CN111694197B - 一种彩色双稳态调光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种彩色调光器件，包括依次层叠设置的第一透明导电基层、液晶层、第二透明导电基层，液晶层包含液晶组合物，液晶组合物包括双介晶化合物、向列相液晶化合物、手性化合物和油性染料，其中彩色调光器件包括两个零电场稳定的状态：使透射光基本上直射的透过态以及使透射光基本上散射的雾态。本发明可实现彩色且零电场维持的双稳态，可应用在调光玻璃上，在提供透光率和隐私隔离性的同时提供美观装饰性。
Description
技术领域
本发明涉及液晶基调光领域，特别涉及一种彩色的双稳态调光器件。
背景技术
液晶基调光装置作为一种应用光电效应的装置，主要是由透明基材和液晶材料组成，其通过外加电场的方式，调控液晶分子的排列状态，从而实现全透明与不透明之间的转换。由于此独特的调光特性，液晶基调光器件，如智能玻璃，被广泛应用与建筑、家居、汽车等行业，用于实现调节光透过率、增加隐私性及阻隔紫外线或红外线等功能。其中，双稳态或多稳态的调光装置由于其无需电场维持的特点，又兼具节能安全性，具有更广阔的应用前景。
现在市面上所具有的双稳态调光器件一般是利用光散射原理，来实现雾态不透明状态。但是器件所针对的是全光谱散射，产生的散射光为白光或近似白光的光线，只能在无色透明和近似白色之间转换，无法实现彩色性能，从而降低其美观性，更限制了应用范围。而市面上的彩色调光膜，大多采用在PDLC中添加染料来实现，但是加入染料会降低调光膜的性能，同时PDLC膜需要电场来维持其稳定状态，不利于节能。另一种解决方法是在一般的双稳态调光器件上添加彩色膜片来实现彩色性能，但彩色膜片会增加透明态时光的散射，从而降低透明度，且增加了调光器件的厚度和制作成本。
因此，需要提供一种调光器件，具有彩色性能的同时可实现双稳态，并可保持原有的性能，且生产工艺简单，成本低。
发明内容
为满足上述需求，本发明提出一种彩色调光器件，彩色调光器件包括依次层叠设置的第一透明导电基层、液晶层、第二透明导电基层，液晶层包含液晶组合物，液晶组合物包括双介晶化合物、向列相液晶化合物、手性化合物和油性染料，其中彩色调光器件包括两个零电场稳定的状态：使透射光基本上直射的透过态以及使透射光基本上散射的雾态。
在一些实施方案中，液晶层的厚度为2-60微米。在优选实施方案中，液晶层的厚度为5-60微米。
在优选实施方案中，第一透明导电基层和第二透明导电基层各自独立地包括透明基板和透明电极，其中透明电极设置在透明基板和液晶层之间。在一些实施方案中，透明基板为玻璃或聚合物材料。在一些实施方案中，透明电极为碳系导电薄膜、金属纳米线导电薄膜或金属氧化物导电薄膜。
在一些实施方案中，彩色调光器件还包括至少一个配向层，配向层设置在第一透明导电基层糊所述液晶层之间和/或第二透明导电基层及所述液晶层之间。在优选实施方案中，配向层包括基本平面取向型和基本垂直取向型。
在优选实施方案中，油性染料占液晶组合物的质量百分比不大于5％。在更优选实施方案中，油性染料占液晶组合物的质量百分比为0.01％～1％。
在一些实施方案中，双介晶化合物占液晶组合物的质量百分比为5％～50％。在优选实施方案中，双介晶化合物占液晶组合物的质量百分比为15％～50％。
本发明公开的彩色双稳态调光器件，通过引入双介晶化合物和在液晶中有一定溶解度的油性染料，可实现彩色且零电场维持的双稳态，且彩色双稳态调光器件具有较低的透过态雾度和较高的雾态雾度，可应用在调光玻璃上，在提供透光率和隐私隔离性的同时更提供美观装饰性。
附图说明
通过参照对本发明的实施方案的图示说明可以更好地理解本发明，在附图中：
图1是本发明公开的彩色调光器件的结构示意图；
图2是本发明公开的彩色调光器件的两个稳态的工作原理示意图；
图3是本发明公开的彩色调光器件的结构示意图；
图4是本发明公开的含有(a)一个配向层和(b)两个配向层的彩色调光器件的结构示意图；
图5是根据本发明实施例制备的彩色调光器件在(a)透过态和(b)雾态的吸收光谱；
图6是根据本发明实施例制备的彩色调光器件在(a)透过态和(b)雾态的吸收光谱。
具体实施方式
在以下的描述中，为了达到解释说明的目的以对本发明有一个全面的认识，阐述了大量的具体细节，然而，很明显的，对本领域技术人员而言，无需这些具体细节也可以实现本发明。在其他示例中，公知的结构和装置在方框图表中示出。在这方面，所举的说明性的示例实施方案仅为了说明，并不对本发明造成限制。因此，本发明的保护范围并不受上述具体实施方案所限，仅以所附的权利要求书的范围为准。
