉性の光が可視光である
場合、上記開始剤は可視光領域に十分な吸収を有さない
ため、液晶組成物は増感剤として色素が添加されている
ことが望ましい。色素増感剤は可視光により励起され、
エネルギーを光重合開始に移動させるものであり、この
ような色素増感剤としてはクマリン系色素、ケトクマリ
ン系色素、ローダミン系色素、オキサジン系色素、カル
ボシアニン系色素、ジカルボシアン系色素、トリカルボ
シアン系色素、テトラカルボシアン系色素、ペンタカル
ボシアン系色素、オキソノール系色素、スチリル系色
素、キサンテン系色素、メロシアニン系色素、ローダシ
アニン系色素、ポルフィリン系色素、アクリジン系色素
等が挙げられる。
【0033】本発明の液晶素子において、液晶材料と光
反応性材料で作られる周期構造は、2枚の基板間に液晶
組成物を挟み、干渉性の光を照射させることによって生
成し、この周期構造によって、特定の波長の光を選択的
に反射、透過又は回折することができる。ここで言う光
とは、電磁波、可視光、紫外光、赤外線等である。可視
光を反射、回折する液晶素子という点からは、特に可視
光と紫外光が望ましい。使用される光の波長は、限定さ
れるものではないが、電磁波の場合には、通常約1nm
から1mmであり、可視光の場合には、通常380nm
〜780nmであり、紫外光の場合には、通常200n
m〜380nmである。
【0034】本発明の液晶素子を構成する基板は、少な
くとも一方の基板が照射する光を透過するものである必
要がある。その透過性は高い方が望ましいが、光が透過
する限りにおいて使用することが可能である。また、非
干渉性の光を照射する場合のみならず、干渉性の光を使
用する場合においても裏面に反射構造を設けて光を照射
することが可能であり、必ずしも両側の基板が光を透過
するものである必要はない。また、本発明で使用するこ
とのできる基板として、石英、ガラス等の無機材料、高
分子材料等の有機材料等が挙げられる。基板には透明電
極が設けられることが多いが、これに限定されるもので
はなく、不透明電極、電極を設けない場合もある。更に
は、基板表面又は前記透明電極の表面に液晶を配向させ
るための配向膜を設けることもできる。この場合、配向
膜はひとつの基板上にのみ使用されていてもよいし、複
数の基板上に使用されていてもよい。このような配向膜
として、ポリイミド等の高分子からなる配向膜をあげる
ことができる。
【0035】本発明の液晶素子の作成例を、図1を参照
して説明する。ガラス等からなる基板701、702間
にネマティック液晶と光反応性材料(光硬化性樹脂)と
からなる液晶組成物705を配し(703、704は透
明電極)、レーザー光707、706を照射する。レー
ザー光707、706は干渉を起こし、光強度が強い領
域で光反応性材料が硬化し、光の弱い領域には主に液晶
が集まる。この結果、高分子材料711と液晶712と
が分離された層構造(周期構造)ができる。
【0036】
【実施例】次に、本発明の液晶組成物及び液晶素子の具
体例を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定
されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
種々の変形、変更が可能である。 実施例1 <液晶組成物の調製>ネマティック液晶(TL213、
Merck社)、上記一般式(V)の単官能アクリレート
(日立化成社製FA−513A)、及び、式(II)の
フッ素系ジアクリレート(XがHである、ダイキン工業
社製UV3000)を、50:10:40wt%の割合
で混合し、この組成物100部に対して重合開始剤とし
てBTTB(3,3’,4,4’−テトラ−(t−ブチル
パーオキシカルボニル)ベンゾフェノン)1部、分光増感
剤としてクマリン系色素 1部を添加し、液晶材料と光
反応性材料とからなる液晶組成物を調製した。
【0037】<液晶素子の作成>ITO(インジウム錫
酸化物)透明電極付のガラス基板(40mm角、厚さ
0.7mm)を2枚重ね合わせて、空セルを作製した。
セルギャップは5μmとした。上記にて調製した液晶組
成物を真空下でセルに注入した。得られたセルの両側か
らNd/YAG レーザー(2倍高調波、532nm)を
10秒間照射した。レーザー光の照射角度は150゜と
し、基板をやや傾けて設置した。レーザーを用いた照射
系を図2に示す。レーザー光源81から発信したレーザ
ー光105は、ビームエキスパンダ82を用いて約30
倍に拡大され、ビームスプリッタ83で2光束に分けら
れ、ミラー84で折り返されて後、セル85に照射され
た。照射面での照射強度は50mW/cm2であった。
【0038】レーザー光照射後には全面に均一な緑色の
液晶素子が得られた。この液晶素子の反射率−波長曲線
を図3に、また反射率−電圧印加曲線を図4に示す。反
射率は入射光を100%としたときの反射率である。こ
の液晶素子の反射率は37%と大きく、また駆動電圧は
約23Vと低かった。なお駆動電圧は、反射率が1/1
00に低下する電圧とした。