首先参照图1，其中示出一种彩色调光器件，其结构包括第一透明导电基层1、第二透明导电基层2以及夹在中间的液晶层3，其中液晶层3的厚度为2-60微米。优选地，液晶层的厚度为5-60微米。彩色调光器件具有两个零电场稳定的状态：使透射光基本上直射的透过态以及使透射光基本上散射的雾态。
液晶层3中含有液晶组合物，液晶组合物包括双介晶化合物、向列相液晶化合物、手性化合物以及油性染料。液晶组合物中的双介晶化合物为分子中包含两个介晶基元的液晶化合物，也就是说双介晶化合物具有两个可诱导液晶相能力的基团。在本发明的实施方案中，双介晶化合物占液晶组合物的质量百分比为5％～50％。优选地，双介晶化合物占液晶组合物的质量百分比为10％～50％。向列相液晶为常用的具有向列相的液晶化合物或液晶混合物，如5CB、2CB或E7等。但本发明中的向列相液晶化合物不包括可诱导向列相的双介晶化合物。油性染料为可吸收380nm～780nm范围内的特定波长光，并在液晶中有一定溶解度的油性染料。在本发明的实施例中采用了购自东菀市彩辉化工有限公司的油性染料：大红D-001和兰色D-002。在本发明实施方案中，油性染料占液晶组合物的质量百分比不大于5％。优选地，油性染料占液晶组合物的质量百分比为0.01％～1％。
如图2所示，双介晶化合物和向列相液晶化合物在手性化合物的作用下可形成手性向列相(即胆甾相)，从而使调光器件具有两个稳定状态：使透射光基本上直射的透过态(图2(a))和使透射光基本上散射的雾态(图2(b))。在透过态时，胆甾相液晶分子301基本上平行于调光器件表面，其螺旋轴与调光器件表面垂直。形成胆甾相液晶的平面态织构，在此状态下，透射光基本上不受影响地保持原入射角度通过调光器件；在雾态时，胆甾相液晶分子形成焦锥态织构，此时透射光基本上被散射，形成雾度较大的状态。双介晶化合物由于其特殊的弹性系数，可改善液晶分子平面排列的均一性，减少织构缺陷，从而降低彩色调光器件在透过态的雾度，同时提高雾态的雾度。而分散在液晶分子中的油性染料分子302通过吸收特定波长的入射光，使调光器件呈现特定颜色，同时对透射光的传播方向基本上无影响，可基本上不影响透过态和雾态的雾度。此外，彩色调光器件的透过态和雾态都不需要外加电场来维持，可实现零电场的稳定状态。通过选取合适的驱动方式，彩色调光器件可在特定沿色的透过态和雾态之间转换，实现调光的目的。
参照图3，第一透明导电基层1和第二透明导电基层2可进一步各自包括透明基板11和透明电极12，其中透明电极12设置在透明导电基层的内表面，即透明基板11和液晶层3接触的表面。透明基板11可为透明玻璃，也可为透明的聚合物材料，如PET、PEN、PC、PP、PMMA、PBT、PVC、PI、纤维素等。但本发明不限于此，亦可采用透过率符合要求的其他材料。透明电极12可以如图3所示形成薄膜覆盖透明基板的整个内表面，也可根据需要进一步刻蚀成特定形状，或分割成相应的若干分电极。透明电极按导电材料分可包括碳系导电薄膜、金属纳米线导电薄膜、金属氧化物导电薄膜等。碳系导电材料主要有氧化石墨烯和碳纳米管两大类，金属纳米线导电薄膜通常采用银纳米线或铜纳米线，而金属氧化物导电薄膜的主要材质为氧化铟锡(ITO)、氧化铟、氧化锡、氧化锌以及其他金属氧化物的混合体系。在以下实施例中，透明电极选用ITO电极。
如图4所示，彩色调光器件还可以包括配向层4。一般液晶器件通过摩擦法，即沿一定的方向摩擦与液晶接触的基层表面，以使液晶分子沿着摩擦方向排列。通过增加配向层再进行摩擦，可以获得更好的取向效果。配向层4可以如图4(a)所示，只具有单层，设置在第一透明导电基层1和第二透明导电基层2其中任意一个的内表面(与液晶层3接触的表面)；也可如图4(b)所示，具有双层，分别位于第一透明导电基层1和第二透明导电基层2的内表面，进一步增强取向效果。在以下实施例中，均采用双层配向层结构。配向层4一般由取向剂固化形成，其中取向剂为有机高分子材料，如PVB、硅氧烷、聚酰亚胺材料等。根据预倾角(即液晶分子在配向层表面有序排列时，分子长轴方向与配向层表面所形成的夹角)不同，配向层分为基本平面取向型配向层，即配向层表面的液晶分子长轴基本上平行于配向层表面，如IPS、TN、STN型；或基本垂直取向型配向层，即液晶分子长轴基本上垂直于配向层表面，如VA型。
下面将结合具体实施例，对彩色调光器件的结构和光学性能进行详细说明。在以下实施例中，透过态和雾态的雾度通过WGT-S型雾度仪进行测量，而彩色调光器件的吸收光谱可通过常用的紫外可见光光谱仪测量。
为便于表达，以下各实施例中，液晶组合物的基团结构用表1所列的代码表示。同时所使用的手性化合物的结构和代码也在表2中列出。液晶组合物的比例都采用质量百分比。
表1液晶化合物基团结构代码
其中，若n为“3”，即表示为烷基-C3H7或间隔基-C3H6-。
表2手性化合物的代码和结构
对比例1
本对比例中调光器件包括第一和第二透明导电基层、两个配向层及液晶层。其中液晶层中的液晶组合物包括向列相液晶化合物和手性化合物，未采用双介晶化合物和染料，其具体配方如表3所示。液晶层的厚度为20微米，透明导电基层均为玻璃/ITO，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件分别驱动至稳定的透过态和雾态，测量其雾度，其结果为：透过态雾度25.6％，雾态雾度64.3％。
表3液晶组合物配方
对比例2
本对比例中调光器件包括第一和第二透明导电基层、两个配向层及液晶层。其中液晶层中的液晶组合物包括双介晶化合物、向列相液晶化合物和手性化合物，未采用染料，其具体配方如表4所示。液晶层的厚度为20微米，透明导电基层均为玻璃/ITO，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件分别驱动至稳定的透过态和雾态，测量其雾度，其结果为：透过态雾度0.9％，雾态雾度90.4％。
表4液晶组合物配方
实施例1
本实施例中调光器件包括第一和第二透明导电基层、两个配向层及液晶层。其中液晶层中的液晶组合物包括双介晶化合物、向列相液晶化合物、手性化合物和油性染料D-001，其具体配方如表5所示。液晶层的厚度为20微米，透明导电基层均为玻璃/ITO，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件分别驱动至稳定的透过态和雾态，测量其雾度，其结果为：透过态雾度1.2％，雾态雾度82.4％。同时，测量调光器件在透过态和雾态时的吸收光谱，如图5所示，其在525nm左右均有吸收，从而使调光器件在透过态和雾态时均呈现红色。
表5液晶组合物配方
实施例2
本实施例中调光器件包括第一和第二透明导电基层、两个配向层及液晶层。其中液晶层中的液晶组合物包括双介晶化合物、向列相液晶化合物、手性化合物和油性染料D-002，其具体配方如表6所示。液晶层的厚度为20微米，透明导电基层均为玻璃/ITO，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件分别驱动至稳定的透过态和雾态，测量其雾度，其结果为：透过态雾度1.2％，雾态雾度89.7％。同时，测量调光器件在透过态和雾态时的吸收光谱，如图6所示，其在550-650nm之间均有多个有吸收，从而使调光器件在透过态和雾态时均呈现蓝色。
表6液晶组合物配方
实施例3
本实施例中调光器件包括第一和第二透明导电基层、两个配向层及液晶层。其中液晶层中的液晶组合物包括双介晶化合物、向列相液晶化合物、手性化合物和油性染料D-002，其具体配方如表7所示。液晶层的厚度为20微米，透明导电基层均为玻璃/ITO，配向层的类型为VA型。选取合适的电压将调光器件分别驱动至稳定的透过态和雾态，测量其雾度，其结果为：透过态雾度1.5％，雾态雾度89.4％。
表7液晶组合物配方
实施例4
本实施例中调光器件包括第一和第二透明导电基层、两个配向层及液晶层。其中液晶层中的液晶组合物包括双介晶化合物、向列相液晶化合物、手性化合物和油性染料D-001，其具体配方如表8所示。液晶层的厚度为20微米，透明导电基层均为玻璃/ITO，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件分别驱动至稳定的透过态和雾态，测量其雾度，其结果为：透过态雾度1.6％，雾态雾度84.2％。
表8液晶组合物配方
实施例5
本实施例中调光器件包括第一和第二透明导电基层、两个配向层及液晶层。其中液晶层中的液晶组合物包括双介晶化合物、向列相液晶化合物、手性化合物和油性染料D-001，其具体配方如表9所示。液晶层的厚度为20微米，透明导电基层均为玻璃/ITO，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件分别驱动至稳定的透过态和雾态，测量其雾度，其结果为：透过态雾度0.58％，雾态雾度80.5％。
表9液晶组合物配方
实施例6