【0039】実施例2〜16及び比較例1〜3 液晶材料と光反応性材料の種類、組成を変化させた以外
は実施例1と同様に液晶組成物を調製し、実施例1と同
様に液晶素子を作製し、反射率、駆動電圧を測定した。
また、素子の均一性を目視により3段階で評価した
(○:均一、△:少し不均一、×:かなり不均一)。結
果を表1及び表2に示す。
【0040】尚、表中の略語は以下の通りである。 GPT:グリセリンプロピレンオキサイドトリアクリレ
ート EHA:2−エチルヘキシルアクリレート NPGDA:ネオペンチルグリコールジアクリレート TMPTA:トリメチロールプロパントリアクリレート
【0041】
【表1】
【0042】
【表2】
【0043】上記表1及び表2から、本発明の液晶素子
によれば、反射率が高く、駆動電圧を低くすることがで
きることが判る。
【0044】
【発明の効果】本発明の液晶素子によれば、特定の(メ
タ)アクリレート化合物を含む光反応性材料を含有する
ことにより、低駆動電圧で、反射特性、均一性に優れた
液晶素子を提供できるものである。また、本発明の液晶
組成物によれば、特に、低駆動電圧と反射特性とに極め
て優れた液晶素子を作製できる液晶組成物を提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の液晶素子の製造方法を示すための図で
ある。
【図2】実施例で用いた照射系の構造を示す図である。
【図3】実施例1で作成した液晶素子の反射率−波長曲
線である。
【図4】実施例1で作成した液晶素子の反射率−電圧印
加曲線である。
【符号の説明】
81 レーザー光源 82 ビームエキスパンダ 83 ビームスプリッタ 84、85 ミラー 86 液晶セル 701、702 基板 703、704 透明電極 705 液晶組成物 706、707 光 708 波面 710 干渉パターン 711 高分子材料 712 液晶
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 齋藤 悟郎 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 三村 広二 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 上原 伸一 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 Fターム(参考) 4H027 BA11 BA15

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2枚の基板間に、液晶材料と光反応性材
    料とを含有する液晶組成物が挟持されるとともに、前記
    液晶材料と前記光反応性材料が周期構造をなして存在し
    ている液晶素子であって、前記光反応性材料が、トリフ
    ルオロメチル基を有する(メタ)アクリレート化合物及
    び下記一般式(III)〜(VII)の単官能(メタ)
    アクリレート化合物からなる群から選択される少なくと
    も1つの化合物を含むことを特徴とする液晶素子。 【化1】
  2. 【請求項2】 前記光反応性材料が、トリフルオロメチ
    ル基を有する(メタ)アクリレート化合物の少なくとも
    一種と、前記一般式(III)〜(VII)の単官能
    (メタ)アクリレート化合物から選択される少なくとも
    1つの化合物とを含むことを特徴とする、請求項1に記
    載の液晶素子。
  3. 【請求項3】 前記トリフルオロメチル基を有する(メ
    タ)アクリレート化合物が、更に水酸基を有することを
    特徴とする、請求項1又は2に記載の液晶素子。
  4. 【請求項4】 前記トリフルオロメチル基を有する(メ
    タ)アクリレート化合物が、複数のアクリレート基又は
    メタクリレート基を有することを特徴とする、請求項1
    〜3のいずれか一項に記載の液晶素子。
  5. 【請求項5】 前記トリフルオロメチル基を有する(メ
    タ)アクリレート化合物が、下記一般式(I)で表わさ
    れる化合物であることを特徴とする、請求項1〜4のい
    ずれか一項に記載の液晶素子。 【化2】
  6. 【請求項6】 前記トリフルオロメチル基を有する(メ
    タ)アクリレート化合物が、下記一般式(II)で表わ
    される化合物であることを特徴とする、請求項1〜4の
    いずれか一項に記載の液晶素子。 【化3】
  7. 【請求項7】 液晶組成物と光反応性材料とを含有する
    液晶組成物であって、前記光反応性材料が、トリフルオ
    ロメチル基を有する(メタ)アクリレート化合物の少な
    くとも一種と、一般式(III)〜(VII)の単官能
    (メタ)アクリレート化合物から選択される少なくとも
    1つの化合物とを含むことを特徴とする液晶組成物。 【化4】
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