本实施例中调光器件包括第一和第二透明导电基层、两个配向层及液晶层。其中液晶层中的液晶组合物包括双介晶化合物、向列相液晶化合物、手性化合物和油性染料D-002，其具体配方如表10所示。液晶层的厚度为5微米，透明导电基层均为玻璃/ITO，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件分别驱动至稳定的透过态和雾态，测量其雾度，其结果为：透过态雾度0.9％，雾态雾度65.2％。
表10液晶组合物配方
实施例7
本实施例中调光器件包括第一和第二透明导电基层、两个配向层及液晶层。其中液晶层中的液晶组合物包括双介晶化合物、向列相液晶化合物、手性化合物和油性染料D-001，其具体配方如表11所示。液晶层的厚度为9微米，透明导电基层均为玻璃/ITO，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件分别驱动至稳定的透过态和雾态，测量其雾度，其结果为：透过态雾度1.7％，雾态雾度80.3％。
表11液晶组合物配方
实施例8
本实施例中调光器件包括第一和第二透明导电基层、两个配向层及液晶层。其中液晶层中的液晶组合物包括双介晶化合物、向列相液晶化合物、手性化合物和油性染料D-001，其具体配方如表12所示。液晶层的厚度为50微米，透明导电基层均为玻璃/ITO，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件分别驱动至稳定的透过态和雾态，测量其雾度，其结果为：透过态雾度1.8％，雾态雾度89.0％。
表12液晶组合物配方
实施例9
本实施例中调光器件包括第一和第二透明导电基层、两个配向层及液晶层。其中液晶层中的液晶组合物包括双介晶化合物、向列相液晶化合物、手性化合物和油性染料D-001，其具体配方如表13所示。液晶层的厚度为20微米，透明导电基层均为PET/ITO，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件分别驱动至稳定的透过态和雾态，测量其雾度，其结果为：透过态雾度1.3％，雾态雾度86.5％。
表13液晶组合物配方
通过以上实施例和对比例，可知本发明的彩色调光器件能实现零电场稳定的透过态和雾态，并具有较低的透过态雾度和较高的雾态雾度，同时可实现彩色的双稳态，从而在高透光性和隐私隔离性的基础上进一步增加了美观性。
尽管已经在上面以细节描述了数个示例性实施方案，但是所公开的实施方案仅是示例性而非限制性的，并且本领域技术人员将容易意识到，在示例性实施方案中很多其他修改、改动和/或替换是可能的，而不实质偏离本公开的新颖性教导和优点。因此，所有这些修改、改动和/或替换意图被包括在如所附权利要求书所限定的本公开的范围内。
Claims (9)
1.一种彩色调光器件，包括依次层叠设置的第一透明导电基层、液晶层、第二透明导电基层，所述液晶层包含液晶组合物，所述液晶组合物包括双介晶化合物、向列相液晶化合物、手性化合物和油性染料，其中所述彩色调光器件包括两个零电场稳定的状态：使透射光基本上直射的透过态以及使透射光基本上散射的雾态；
所述双介晶化合物按照质量百分比包括14.49%的NPP7PPN、14.49%的NPP9PPN以及14.49%的NPP11PPN，或者10.99%的NPP7PPN、10.99%的NPP9PPN以及10.99%的NPP11PPN；
NPP7PPN的化学式为：
；
NPP9PPN的化学式为：
；
NPP11PPN的化学式为：
。
2.如权利要求1所述的彩色调光器件，其中所述液晶层的厚度为2-60微米。
3.如权利要求1所述的彩色调光器件，所述第一透明导电基层和所述第二透明导电基层各自独立地包括透明基板和透明电极，其中所述透明电极设置在所述透明基板和所述液晶层之间。
4.如权利要求3所述的彩色调光器件，所述透明基板为玻璃或聚合物材料。
5.如权利要求3所述的彩色调光器件，所述透明电极为碳系导电薄膜、金属纳米线导电薄膜或金属氧化物导电薄膜。
6.如权利要求1所述的彩色调光器件，所述彩色调光器件还包括至少一个配向层，所述配向层设置在所述第一透明导电基层与所述液晶层之间和/或所述第二透明导电基层及所述液晶层之间。
7.如权利要求6所述的彩色调光器件，所述配向层包括基本平面取向型和基本垂直取向型。
8.如权利要求1所述的彩色调光器件，其中所述油性染料占所述液晶组合物的质量百分比不大于5%。
9.如权利要求1所述的彩色调光器件，其中所述双介晶化合物占所述液晶组合物的质量百分比为5%~50%。
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